CN103177531A - 铁路沿线泥石流灾害监测 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁路轨道泥石流灾害报警系统，包括：泥石流信息采集系统；泥石流信息分析系统；报警系统，在所述泥石流信息分析系统确定发生泥石流和/或泥石流灾害等级的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害监测领域，具体地涉及铁路轨道沿线的地质灾害监测并报警的领域。更具体地，本发明涉及铁路沿线泥石流灾害的监测方面。
背景技术
目前，铁路系统正处在迅速建设和发展的时期，随着高速铁路网规模迅速扩大，技术装备水平也快速提升，速度提升及运力加大。同时，也必须意识到，铁路运输安全也面临更多的挑战和考验。铁路周边环境更加复杂，自然气候环境变化频繁，灾害天气增加，对铁路运输安全尤其是高铁运行安全带来影响。
出于全面防护的考虑，研发出各种新技术，例如车载化探测装置、高速摄像技术、 GPS红外线探测技术、微波无线探测等，广泛应用于定位和监测，为铁路安全允许提供了有效的防护和监测手段。但是，各种单独的技术都有其局限性，分别会受环境，人文，设备等因素的限制，没有一种方法能完全解决铁路特别是高铁沿线的安全防护问题，而是需要靠各种手段的互补。
我国是泥石流多发国家，特别是，铁路沿线由于施工或者认为破坏等因素，易发生泥石流等灾害。这对铁路的安全构成严重的威胁。目前，铁路沿线的泥石流灾情报警和防护还多采取人工方式进行。尽管现有技术中已经有相关设备用于泥石流的报警工作，但是现有的非人工检测方式存在一定的缺陷。比如，设备造价昂贵、监测功能器件不够耐用、金属材质的器件易于腐蚀损坏和存在失窃隐患等。同时，考虑到铁路沿线的地质灾害主要发生在边远山区，一般是多雾多雨少人地区，从而设备维护困难等。
另一方面，近来光纤器件的快速发展和广泛运用，特别是先进的光纤光栅传感器技术，为远程监测提供了可行性和便利性。光纤光栅传感器具有体积小、精度高、寿命长、高可靠性，与传输光纤兼容等优点，且易埋入到待测物体内部。其中，光纤Bragg光栅是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛的应用。
目前，国际上还没有用光纤光栅传感网络分析系统来监控铁路沿线的案例。鉴于现实中铁路沿线泥石流灾害的监测需求，以及光纤传感器器件技术的发展，本发明旨创造出一种更经济、高效的铁路沿线泥石流监测系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种克服现有技术不足并且符合经济高效需求的监测系统。
根据本发明一个方面，提供一种泥石流信息采集系统，设置在铁路轨道附近，用于采集铁路轨道附近与泥石流有关的信息，包括：光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列，和光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；其中，所述传感器个体或阵列设置在距离铁路轨道一定距离的防护阻墙的泥石流冲击面内，所述传感器个体或者阵列能够在泥石流发生时感测到泥石流对阻墙的冲击力，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。
其中，所述光纤光栅传感器为应力传感器，其能够感测阻墙冲击面内的应力变化。其中，所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光，和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪，其中，激光在光纤光栅传感器内反射时，若所述光纤光栅受到外部应力的作用，反射的激光的波长会发生变化，且所述变化与外部应力之间具有预定的相关性。
其中，所述光纤光栅解调仪由外部电源来供电和/或由自带电源来供电。
所述光纤光栅传感器阵列串联连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上，当入射激光经过光纤光栅传感器时，其向回反射的特定波段光由探测器检测到；当光纤光栅传感器在某一点受力而产生应变， 甚至光缆受力断开，光纤光栅传感器反射回的波长会发生变化或波长信号消失，通过比较光源脉冲与后向反射射光的波长可以得到光纤在实际工况下某一位置处的信息。
其中，所述光纤光栅解调仪对从传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。
根据本发明另一方面，提供一种泥石流信息分析系统，包括：信号接收装置，用于接收来自泥石流信息采集系统的信号；处理器，通过分析来确定：
1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；
2）所涉激光的波长的变化以及对应的所代表的应力水平；
3）是否发生泥石流以及泥石流程度。
其中所述泥石流信息分析系统包括存储装置，其中预先存储：光纤光栅传感器与波长之间的对应关系；波长变化和光纤光栅传感器所测的应力之间关系；应力与泥石流发生之间对应关系。
其中处理器，还包括用于：
确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及
