CN102354433B - 基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统，包括现场监控设备，现场监控设备包括设置在铁路沿线边坡的主动网防护区岩体变形松动监测和以柔性被动网为监测载体的危岩落石监测，其还包括监控控制设备，监控控制设备与现场监控设备相连；现场监控设备包括岩体变形和松动监测子系统、落石破网监测报警子系统和落石状态监测子系统，这些子系统均与监控控制设备相连；监控控制设备包括依次相连的光纤终端盒(9)、光纤光栅信号解调器(10)、网络交换机(11)和计算机系统(12)。本发明提升了铁路危岩落石报警监测技术的准确性，使列车运营安全得到更有力的保障。

Description

基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统

技术领域

本发明是可适用于铁路边坡危岩落石的监测报警系统，属光纤传感技术、计算机系统集成技术、信号检测技术及铁路防灾安全监测技术领域。

背景技术

我国是铁路大国，近几年铁路技术发展迅速，客专的里程越来越长，列车的运行速度越来越快，对行车的安全性要求越来越高，铁路沿线地质灾害的自动监测与预警技术越来越受到广泛重视。铁路建设关于《新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定》中明确规定：客运专线铁路需设置防灾安全监控系统，应根据需要对自然灾害和异物侵限等进行监测，并提供有关防灾数据(预警、限速、停运等决策信息)，为列车运行计划调整、行车控制提供依据，保证列车的正常运行。危岩落石实时防灾安全监测是其中的一项重要内容。

常规的铁路安全防护技术是安装主动、被动网阻挡边坡坍塌、危岩落石侵入铁路线路，是一种单一被动防护方式，没有报警功能，一旦灾害发生，防护网被冲坏，就会危及行车安全。边坡危岩落石预警与报警监测技术，国内外已开展了部分研究与应用，但由于铁路沿线地质情况复杂、电磁干扰严重、取电困难、信号传输远等恶劣条件，加上其对系统漏报和误报的严格要求，目前针对铁路边坡危岩落石监测预警报警的技术还很少见。

当前的铁路边坡危岩落石监测报警技术研究主要分为主动预警监测和被动报警监测两种。主动预警监测是在岩体松动灾害发生前给与预警信息提示。目前针对危岩早期松动监测采用GPS(全球定位系统)位移监测技术，该技术是以卫星为基础的无线电导航定位系统。GPS卫星发射测距信号和导航电文，用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号，测量出测站点至3颗卫星的距离并解算出该时刻的GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测点的位置。使用该技术，现场需要电源和经常性维护，特殊地域无法取得信号；特别是无法测得岩石内部的应力变化，所以无法对塌方落石进行预报。如需进行多点监测，则该系统造价昂贵，而且容易被盗。

被动监测是在有岩层脱落灾害发生以后给与报警信息提示。主要技术有：电网监测、视频监测等技术手段。电网监测是预先设置防护网并在网上安装电网传感器，一旦异物撞坏防护网，通过电网感应的方式即可向调度中心报警。视频监测是采用图像观测法监测落石情况，虽然直观，但雨、雾和雪等恶劣天气下图像清晰度难以保证，难以识别，且现场需要电源，设备容易被破坏。

上述主动预警监测和被动报警监测等电类监测技术的共同特点是：对使用环境要求较高，易受各种干扰因素的影响，使用寿命短，无法进行远距离、大范围的使用等。

现有技术还包括人工巡检法，该方法只能对岩体前期的状态进行检测，不能实时预报，而且存在人为主观性，检测仅能定性难以精确定量。综上，目前暂无可适用于铁路边坡危岩监测的可靠测试手段，也还暂无针对该项监测需求的基于光纤光栅传感技术的监测报警系统。

总之，现有边坡危岩落石监测报警系统，主要存在的缺点是：系统的技术特点无法满足铁路运行低漏报和误报的要求；电类技术抗干扰、取电、信号传输、维护困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统，针对现有铁路边坡落石监测技术存在的问题，本发明能解决如下关键技术问题：解决了现有铁路边坡落石监测报警系统只能被动进行报警监测而不能主动预警监测问题；解决了现有铁路边坡危岩落石监测系统监测电类传感器在现场恶劣天气不能连续正常工作的问题；解决了现有铁路边坡监测系统监测信号抗电磁干扰和远距离传输问题；解决了铁路边坡监测系统单一监测手段下，容易漏报和误报率高的问题。

