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基于分布式光纖傳感技術(shù)的高鐵安防系統(tǒng)

2021-07-05 01:04
鐵路通信信號工程技術(shù) 2021年6期
關(guān)鍵詞:傳感擾動脈沖

葉 雯

(中國人民武裝警察部隊海警學(xué)院艦艇指揮系,浙江寧波 315801)

1 概述

信息技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,使人們對交通出行方式提出了越來越高的要求。民航由于受到天氣和航空流量控制的影響,雖然在速度方面有一定的優(yōu)越性,但是比較容易出現(xiàn)航班延誤和取消的情況,具有一定的限制性;公路交通,由于其經(jīng)常會受到天氣和高速公路擁堵的影響,也具有一定的限制性。而高速鐵路,由于其具有運行準(zhǔn)時、安全、舒適、運輸量大且速度快的優(yōu)點,已經(jīng)漸漸成為人們出行的首選交通方式。進(jìn)入21世紀(jì)以來,高速鐵路得到了迅速發(fā)展,不僅在速度上得到飛速進(jìn)步,在列控和安全防控方面也越來越往智能方向發(fā)展。目前,國內(nèi)高鐵列控技術(shù)在實際應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)展到CTCS-3級列控系列,采用準(zhǔn)移動閉塞方式,應(yīng)用于時速300 km以上的高鐵系列,而更高一級的CTCS-4級列控系統(tǒng),可以實現(xiàn)移動閉塞和虛擬閉塞,從而縮短行車間隔,尚處于理論研究階段[1]。

高鐵系統(tǒng)在提升速度的同時,還必須考慮到安全性問題,因此專家學(xué)者們在研究如何提高高鐵運行速度的同時,也開展對高鐵安全性問題的科學(xué)研究。國內(nèi)在這方面的工作已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)2分析不同鐵路場所下的不同安防系統(tǒng),主要運用到了紅外對射、電子圍欄、振動光纖、視頻監(jiān)控等多種安防手段[2]。參考文獻(xiàn)3對目前國內(nèi)鐵路正在試行的周界入侵報警系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化[3]。參考文獻(xiàn)4在分析了以上安防系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上,提出基于微波列陣技術(shù)的高鐵周界安防系統(tǒng),彌補主流安防系統(tǒng)的不足[4]。

2 高鐵安防系統(tǒng)

本文闡述一種高鐵安防系統(tǒng),該系統(tǒng)包括檢測模塊、報警模塊、傳輸模塊3部分,而檢測模塊又包括電力檢測模塊、溫度傳感檢測模塊、空氣壓力檢測模塊和光纖振動檢測模塊。其中的光纖振動檢測模塊是利用光纖的瑞利散射信號,通過光相位變化來檢測入侵信號,具有實時、多點、長距離遠(yuǎn)程監(jiān)控報警功能。該模塊可以根據(jù)對比反射回來的振動波形來判斷高鐵周界的不安全因素源的位置和類型,給予報警和視頻監(jiān)控,針對不同的不安全因素源來采取不同的應(yīng)對措施,排除不安全因素。

高鐵周界安防系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由傳輸模塊、檢測模塊和報警模塊構(gòu)成。檢測模塊又由空氣壓力檢測模塊、電力檢測模塊、溫度傳感檢測模塊、光纖振動檢測模塊組成。傳輸模塊包括無線傳輸部分和有線傳輸部分。報警模塊包括信息記錄部分和語音警示部分。信息記錄部分又包括圖像顯示和數(shù)據(jù)記錄兩部分,其中的圖像主要是記錄光纖振動模塊中非正常擾動的視頻監(jiān)控錄像,提示有非正常擾動信號時,顯示擾動源的相關(guān)視頻情況。語音提示部分是當(dāng)各個模塊超過設(shè)定閾值時給予報警提示,并且記錄相關(guān)信息。