根据预定的逻辑规则，判断是何处位置发生了严重泥石流灾害和/或哪条光缆损毁。
根据本发明的另一个方面，提供一种铁路轨道泥石流灾害报警系统，包括：
根据权利要求1-6中任一所述的泥石流信息采集系统；
根据权利要求7-9中任一所述的泥石流信息分析系统；
报警系统，在所述泥石流信息分析系统确定发生泥石流和/或泥石流灾害等级的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
其中，所述泥石流信息采集系统与所述泥石流信息分析系统通过有线或者无线地方式远距离连接。另外，可以包括一个或多个所述泥石流信息采集系统，以及所述一个或多个所述泥石流信息采集系统向一个或多个所述泥石流信息分析系统提供收集的信息。所述泥石流信息分析系统综合多个所述泥石流信息采集系统所收集的信息，确定铁路轨道附近的多个监测位置的泥石流灾害情况。
本发明的优点在于，光栅光纤应力传感器的结构简单、适应性强、稳定性、重复性好；与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；具有非传导性，对被测介质影响小，抗腐蚀、抗电磁干扰，适合恶劣环境；轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式测量；测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗；实现对物体的高精度、无干扰的实时监测。可实现数字化传感，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。
光纤光栅传感器在保证光路畅通的前提下，不受外界电磁环境、温度环境等方面的影响，并且自身又具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(工作温度上限可达400℃-600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件等优点，仅在分辨率一项技术指标上，就是传统电子类传感器的1000倍。
附图说明
图1a为阻墙受到泥石流冲击的示意图；
图1b为传感器布置在作为泥石流阻墙的水泥块中的效果的示意图；
图2为根据本发明的泥石流灾害报警系统的示意图，其中包括了泥石流信息采集系统、泥石流信息分析系统和报警系统；
图3为根据本发明的泥石流信息采集系统的示意图；
图4为根据本发明的泥石流信息分析系统的逻辑过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细描述。
为了是铁路轨道更加安全，在易发泥石流区域，通常会在铁路桥梁的桥墩附近加设防护墙或者阻墙，以避免泥石流或者洪水对桥墩直接造成冲刷或冲击损害。可以想见地，在其他可能的情况下，如需要也可以设置 泥石流防护墙或者阻墙，以使得铁路处于更好的安全保护。实际上，泥石流多发生在山谷区域，铁路轨道一般置于铁路桥之上，故在此仅以铁路桥的场景为例，但不限制其他可能的情况。
根据本发明的实施例，在铁路桥桥墩的地势上游处设置的阻墙，可以根据流体力学的原理具有任何适当的形状，且其一般由水泥浇筑而成。在此为简单起见，将所述的阻墙仅表示为立体的水泥块，优选地是按预定标准制造的水泥块，其迎水面的背后一般可另设置纵深上垂直于阻墙的加固墙，如图1a所示。迎水面直接受到泥石流的冲击。可知的是，在泥石流的冲击或积压下，阻墙会产生一定的应力形变。根据本发明，通过在水泥阻墙内或者表面上设置有一定的传感器，如图1b所示，可以探测水泥阻墙的应力变化。优选地是，使用光纤光栅应力传感器。所述光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、功耗低、适应性强等等优点。实际上，也可以采用其他的适当种类的应力传感器，但此处仅以光纤光栅传感器为例进行描述。不同的应力水平反映了泥石流灾害发生的程度。由此，用于探测阻墙应力变化的传感器可以用来探测泥石流灾害的发生以及危害的程度。
为了能够准确的探测阻墙的应力变化，根据一定的标准，将光纤光栅传感器以预定的深度埋入阻墙水泥块中，假定传感器距离水泥块的背面的深度为h。可替换地，光纤光栅传感器也可以设置在阻墙的背表面。假定一个水泥块中仅设置一个传感器，该传感器以能够充分探测反映阻墙水泥块的应力变化为宜。
根据本发明，光纤光栅应力传感器的工作原理是：
每个光纤光栅传感器从激光源（比如解调仪）接收激光，并反射回特定波长的激光。对于光纤光栅应力传感器，在应力的影响下，由其反射回的激光波长发生偏移。对于光纤光栅应力传感器，其反射的特征波长λ在1510-1590nm之间。波长偏移的量△λ与应力F之间存在既定的关系，该关系式可以表示为：
△λi=k*Fi （1）
其中K为预定的系数，为一个经验值或试验测定值。
为了利用上述的关系式来通过光纤光栅应力传感器来监测泥石流的情况，根据本发明的原理，构建一种泥石流信息采集系统。
信息采集系统
如图2和图3所示，泥石流信息采集系统包括：光纤光栅应力传感器分布式阵列，和光纤光栅解调仪。
其中，所示传感器分布式阵列包括多个光纤光栅传感器，特例是仅仅包括一个该传感器。所述的光纤光栅传感器阵列可以是串联连接，或者并联连接，也可以并联和串联相结合的方式。例如，每个被检测对象上可以设置一个传感器，也可以设置几个传感器，并且多个被测对象上的传感器经过一定的方式连接。