本发明所采用的技术方案是：基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统，包括现场监控设备，现场监控设备包括设置在铁路沿线边坡的主动网防护区岩体变形松动监测和以柔性被动网为监测载体的危岩落石监测，其还包括监控控制设备，监控控制设备与现场监控设备相连；现场监控设备包括岩体变形和松动监测子系统、落石破网监测报警子系统和落石状态监测子系统，这些子系统均与监控控制设备相连；监控控制设备包括依次相连的光纤终端盒、网络交换机和计算机系统。

所述的监测报警系统，岩体变形和松动监测子系统与光纤终端盒相连，其采用光纤光栅智能锚杆，并将其穿透打入边坡主动网防护区坡面风化岩层。

所述的监测报警系统，光纤光栅智能锚杆包括螺纹钢锚杆、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器和光信号输出保护装置，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器均设置在螺纹钢锚杆上，光信号输出保护装置设置在螺纹钢锚杆的一个端头，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器均通过光信号输出保护装置、信号传输光缆与光纤终端盒相连。

所述的监测报警系统，落石破网监测报警子系统与光纤终端盒相连，其包括被动网振动监测传感器和光纤光栅破网监测传感网，二者均设置在柔性被动防护网上。

所述的监测报警系统，被动网振动监测传感器接有宽带光源和解调器，解调器包括相连的光纤法布里-珀罗腔和运算设备，被动网振动监测传感器与宽带光源、解调器之间还依次接有隔离器和3dB耦合器。

所述的监测报警系统，落石状态监测子系统包括光纤光栅张力传感器和视频监控系统；光纤光栅张力传感器夹持于柔性被动防护网的拉锚绳上，并与光纤终端盒相连；视频监控系统与网络交换机相连。

所述的监测报警系统，系统扩展有与监控控制设备相连的扩展设备；扩展设备包括工务段管理计算机、路局管理计算机和报警/行车连锁输出设备。

本发明针对边坡加固防护措施，采取了主动和被动两种监测措施。主动监测针对风化层可能出现的松动脱落，采用智能锚杆对岩体内应力进行监测；被动监测针对危岩落石，对被动防护网网面振动、网面破损、拉锚绳张力进行监测。

基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统，相比既有的监测系统具有如下几个特点：

(1)主要监测项目都采用了光纤光栅传感技术，具有耐腐蚀，抗电磁干扰，使用安全可靠、集传感与传输于一体等优点，检测、传输信号属波长调制，使用波分复用技术，容量大，易于构成传感网络实现多参数同步传感测量。

(2)与传统监测技术相比，实现了现场无电检测，成本低、免维护，信号可远距离传输，特别适用于工程长期在线安全监测，尤其是铁路无人区、无电区等恶劣的环境。

(3)监测系统采用了防护网落石振动和落石破网两种不同原理的监测技术，同时对被动网进行监测，避免单一技术出现的误报，极大限度降低了系统误报率，且监测光纤传感器和被动防护网形成一体，有效减少漏报。

(4)系统自检功能、多级组合报警策略和视频联动功能，保证了系统的稳定性与可靠性，为纳入行车联锁提供可靠依据。

本发明不仅克服了现有监测系统诸多缺点，更为铁路边坡落石监测系统研究提供了一个全新的思路和方向，提升了铁路危岩落石报警监测技术的准确性，使列车运营安全得到更有力的保障。

本发明的有益效果是：

本系统通过光栅光纤传感器和视频联动监测对铁路边坡危岩落石的监测、预警、报警及实时图像传输，能够及时发现和处置铁路边坡危岩落石灾害事件，并通过网络可实现多级联控。本系统的研制解决了多年来在铁路边坡危岩落石安全防护工作中存在的漏报、误报、传输和电源等难题，对保障铁路行车安全特别是山区铁路行车安全起到了较可靠的保障作用。同时本系统能够建立铁路边坡信息系统数据库，可为边坡整治提供合理的决策信息。本系统布设简单，使用简便，稳定可靠，运用维护成本低，能有效的预防和减少铁路列车撞碰落石灾害事故发生，对保障人民生命财产安全和国家财产损失有着重大的意义。