2.1 光纖振動傳感檢測模塊

高鐵安防系統(tǒng)中,光纖振動傳感檢測模塊部分是本設(shè)計的一個重要部分,可以實現(xiàn)實時、多點、遠(yuǎn)距離的24 h無人監(jiān)控,該技術(shù)還被應(yīng)用在邊境安防監(jiān)控中[5]。工作原理如圖2所示,激光器發(fā)出1550 nm的單頻激光光源,脈沖寬帶在10~100 ns,經(jīng)過脈沖調(diào)制后,發(fā)射出的脈沖光源經(jīng)過功率放大,使獲得足夠強(qiáng)的功率可以得到回波信號,被放大的脈沖激光經(jīng)過光濾波器,使放大過程中產(chǎn)生的非發(fā)射波段干擾得以去除。在傳輸?shù)倪^程中,由于光纖內(nèi)部產(chǎn)生了瑞利散射[6],在光纖的不同位置會產(chǎn)生一個反向的散射信號,信號通過光纖耦合器,經(jīng)過光濾波和放大器,由高靈敏的光信號接收系統(tǒng)接收,通過光電轉(zhuǎn)換變成隨時間變化的電信號波形,經(jīng)過計算機(jī)對波形進(jìn)行分析,假如在光纖鋪設(shè)的整個檢測路段,有非正常擾動產(chǎn)生,那么通過檢測反射回來的波形變化,將其和之前沒有擾動的波形進(jìn)行比較,就可以判斷出非正常振動的位置和振動源的類型[6],進(jìn)而啟動報警系統(tǒng)報警。

該光纖振動傳感模塊是利用光時域反射計原理[7-8],在光時域譜上通過對比反射光譜的變化來感知外界擾動情況。該模塊所用的激光光源是脈沖光源,其脈沖的頻率需要根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定,最高頻率決定于傳感光纖的鋪設(shè)總長,為使兩個脈沖信號之間無干擾,設(shè)定的脈沖周期應(yīng)大于光脈沖在光纖中的來回時間。根據(jù)傳感光纖的總長度,可以確定下一個脈沖的發(fā)射時間,例如,對于10 km的光纖長度,光纖發(fā)射和經(jīng)過的光纖總長度為20 km,對應(yīng)的來回傳輸時間約為10-4s,因此脈沖間隔必須大于10-4s,這樣脈沖的最高頻率可以設(shè)定為10 kHz。如果光纖長度擴(kuò)展為50 km,對應(yīng)的來回時間為5×10-4s,這時脈沖的最高頻率可以設(shè)定為2 kHz。由此可見,該光纖振動檢測模塊的激光光源需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇,不同的傳感檢測距離,選擇不同頻率和功率的脈沖激光光源。

該光纖振動傳感檢測模塊的優(yōu)點在于,可以實時監(jiān)控高鐵周邊情況,一旦非正常擾動產(chǎn)生,可以即時報警,并且由計算機(jī)軟件系統(tǒng)分析出非正常擾動的位置和擾動源的類型。擾動源的位置判斷是根據(jù)回波信號的時間序列中讀出來,因此可以根據(jù)波形的時間序列圖讀到多個位置點的不同擾動,這樣就提高了檢測效率。振動源的類型通過波形圖上振動頻率和振動強(qiáng)度的不同來判斷。當(dāng)然,這需要一些前期的實踐工作,根據(jù)一些實驗數(shù)據(jù)來建立擾動數(shù)據(jù)庫,對高鐵運行經(jīng)常會遇到的一些非正常擾動波形進(jìn)行建模,然后將實際檢測到的數(shù)據(jù)跟它們比對,判斷出擾動類型,啟動報警系統(tǒng)。報警系統(tǒng)給予報警,同時給出擾動源各自對應(yīng)的位置信息,并且記錄視頻監(jiān)控錄像,給后期事故處理提供依據(jù)。具體操作流程如圖3所示。

安防系統(tǒng)中光纖振動傳感檢測模塊因其實時性、工作距離大、高定位精度的要求,其結(jié)構(gòu)模塊架構(gòu)相對比較精細(xì),而且需要前期數(shù)據(jù)建模工作,相對其他3個檢測模塊來說,研究工作更復(fù)雜。

