CN103900486A - 防护网监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防护网监测系统，该防护网监测系统包括：危险源信号捕捉系统；信号处理系统；报警系统，在所述信号处理系统确定减压环变形量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。其中光纤光栅传感器安装在防护网的减压环上，所述光纤光栅传感器或者由所述光纤光栅传感器构成的分布式阵列感测减压环的变形量，并通过信号传输光纤将感测信号传送给所述光纤光栅解调仪。

Description

防护网监测系统

技术领域

本发明涉及自动监测的技术领域，具体地，涉及铁路防灾安全监测的技术领域。

背景技术

我国的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。然而，我国幅员辽阔，气候环境多变、地质构造复杂、新构造运动极为强烈，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频繁发生，对铁路、公路等交通安全、人民生命及国家财产造成了严重危害和巨大损失。地质灾害严重威胁着铁路、公路等交通运输安全和旅客生命安全。特别是高速铁路，一旦发生断道，成千上万的旅客滞留外地，不能按时到达目的地，正常的生产、生活秩序也被打破，给社会安定带来极大压力，同时也给交通运营部门及旅客带来难以估计的间接经济损失。为此，积极采取措施，对各种地质灾害尽可能进行监测预警有着重大深远的意义和影响。

现有的高陡边坡运营安全防灾监控以及报警系统技术，主要涉及高陡边坡地质灾害防灾安全监控与报警系统、危岩落石等异物侵入自动监测与预警系统技术、防灾报警系统数据采集传输技术研究及边坡防灾安全监控系统技术实施细则与维护使用管理办法等。根据异物源的不同，分别从高陡边坡失稳及危岩落石侵入两个方面，同时从主动监测和被动监测的角度，对铁路道路进行监控技术研究。常规的防护技术通过安装主动防护网系统及被动防护网实现。

在高陡边坡失稳及异物侵线监控技术方面，国内外已开展的研究与应用普遍存在以下问题：首先，部分监测设备费用昂贵，无法大量应用；其次，因测试元件安装方法不当引起的破损与数据不准确现象经常发生；再次，预报模型与报警触发条件的确定比较困难；最后，耐久性问题比较突出，特别是测试元件受恶劣气候影响容易失效。

发明内容

目前，主动监测系统和被动监测系统研究中普遍存在的问题主要有：

（1）缺乏对于边坡失稳成因机制的分析，尚未将滑坡机制与预测预报研究结合起来；

（2）现行的滑坡预报理论模型的适用性较差，对于边坡变形的力学演变和动态趋势的预测预报研究力度不够；

（3）研究人员偏重于使用单一的指标评价边坡的稳定性，缺乏滑坡灾害的综合预报判据；

（4）存在边坡失稳的判据不够明确的问题；

（5）存在监测位置不当、监测方案手段存在缺陷等，造成系统低漏报和误报现象等严重的问题。

针对上述问题，本发明提出了一种克服现有技术的不足并且符合经济高效需求的用于铁路防灾的安全监测技术。

根据本发明的一个方面，提供了一种危险源信号捕捉系统，该危险源信号捕捉系统包括：光纤光栅传感器或者由所述光纤光栅传感器构成的分布式阵列，所述光纤光栅传感器安装在防护网的减压环上；光纤光栅解调仪；以及信号传输光纤；所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或所述分布式阵列通过信号传输光纤相连接；其中，所述光纤光栅传感器或者所述分布式阵列感测减压环应变，并通过信号传输光纤将感测信号传送给所述光纤光栅解调仪。

所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的光信号进行解调处理，依据处理结果得出各个光纤光栅传感器所在的监测点上的危险源状况。

根据本发明的另一个方面，提供了一种信号处理系统，所述信号处理系统包括：信号接收装置和与所述信号接收装置相连接的处理器单元；所述信号接收装置与所述危险源信号捕捉系统相连接，用于接收来自以上所述的危险源捕捉系统的信号；处理器单元，设置成通过分析来确定：

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减压环变形量；

3）所述减压环变形量是否达到危险程度。

根据本发明的又一个方面，提供了一种防护网监测系统，包括：

如前所述的危险源信号捕捉系统；

与所述危险源信号捕捉系统相连接的如前所述的信号处理系统；

与所述信号处理系统相连接的报警系统，在所述信号处理系统确定减压环变形量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