附图说明

图1是铁路边坡危岩落石监测报警系统结构图。

图2是光纤光栅智能锚杆结构图。

图3是光纤光栅落石监测传感技术原理。

图4是光纤光栅落石监测传感器布点示意图。

图5(a)、(b)分别是落石破网监测光纤光栅破网监测传感网布置示意图及其A向放大图。

图6是基于光纤光栅张力传感器的防护网落石状态判别原理。

图中有：主动网防护区1；光纤光栅智能锚杆2；螺纹钢锚杆2-1；光纤光栅应变传感器2-2；光纤光栅温度传感器2-3；光信号输出保护装置2-4；被动防护网3；被动网振动监测传感器4；光纤光栅破网监测传感器5；光纤光栅张力传感器6；信号传输光缆7；视频监控系统8；光纤终端盒9；光纤光栅信号解调器10；网络交换机11；计算机系统12；工务段管理计算机13；路局管理计算机14；报警/行车连锁输出15；光纤光栅传感器16；金属扎带17；光纤法布里-珀罗腔18；宽带光源19；隔离器和3dB耦合器20。图3中，S₁-S_n为1-n号光纤光栅传感器，λ₁-λn为对应的波长，运算设备有加法器、乘法器和减法器。图6中，(a)-(d)分别是状态1-状态4。

具体实施方式

本发明研制了基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统，该系统有效降低了系统漏报和误报，具有稳定可靠性高、抗干扰能力强、信号传输距离远、无电检测免维护等特点，为铁路安全行车提供了安全保障，是对既有铁路防灾安全监控系统的重要补充。

本方案主要监测边坡岩体风化层的缓慢受力变化，并对危岩落石冲击和网面破损情况进行报警，并具有视频监测联动。监测数据输入计算机，通过专用软件处理输出声光预警、报警信号和视频联动观测。监测信号可通过局域网远传至工务段和铁路局等监控中心，并具有短信、电话等报警功能，其系统结构如图1所示。

监测报警系统主要由以下几个部分组成：

(1)基于光纤光栅智能锚杆的岩体变形和松动监测子系统；

(2)基于光纤光栅传感技术的落石破网监测报警子系统；

(3)基于光纤光栅张力传感器和视频监控的落石状态监测子系统；

(4)基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统。

基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统，是一个远程、长期、实时在线的监测系统。边坡现场无需供电，控制室的宽带光源发出的光信号通过传输光缆(最远20KM)远传到各类光纤光栅传感器，经反射后再传回控制室，经光纤光栅解调器进行信号解调后由计算机采集，采集数据上传至服务器进行处理和分析，通过专用软件处理输出监测结果和报警信号，并可触发视频监控信号进行联动观测。监测和报警信息可通过局域网远传至工务段、铁路局等监控中心，实现远程实时在线监控和管理。

实施例：

1.基于光纤光栅智能锚杆的岩体变形和松动监测子系统

风化层岩体的变形及松动会严重危及铁路的行车安全，为了监测加固后岩体的变形及松动状态。本子系统基于光纤传感原理研制了光纤光栅智能锚杆，将其穿透打入边坡主动网护坡面风化岩层区域，可实现通过监测沿锚杆轴向受力的分布及发展状况来开展各块区域风化岩层的受力情况监测。图2是光纤光栅智能锚杆结构图。锚杆的长度根据监测现场地质勘测情况确定，可采用钢筋或钢缆。

单根锚杆依据测力点的埋深及超越阈值的测力点个数来进行预警重要性划分。预警值设置时，首先需采集并统计一定时间区间内锚杆各测点的极值，用累积统计量的一定置信区间的上下限作为预警限值。为降低局部测点异常引起的误报事件，锚杆可划分为不同区域带，分区域进行预警。当区域带内发生预警信息的锚杆超过预设门槛的要求时，才对该监测区域提示预警，并联动视频信号观察监视。长期积累的监测区域内光纤光栅智能锚杆受力监测数据，可用于构建边坡风化岩层不同点位不同深度处力统计指标的监测数据库，基于该数据库建立的预警分析方法可为后期判别风化层脱落变形监测预报提供服务。