2.2 空氣壓力檢測模塊

安防系統(tǒng)中的空氣壓力檢測模塊,是利用高鐵在高速前行時,兩側(cè)的空氣壓力驟減,產(chǎn)生的壓力差高達(dá)幾十千克以上,進(jìn)入高鐵的人和物體都會被“吸向”高鐵,因此該空氣壓力模塊,是利用了對壓力敏感的壓敏式電阻,其阻值會隨著壓力的變化而變化,使電路中的電流發(fā)生變化,給出了不同的電信號,報警系統(tǒng)根據(jù)電信號的情況給予報警。在檢測風(fēng)力的同時,也檢測高鐵周邊的空氣壓力,起到很好的安防作用。其工作原理如圖4所示,空氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入真空管,真空管的一端接有壓敏電阻,壓敏電阻根據(jù)氣體不同壓強(qiáng)產(chǎn)生著變化,使回路中的電流產(chǎn)生變化,產(chǎn)生不同的電信號,電信號檢測器通過不同電信號變化控制著電路,給予報警。

2.3 溫度傳感檢測模塊

安防系統(tǒng)中的溫度傳感檢測模塊,利用熱敏電阻的變化引起電壓的變化,來實現(xiàn)對高鐵表面以及高鐵周邊的空氣溫度的檢測,其工作原理跟上面相類似,只是使用的電阻不同而已。熱敏電阻被安置在高鐵車身外靠近軌道的地方,高鐵運行速度過快或者有其他異常情況例如起火等,熱敏電阻值會發(fā)生變化,引起電路中的電流和電壓的變化,啟動回路中的報警系統(tǒng)報警,保證高鐵的安全運行。另外,在每一節(jié)車廂也安裝一個溫度報警器,在車廂溫度異常的情況下同樣報警,保證車廂內(nèi)部的安全。

2.4 電力檢測模塊

安防系統(tǒng)中的電力檢測模塊,通過檢測高鐵供電系統(tǒng)中輸出端的電壓和功率值以及輸入端的電壓和功率值來判斷其電力系統(tǒng)是否正常,檢測數(shù)據(jù)由傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng),由相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析出高鐵電力系統(tǒng)的運行狀況,假如出現(xiàn)異常,則啟動報警系統(tǒng)報警,同時記錄數(shù)據(jù),做出應(yīng)對方案,實時保證高鐵安全運行。

安防系統(tǒng)的4個檢測模塊都是通過傳輸模塊進(jìn)行無線和有線信號的傳輸,最后由報警系統(tǒng)給出視頻監(jiān)控圖像和報警信息,保障高鐵的運行穩(wěn)定。報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)24 h的無人監(jiān)控智能報警,計算機(jī)分析出高鐵運行的不穩(wěn)定因素類型,實現(xiàn)自動報警后,記錄相關(guān)信息,方便事故處理。

3 安防系統(tǒng)的優(yōu)點

本文所介紹的高鐵安防系統(tǒng),通過對高鐵運行過程壓力、溫度、振動、電壓和功率幾個參數(shù)值的變化來監(jiān)測高鐵的安全性,具有實時、智能、多方面的監(jiān)測特點,其中的光纖振動檢測模塊,引入國際先進(jìn)技術(shù),具有很高的監(jiān)測精度和準(zhǔn)確度,不僅可以實現(xiàn)24 h無人監(jiān)控,還可以準(zhǔn)確分辨出振動源的類型,判斷出非正常擾動情況,做出相應(yīng)的應(yīng)對方案,具有很強(qiáng)的智能性。

4 結(jié)束語

該安防系統(tǒng)暫時還處于試驗階段,尚未正式進(jìn)入實際鋪設(shè)過程,光纖振動模塊,由于其檢測裝置相對比較精細(xì),而且又是全段光纖鋪設(shè),對工程技術(shù)提出了很高的要求,光纖系統(tǒng)的后期維護(hù)工作也具有一定的技術(shù)性,因此,該系統(tǒng)跟之前別的安防系統(tǒng)相比,工程量會相對復(fù)雜一些,具有一定的挑戰(zhàn)性。

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