本发明的优点在于，选择监测减压环位移变化，而不是监测拉锚绳的拉力变化情况，避免了因实际工况中每个防护网拉锚绳松弛程度不一致，导致每根拉锚绳上的张力不一致，无法正确判断实际真实情况；也避开了安装在防护网支撑绳上因振动信号不稳定，而导致无法正确分析判断异物侵线的振动信号，而导致的误报及漏报现象。采用光纤光栅传感器以及与之相配合的传输光纤，可以实现结构简单、适应性强、稳定性好的的监测系统，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下均可长期稳定工作。而且，即使在危险源稍有变动但尚未出现真实险情时，光纤光栅传感器也能够根据其实际受力情况连续、实时、动态地测量出减压环所承受的应力参数（而无需等到减压环超过预定的预警阈值时才触发报警开关以发送报警信号），从而能够为路线维护工作以及及时发现可能的险情提供准确和详实的数据。

附图说明

图1 为根据本发明实施例的柔性防护网监测系统示意图；

图2 为根据本发明实施例的柔性防护网监测方案示意图；

图3 为根据本发明实施例的光纤光栅位移传感器结构示意图。

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。

防护网系统是将以菱形钢丝绳网或环形网为主的柔性栅栏设置于斜坡上一定位置，用于拦截斜坡上的滚落石（或落物）以避免其破坏拟保护的对象，一般由菱形钢丝绳网或环行网（需拦截小块落石时附加一层钢丝格栅）、固定系统（锚杆、拉锚绳、基座和支撑绳）、减压环和钢柱四个主要部分构成。减压环穿挂于被动网支撑绳和上拉锚绳上，当支撑绳和上拉锚绳所受拉力达到或超过设定值时，通过发生变形位移吸收能量，避免其他构件发生破坏，对系统起到过载保护作用。根据本发明，通过监测柔性防护网减压环变形，能够达到监测有无落石冲击防护网的目的。如图2所示，其中2-1为光纤光栅位移传感器，2-2为减压环，2-3为柔性防护网，减压环在受到落石冲击时会产生位移变形。例如，在拉力增加的情况下，减压环将具有向中心缩进而减小整体半径的趋势，且其变形量与所受拉力具有正相关的关系。因此可以将光纤光栅位移传感器安装在所述减压环的内侧，如图2所示，用于监测减压环的位移变形，以及变形的趋势是否达到危险程度。由此，构建柔性防护网监测系统，可以实现远程实时地监测柔性防护网的受力状态进而提供预警服务。

柔性防护网监测系统应具有三个基本功能：对减压环变形量进行监测，能够自动识别规定范畴内的变形量，在确定后能够采取有效的手段进行分析或报警。

为达到上述目的，如图1所示，根据本发明的柔性防护网监测系统至少应由三部分构成：危险源信号捕捉系统、信号处理系统，以及报警系统。另外，由于设施对于设备可靠性要求较高，系统须具备自我诊断功能，当设备信号采集通路受损的时候，设备能给出相应的报警信号通知工作人员维护。

其中，所示危险源信号捕捉系统的主要工作是采集现场减压环变形信息并且转化成数据，以及通过网络等传输手段发送给信号处理系统；信号处理系统的主要工作是按照相应算法分析从危险源信号捕捉系统传送来的数据（例如以减压环变形量和拉力之间的关系为基础，计算当前处理的信号所涉及的减压环所受到的拉力），以及结合时间变量来判断减压环位移变化变化趋势，并发出相应等级的报警信号到报警系统；报警系统主要任务是接收信号处理系统发送的报警信号后能够发出光、声、电等报警手段来告知各级工作人员相应的报警信息。下面分别描述各个系统。

危险源信号捕捉系统

根据本发明，所述的光纤光栅位移传感器一般设置在柔性防护网的减压环上。在本发明中，优选地采用压力式光纤光栅位移传感器，如图3所示，为光纤光栅位移传感器结构示意图。但是，也不排除使用其他类型的、能够感测减压环型变量的传感器。光纤光栅位移传感器包括外壳3-1、弹簧3-2、移动套管3-3、推杆3-4、以及光纤光栅3-5。其中，移动套管3-3以可滑动的方式设置在外壳3-1中，且光纤光栅3-5的一端固定于移动套管3-3上。当推杆3-4推动与移动套管3-3相连接的弹簧3-2时，移动套管3-3将在外壳3-1中滑动，从而引起光纤光栅3-5的应变，导致光纤光栅3-5的反射光中心波长发生变化。采用如此设置的光纤光栅位移传感器，利用弹簧的伸缩特性缓冲了推杆的推力，使得推杆的推力不会刚性地传递到光纤光栅的两端。因此，上述布置方式使用弹簧等比例地传递了推杆的位移量（即，与减压环所受拉力相应的信息），避免了推杆直接作用于光纤光栅而可能导致的传感器损毁。使得光纤光栅传感器能够实时、真实地反映出减压环的受力状况，且不易受到强大外力的损坏，即使在减压环过度变形而损坏的情况下，其上所附的光纤光栅传感器依然可能再次被利用到新的减压环上。然而，其他类型的光纤光栅传感器也可以使用在本发明中，用于感测减压环型变量。