2.基于光纤光栅传感技术的落石破网监测报警子系统

(1)技术原理

落石破网监测报警是本系统研究的重点和核心类容。以柔性被动网为监测对象，分别开展落石、破网、落石破网报警方面的研究。为了提高系统报警的可靠性，将光纤传感网和防护网连为一体，实现网破纤断，有效地避免了系统漏报。为极大地降低误报率，设计了光纤光栅落石振动传感器和光纤光栅破网传感网，将两类传感器同时布设于被动网上，仅当落石振动和破网同时发生时，系统才发出报警，这种组合报警方式极大地降低了系统误报，优于传统的监测方式。

边坡落石侵入防护网会时，会引起柔性被动防护网结构呈现特定模式的工作模态。通过在防护网上布置光纤振动传感器来捕捉落石引起的防护网模态变化。如图3，宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB耦合器由信号处理器接收。当有落石发生时，光纤光栅落石监测传感器随着护网的一起运动，光纤光栅的谐振波长发生漂移，其漂移量由波长解调装置测出，并输入计算机进行分析处理，并经过系统软件智能对比分析后，发出声光等预警、报警信号，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作，如联动摄像头、行车等。

为了进一步降低误报率，本子系统使用了光纤光栅破网监测传感网，将其均匀编织于被动网形成监测光网，由于监测光缆强度远低于被动网，当边坡落石入侵破网时，编织网上的光纤监测网也将破网，通过仪表监测不同网片光网信号的通断即可初步定位落石破网是否发生及发生区域。两类监测目的的光纤光栅传感器安置于同一片网，优于传统监测布置方式，该组合报警方式可靠性高、误报率低。

(2)监测布点

以长10米、高4米防护网为例，落石监测传感器的布点安装如图4所示，传感器的安装高度为2.5米，每片网布设光纤光栅传感器4个，其布置间距为2米。光纤光栅传感器之间用光缆相连，根据信号解调器的波长带宽、传感器的波长间距确定传感器的串联数量，例如解调器带宽40nm，传感器的波长间距2nm，理论串联数量的最大数量为20个。传感器组串完成后，一端与信号传输光缆连接，通过传输光缆，监测信号传回监控室。

破网监测传感光网的监测方案如图5所示。光网光缆沿被动网网格钢缆布置，每个节点用金属扎带进行固定，保证光网与被动网之间不会产生相对滑动，光网两端各串联一个光纤光栅传感器。网片组串原理和信号传输与上段说明相同。

3.基于光纤光栅张力传感器和视频监控的落石状态监测子系统

(1)技术原理

为了监测有落石未破网的工作状态，采用了光纤光栅张力传感器和视频联动的监测方式。将光纤光栅张力传感器夹持于被动网拉锚绳上，可实现对该类结构受力状态的监测。当有落石未破网时，防护网工作模态的改变会引起拉锚绳结构受力的相应改变，因此，如图6拉锚绳不同的受力监测曲线均与落石是否入侵，是否破网间有相应的映射关系(状态1表示状态正常，状态2表示承接有落石，状态3表示落石弹回或落石破网，状态4表示承接落石负荷下降)。本系统的视频监控，采用基于传感监测信号的触发方式联动，因而具有智能主观性。当有落石发生时，视频监测功能被激活，对落石状态进行视频图像复核。

(2)监测布点

根据被动网加固拉锚绳的数量，每根加固拉锚绳上安装光纤光栅张力传感器一个，传感器的固定根据拉锚绳的规格，采用相应规格的卡件进行固定，并可以辅以其它方式进行加固，保证传感器与拉锚绳之间不产生相对位移。张力传感器之间用光缆进行连接，组串原理和信号传输方式与上节介绍相同。张力增减超过设定的阈值时，系统输出报警信号。