具体地，传感器的拓扑结构可如图2、3所示，所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。
由所述光纤光栅解调仪向光纤光栅应力传感器通过光纤光缆发送激光信号。一般地，解调仪发送预定的一束激光，包括多个预定波长的激光。按照预定设置，正常状态下每个的光纤光栅传感器反射特定波长的激光，而在外界应力的作用下光纤光栅传感器反射的激光的波长发生了偏移或者是消失。所述解调仪通过比较反射回到解调仪的激光的波长变化来观测各个传感器的外部环境对其所产生的影响。
其中，所述光纤光栅解调仪包括：激光发射装置，用于生成激光束，和激光输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤光缆中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，以传递激光。另外，所述光纤光栅解调仪包括激光解调装置，用于解调被反射的激光信号。另外，所述光纤光栅解调仪包括还包括另外的数据输出端口，用于向数据平台，比如服务器传输采集的数据信息。
其中，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅传感器阵列相对匹配地设置在某一局部待测环境中，所述解调仪设置在较为安全稳定的位置。以及，所述光纤光栅解调仪可以由外部电源来供电，或者是在外部电源掉电的情况下可由其自带的电源来供电。
通过本发明的泥石流信息采集系统，可以收集得到关于某位置或者某局部区域泥石流发生的信息。其中，如果得到某传感器反射的激光的波长发生便宜且持续一定的时间段，这意味着该传感器的位置发生了一定的泥石流灾害；以及如果应该由该传感器反射的激光消失，则说明很可能是泥石流冲毁了该位置的阻墙。这就需要利用信息分析系统来分析上述信息采集系统所收集的信号，从而得出一定的结论。
泥石流信息分析系统
根据本发明的原理，需要设置信息分析系统来分析从上述信息采集系统收集得到的信息。优选地是，一个信息分析系统可以分析来自众多个信息采集系统的信息。其中，用于泥石流信息的分析系统可以通过有线方式比如光缆与信息采集系统连接。可替换地是，也可以通过无线方式发送和传递信息，这可以借助于卫星网络来实现。
其中，所述信息分析系统可以具体地实现为计算机服务器，如图2所示，其包括或者连接相应的数据库。根据本发明，所述信息分析系统对信息采集系统，包括处理器，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对解调仪发送的与传感器波长变化有关的信息进行分析和判断，如图4所示，包括以下步骤：
步骤101：所涉波长确定是属于哪个光纤光栅传感器的信息。
鉴于光纤光栅传感器波长偏移的量与每个所述传感器的特征波长相比较而言为很小的值，一般仅为一个或少数几个纳米的量，且变化后的波长一般与相邻波段的传感器特征波长也能够很好的区分。这样，确定了波长信息后就可以确定是对应哪个光纤光栅传感器的信息。
其中，每个光栅光纤传感器对应的特征波长λ及其可变范围预先存储在服务器中，或者根据预先确定的量来计算得出。
表1
| 反射波长 | 原始波长 | 对应传感器 | 对应偏移 |
| λ1' | λ1 | S1 | △λ1 |
| λ2' | λ2 | S2 | △λ2 |
| λ3' | λ3 | S3 | △λ3 |
| λ4' | λ4 | S4 | △λ4 |
| … | … | … | … |
步骤102：确定所涉传感器的波长偏移及所表示的应力水平。
根据前文所述，泥石流阻墙上的压力应变与传感器的波长偏移相对应，反过来也就可以通过监测波长偏移的量来确定泥石流对阻墙如水泥块的压力。参见如下的示例表格1
表2
| 对应偏移 | 应力水平 |
| △λ1 | F1 |
| △λ2 | F2 |
| △λ3 | F3 |
| △λ4 | F4 |
| … | … |
通过如上所述的查找表1或者上述的公式（1），可以计算得出每个反射波长所代表的对应传感器所在位置处的应力水平。
步骤103：确定泥石流的发生情况以及严重程度。其中，应力水平与泥石流情况之间的对应情况根据经验或者实验测定来估计，其关系反映在表3之中。这种对应关系不是固定的，而是人为设定的结果，所以也可以根据具体情况适当变动。
表3
| 应力水平 | 泥石流情况 |
| F1 | 情况1 |
| F2 | 情况2 |
| F3 | 情况3 |
| F4 | 情况4 |
| … | … |
其中，表1、2和3可以是一个整体的查找表的局部，或者三个分开的查找表。
其中，需要判断应该出现的波长信号却消失的情况：
如果传输给服务器的传感器信号中不包括或者中断对应某个光纤光栅传感器的信号，则意味着发生了某种严重情况，比如安装传感器的阻墙被冲毁。而如果几个有某种关联的传感器的波长信号消失，则意味着有关区域发生严重泥石流，冲毁有关的传感器。如果是由一条分光缆连接的传感器的信号消失，则很可能是该条光缆被损毁。根据高度可能性的判断标准，服务器将其归纳为“突发严重灾害情形”、“光缆损毁”等。判断的逻辑规则，可以由操作人员来具体设定，或进行修改。
报警系统