光纤光栅传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一，可测量应变、温度、压力、位移、流量、液位等参数。其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长（反射波长）的变化，通过测量特征波长的移动量来测量上述参数。根据本发明，所述压力式光纤光栅位移传感器的工作原理是：

每个光纤光栅传感器从激光源（比如光纤光栅解调仪）接收激光，并反射回特定波长的激光。对于光纤光栅位移传感器，在位移的影响下，由其反射回的激光波长会发生偏移。对于每个光纤光栅传感器，其反射的特征波长λ在1510-1590nm之间。波长偏移的量△λ与位移S之间存在既定的关系，该关系式可以表示为：

△λ_i=k*S_i    （1）

其中k为预定的系数，为一个经验值或试验测定值。

这样，通过光纤光栅反射光的中心波长相对变化量来检测推杆相对于外壳的相对位移量。光纤光栅位移传感器具有准分布式组网(几十到几百点)、测量分辨率高(0.01%FS)、测量范围宽(300μm～20mm)、工作温度范围宽、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点，可以广泛应用于对各种结构两点间的相对位移变化监测。

所述危险源信号捕捉系统主要包括：传感器分布式阵列，信号传输光纤和光纤光栅解调仪。

其中，所述传感器分布式阵列可以包括多个光纤光栅位移传感器，然而，所述传感器分布式阵列也可以仅仅包括一个光纤光栅位移传感器。所述的传感器分布式阵列可以是串联连接，或者并联连接，也可以是并联和串联相结合的方式，从而构成一定的拓扑网络。例如，每个被检测对象上可以设置一个传感器，多个被测对象上的传感器经过一定的方式连接。具体地，所述光纤光栅位移传感器阵列可以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，由所述光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器通过光纤光缆发送激光信号。一般地，光纤光栅解调仪发送预定的一束激光，该束激光可以包括多个预定波长的激光，也可以是具有一定光谱宽度的激光。按照预定设置，正常状态下每个的光纤光栅位移传感器反射特定波长的激光；而在被测减压环发生位移的情况下，光纤光栅位移传感器的反射波长发生变化（在极端情况下也可能导致光纤光栅传感器失效），因此将导致被反射的激光波长发生偏移或者消失。所述光纤光栅解调仪通过比较反射回到该光纤光栅解调仪的激光的波长变化来监测各个光纤光栅传感器的外部环境对其所产生的影响。

通过本发明的危险源信号捕捉系统，可以收集得到关于某位置或者某局部区域例如某乘务段发生的信息。其中，如果得到某光纤光栅传感器反射的激光的波长发生偏移且持续一定的时间段，这意味着该传感器的位置（比如防护网的减压环）出现了一定的变形量；如果波长偏移速度较快，说明危险异物（例如落石）冲击能量较大；如果反射激光的波长达到某个预定值，说明减压环变形已经达到或者超过了预先设定值；而如果应该由该传感器反射的激光消失，则说明很可能是损毁了该位置的传感器。此时可以利用信号处理系统来分析上述危险源信号捕捉系统所收集的信号，从而得出一定的结论。

信号处理系统

根据本发明的原理，需要设置信号处理系统来分析从上述危险源信号捕捉系统收集得到的信号。优选地是，一个信号处理系统可以分析来自众多个危险源信号捕捉系统的信号。其中，信号处理系统可以通过有线方式比如光缆与危险源信号捕捉系统连接。可替换地，也可以通过无线方式发送和传递信息，例如借助于卫星网络来实现信息的传递。

其中，所述信号处理系统可以具体地实现为计算机服务器，其包括或者连接相应的数据库。根据本发明，所述信号处理系统，包括处理器，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对光纤光栅解调仪发送的与传感器波长变化有关的信号进行分析和判断。服务器中预先存储传感器或传感器阵列中心波长数据，中心波长变化量和减压环变形量之间的对应关系，以及减压环变形量所对应的该防护网的破坏情况等级。

当某一减压环在受到冲击载荷作用下，发生变形，信号处理系统接受到中心波长变化值。首先，判断所述波长是属于哪个光纤光栅位移传感器的信号，鉴于光纤光栅位移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，确定了特征波长信号后就可以确定是对应哪个光纤光栅传感器的信号。并且，在确定传感器后就又可以确定对应于哪个减压环。其次，确定传感器的波长偏移所对应的减压环变形量。根据前文所述，传感器所感测到的位移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传感器位置处是否发生相当的待测位移。再次，判断减压环变形量对应该柔性防护网发生的情况以及严重程度。其中，位移水平与柔性防护网冲击载荷之间的对应情况根据经验或者实验测定来估计。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。