视频监测系统安装在边坡附近，硬件配置和安装位置以能满足视频图像复核为宜。

4.基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统

该系统由现场传感测试仪器、控制室设备、监控管理中心监测终端组成。

(1)现场传感测试仪器

现场传感测试仪器主要由光纤光栅智能锚杆、光纤光栅落石监测传感器、光纤光栅张力传感器、光纤光栅破网监测传感网、光缆及光纤接续盒组成。每个区域的传感器通过光缆串联后接至光纤接续盒，再经光缆与控制室采集站相连接。

(2)控制室设备

控制室设备由硬件和软件组成。硬件系统由采集计算机、服务器、光纤光栅解调器、网络交换机、光纤接续终端等组成；软件系统由各种硬件设备的驱动软件、通信软件、数据库软件、监测预警报警、评估等软件组成。

(3)终端设备

在铁路局、工务段分别设置监测报警终端。可接收报警信号，并查看监测信息。系统结构图如图1所示。

本技术通过对既有监测技术手段存在问题的深入分析，结合柔性防护网结构特点及光纤传感技术可远距离、无中继、适应恶劣工作环境、抗电磁干扰等技术优势，研制了基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统，并提出了基于各子系统的传感网布设原则、监测方案及实施步骤。其技术创新点如下：

(1)首次提出了基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测系统及监测网传感器布设原则及监测实施方案；

(2)首次提出了低误报率的基于光纤光栅的铁路边坡落石、破网双信号组合的监测危岩落石报警方法；

(3)首次研发了适用于铁路边坡，能感知岩体缓慢力学性能变化的光纤光栅智能锚杆。

Claims (4)

1.基于光纤光栅传感技术的铁路边坡危岩落石监测报警系统，包括现场监控设备，现场监控设备包括设置在铁路沿线边坡的主动网防护区岩体变形松动监测和以柔性被动防护网为监测载体的危岩落石监测，其特征在于：其还包括监控控制设备，监控控制设备与现场监控设备相连；现场监控设备包括岩体变形和松动监测子系统、落石破网监测报警子系统和落石状态监测子系统，这些子系统均与监控控制设备相连；监控控制设备包括依次相连的光纤终端盒（9）、光纤光栅信号解调器（10）、网络交换机（11）和计算机系统（12）； 

所述岩体变形和松动监测子系统与光纤终端盒相连，其采用光纤光栅智能锚杆（2），并将其穿透打入边坡主动网防护区（1）坡面风化岩层； 

所述落石破网监测报警子系统与光纤终端盒（9）相连，其包括被动网振动监测传感器（4）和光纤光栅破网监测传感网（5），二者均设置在柔性被动防护网（3）上； 

所述落石状态监测子系统包括光纤光栅张力传感器（6）和视频监控系统（8）；光纤光栅张力传感器（6）夹持于柔性被动防护网（3）的拉锚绳上，并与光纤终端盒（9）相连；视频监控系统（8）与网络交换机（11）相连。 

2.根据权利要求1所述的监测报警系统，其特征在于：光纤光栅智能锚杆包括螺纹钢锚杆（2-1）、光纤光栅应变传感器（2-2）、光纤光栅温度传感器（2-3）和光信号输出保护装置（2-4），光纤光栅应变传感器（2-2）和光纤光栅温度传感器（2-3）均设置在螺纹钢锚杆（2-1）上，光信号输出保护装置（2-4）设置在螺纹钢锚杆（2-1）的一个端头，光纤光栅应变传感器（2-2）和光纤光栅温度传感器（2-3）均通过光信号输出保护装置（2-4）、信号传输光缆（7）与光纤终端盒（9）相连。 

3.根据权利要求1所述的监测报警系统，其特征在于：被动网振动监测传感器（4）接有宽带光源和解调器，解调器包括相连的光纤法布里-珀罗腔（18）和运算设备，被动网振动监测传感器（4）与宽带光源（19）、解调器之间还依次接有隔离器和3dB耦合器（20）。 

4.根据权利要求1所述的监测报警系统，其特征在于：所述监测报警系统扩展有与监控控制设备相连的扩展设备；扩展设备包括工务段管理计算机（13）、路局管理计算机（14）和报警/行车连锁输出设备（15）。 

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