信息分析系统，也就是图2中所示的服务器部分，在经过分析得到泥石流灾害发生或者危害程度的信息后，将此信息以某种媒介的形式发送给有关的人员，比如区域负责铁路安全的人员、维修人员，和上级决策者。
其中，由负责安全监控的人员，根据监测的情况，可以通过有线或者无线的方式，比如电话、短信、广播、警示灯，向有关人员进行示警或通告。
作为进一步的例子，本发明适合用来通过自动报警功能来进行自动监控和报警，因为一个服务器可以用来监控众多的传感器和大面积的区域，并且也可以实现报警的即时性。
这样，包括上述各个组成部分的铁路轨道泥石流灾害报警系统相对于现有的泥石流监测系统具有突出的优点，即准确、安全、即时和低成本等方面。该系统也可以与其他和铁路轨道有关的监测系统相兼容或并行，以实现综合性的功能。
本发明的功能特征不限于前面给出的那些例子，这样可以设想本发明精神内的任意种类的功能。
尽管已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但并非为了将本发明限制为这里所阐述的具体例子。相反，本发明的范围仅受限于所述权利要求。
Claims (13)
1. 一种泥石流信息采集系统，设置在铁路轨道附近，用于收集铁路轨道附近与泥石流有关的信息，包括：
光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列，和
光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；
其中，所述传感器个体或阵列设置在距离铁路轨道一定距离的防护阻墙的泥石流冲击面内，所述传感器个体或者阵列能够感测到在泥石流发生时泥石流对阻墙的冲击力，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。
2. 根据权利要求1所述的泥石流信息采集系统，其中所述光纤光栅传感器为应力传感器，其能够感测阻墙冲击面内的应力变化。
3. 根据权利要求1所述的泥石流信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光，和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪。
4. 根据权利要求1所述的泥石流信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪由外部电源来供电和/或由自带电源来供电。
5. 根据权利要求1所述的泥石流信息采集系统，所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上，
其中，当入射激光经过光纤光栅传感器时，其向回反射的特定波段光由探测器检测到；当光纤光栅传感器在某一点受力而产生应变，或者光缆受力断开，光纤光栅传感器反射回的波长会发生变化或波长信号消失。
6. 根据权利要求1所述的泥石流信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪对从传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。
7. 一种泥石流信息分析系统，包括：
信号接收装置，用于接收来自泥石流信息采集系统的信号，
处理器，通过分析来确定：
1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；
2）所涉激光的波长的变化以及对应的所代表的应力水平；
3）是否发生泥石流以及泥石流程度。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述系统包括存储装置，其中预先存储：
光纤光栅传感器与波长之间的对应关系；
波长变化和光纤光栅传感器所测的应力之间关系；
应力与泥石流发生之间对应关系。
9. 根据权利要求7所述的系统，其中处理器，还包括用于：
确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及
根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了严重泥石流灾害和/或哪条光缆损毁。
10. 一种铁路轨道泥石流灾害报警系统，包括：
根据权利要求1-6中任一所述的泥石流信息采集系统；
根据权利要求7-9中任一所述的泥石流信息分析系统；
报警系统，在所述泥石流信息分析系统确定发生泥石流和/或泥石流灾害等级的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
11. 根据权利要求10所述的系统，特征在于，所述泥石流信息采集系统与所述泥石流信息分析系统通过有线或者无线地方式远距离连接。
12. 根据权利要求10或11所述的系统，特征在于，包括一个或多个所述泥石流信息采集系统，以及
所述一个或多个所述泥石流信息采集系统向一个或多个所述泥石流信息分析系统提供收集的信息。
13. 根据权利要求12所述的系统，特征在于，所述泥石流信息分析系统综合多个所述泥石流信息采集系统所收集的信息，确定铁路轨道附近的多个监测位置的泥石流灾害情况。
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