其中，还需要判断应该出现波长信号却并未出现的情况：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，比如安装传感器的减压环结构被毁。这需要马上进行安全处理。如果是由一条分光缆连接的所有传感器的信号消失，则很可能是该条光缆被损毁。根据危险度级别的判断标准，服务器可将其归纳为“突发严重灾害情形”或“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

信号处理系统，也就是所述服务器部分，在经过分析得到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。

其中，在本发明中，使用了开放性好、可以扩展的通讯协议，便于三个系统之间的数据传输，并且有利于建立统一的防灾体系。

这样，包括上述各个组成部分的柔性防护网监测系统相对于现有的方式具有准确、安全、即时和低成本等突出的优点。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。本发明普遍适用于危岩边坡柔性防护网系统的监测情况。

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 (15)

1. 一种危险源信号捕捉系统，该危险源信号捕捉系统包括：

光纤光栅传感器或者由所述光纤光栅传感器构成的分布式阵列，所述光纤光栅传感器安装在防护网的减压环上；

光纤光栅解调仪；以及

信号传输光纤；

所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器或所述分布式阵列通过信号传输光纤相连接；且其中，所述光纤光栅传感器或者所述分布式阵列感测减压环的变形量，并通过信号传输光纤将感测信号传送给所述光纤光栅解调仪。

2. 根据权利要求1所述的危险源信号捕捉系统，其中

所述光纤光栅传感器为光纤光栅位移传感器，用于感测其两端在应力作用下的变形量；

所述光纤光栅位移传感器包括外壳、弹簧、移动套管、推杆以及光纤光栅；所述移动套管以可滑动的方式设置在所述外壳中，且所述光纤光栅的一端固定于所述移动套管上，所述弹簧与所述移动套管相连接，当所述推杆推动所述弹簧时，所述移动套管将在所述外壳中滑动，从而引起所述光纤光栅的应变，导致所述光纤光栅的反射光中心波长发生变化。

3. 根据权利要求1所述的危险源信号捕捉系统，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，用于将激光输出到信号传输光纤中；所述信号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，激光在所述光纤光栅传感器内反射时，若受到外部的作用，反射激光的波长会发生变化，且所述变化与外部作用之间具有预定的相关性。

4. 根据权利要求2所述的危险源信号捕捉系统，其中所述光纤光栅传感器设置在所述减压环内侧，用于感测所述减压环的变形量。

5. 根据权利要求1所述的危险源信号捕捉系统，所述光纤光栅传感器或所述分布式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上。

6. 根据权利要求1所述的危险源信号捕捉系统，其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅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. 一种信号处理系统，包括：

信号接收装置和与所述信号接收装置相连接的处理器单元；

所述信号接收装置与所述危险源信号捕捉系统相连接，用于接收来自根据权利要求1-8之一所述的危险源信号捕捉系统的信号；

处理器单元，设置成通过分析来确定：

     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减压环变形量；

     3）所述减压环变形量是否达到危险程度。

8. 根据权利要求7所述的信号处理系统，所述信号处理系统还包括与所述处理器单元相连接的存储装置，其中在存储装置中预先存储：

光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；

波长变化和光纤光栅传感器所测的减压环变形量之间的关系；

减压环变形量和发生防护网损毁的危险之间的对应关系。

9. 根据权利要求7所述的信号处理系统，其中处理器单元还设置成用于：

确定对应于一个或者几个光纤光栅传感器的波长信号是否消失；以及

根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了防护网损毁和/或哪条光纤光缆损毁。

10. 根据权利要求7所述的信号处理系统，其中处理器单元还设置成用于确定：

相对于时间，减压环变形的速度是否大于预定的阈值。

11. 根据权利要求7所述的信号处理系统，其中处理器单元还设置成：

综合多个光纤光栅传感器的信息，确定局部区域是否存在防护网损毁的趋势。

12. 一种防护网监测系统，包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的危险源信号捕捉系统；

根据权利要求7-11中任一项所述的信号处理系统；

报警系统，在所述信号处理系统确定减压环变形量发生和/或达到危险程度的情况下，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。

13. 根据权利要求12所述的防护网监测系统，其特征在于，所述危险源信号捕捉系统与所述信号处理系统通过有线或者无线方式远距离连接。

14. 根据权利要求12或13所述的防护网监测系统，其特征在于，包括一个或多个所述危险源信号捕捉系统，以及

所述一个或多个危险源信号捕捉系统向一个或多个所述信号处理系统提供收集到的信息。

15. 根据权利要求12所述的防护网监测系统，其特征在于，所述信号处理系统综合危险源信号捕捉系统所收集的信息，确定道路沿线的多个监测位置的防护网情况。

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