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軌道交通安全監(jiān)測(cè)

軌道交通是我國重點(diǎn)發(fā)展的快速、大運(yùn)量的公共交通，軌道交通線路主要是指：鐵路、地鐵、高鐵等。今天，軌道交通已經(jīng)是我們的主要交通工具之一。軌道交通工程安全監(jiān)測(cè)應(yīng)具有長期性、連續(xù)性。近些年，分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)表現(xiàn)出了巨大的潛力。得益于抗電磁干擾、長距離無源測(cè)量和抗腐蝕的優(yōu)勢(shì)，光纖DAS已應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的多個(gè)方面，例如入侵監(jiān)測(cè)、列車位置和速度監(jiān)測(cè)和輪對(duì)異常檢測(cè)等。

軌道交通安全監(jiān)測(cè)對(duì)分布式光纖監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求：

• 更長的監(jiān)測(cè)范圍和傳感距離；
• 多物理量的同步感知（現(xiàn)有DAS設(shè)備僅測(cè)震、BOTDR僅測(cè)應(yīng)變和溫度）；
• 不僅限于原始物理量的獲取，更偏重信號(hào)分析與事件識(shí)別；
• 軌道及沿線周邊結(jié)構(gòu)（如邊坡、隧道等）協(xié)同監(jiān)測(cè)；
• 列車速度與定位；
• 列車輪軌狀態(tài)監(jiān)測(cè)（異常摩擦、磨損等）；
• 軌道內(nèi)外部第三方入侵的在線識(shí)別與預(yù)警。

DAS技術(shù)系統(tǒng)能夠提供對(duì)于待測(cè)軌道沿線的綜合感知能力。

• 從單一位置處放置的詢問器單元以激光脈沖的形式監(jiān)控整個(gè)軌道交通沿線。
• 能夠?qū)崿F(xiàn) 24/7 的全天候無人值守自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
• 光纖沿線上萬個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以高空間分辨率精準(zhǔn)列車沿線事件及定位。
• 無源傳感方法，光纖沿線無需任何附加電源。
• 能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)、應(yīng)變、聲學(xué)、溫度的同步監(jiān)測(cè)。
• 單一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種應(yīng)用。
• 在無需更換光纖的情況下即可實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)級(jí)非定量型詢問器單元

OLA2.1/OLA2.1+/OLA2.2型DAS詢問器單元。詢問器單元（IU）是方案交付設(shè)備的核心部件，不受型號(hào)變化的影響。單臺(tái)詢問器單元測(cè)量量程70 km以上。

旗艦級(jí)定量型詢問器單元

QuantX 型 DAS 詢問器單元是我們的第五代旗艦級(jí)詢問器單元（IU），能夠覆蓋所有的DAS應(yīng)用場(chǎng)景，在遠(yuǎn)距離定量的 DRS/QDAS 性能上具有無與倫比的性能。此型號(hào)專門針對(duì)需要性能質(zhì)量的定量相位以及振幅輸出的傳感應(yīng)用。

軌道沿線運(yùn)行異常情況的實(shí)時(shí)反饋

• 鋼軌老化變形；
• 輪軌接觸異常；
• 電力設(shè)施異常放電；
• 氣候原因?qū)е碌能壍雷冃危?/span>
• 軌道覆冰監(jiān)測(cè)；
• 車輪扁平度異常；
• 預(yù)裂縫運(yùn)動(dòng)情況監(jiān)測(cè)；
• 軌道板及支承層損傷。

極端環(huán)境條件下的良好適應(yīng)性

高海拔地區(qū)、極端高低溫環(huán)境對(duì)軌道交通沿線的監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)提出了耐候性和適應(yīng)性要求。

系統(tǒng)在保持高傳感性能的同時(shí)，還需保持自身結(jié)構(gòu)和維修維護(hù)的便捷。傳感光纖由普通單模光纖組成，外部可由抗腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高的鋼絲或鋼帶進(jìn)行鎧裝，或直接布設(shè)在套管中。

軌道交通應(yīng)用DAS技術(shù)方案

1 硬件架構(gòu)

傳感光纖電纜：?jiǎn)文９饫w電纜，應(yīng)根據(jù)OptaSense關(guān)于電纜選擇和安裝的建議進(jìn)行選取。

詢問單元：OptaSense®機(jī)架式安裝單元，利用分布式聲傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)相連的光纖。

處理單元：可靠的性能計(jì)算，應(yīng)使用OptaSense專有的算法檢測(cè)器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

操作人員工作站：為外部系統(tǒng)提供用戶界面顯示、音頻輸出及多種用戶自定義數(shù)據(jù)輸出選項(xiàng)和接口。

2 軟件架構(gòu)

地圖顯示：提供DAS安裝的平均資產(chǎn)的衛(wèi)星圖像，以及光纖傳感器的位置和其他關(guān)鍵環(huán)境特征。

瀑布圖顯示：可視化從光纖傳感器接收的聲音數(shù)據(jù)，允許用戶詳細(xì)調(diào)查事件。

數(shù)據(jù)記錄：自動(dòng)和手動(dòng)聲學(xué)數(shù)據(jù)記錄功能，可進(jìn)一步調(diào)查歷史事件。

監(jiān)測(cè)算法：一套 TPI 算法能夠自動(dòng)檢測(cè)到光纖。這些包括活動(dòng)、人工挖掘、人員、車輛和隱形探測(cè)器。根據(jù)安裝情況進(jìn)行定制。

OptaSense TPI算法在PU上運(yùn)行，并從IU接收連續(xù)的聲學(xué)數(shù)據(jù)流作為輸入。警報(bào)數(shù)據(jù)由檢測(cè)算法實(shí)時(shí)生成，并發(fā)送到CU上的OS6軟件，在GUI上可以查看。

軌道交通應(yīng)用DAS傳感光纖的布設(shè)

1 列車追蹤監(jiān)測(cè)性能

直埋式、套管式和預(yù)開槽式光纖電纜都適用于進(jìn)行列車追蹤。通過列車的高聲能信號(hào)能夠使得光纖電纜安裝的位置更加靈活，而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成重大損害。

2 第三方入侵監(jiān)測(cè)性能

第三方入侵檢測(cè)的光纖電纜布設(shè)形式是直埋式光纖電纜，距離鐵路中心2米至5米，無壓載，覆蓋0.3米至0.5米厚度的土壤。這使得在任何侵入活動(dòng)（如人員）到達(dá)鐵路之前，檢測(cè)到的機(jī)會(huì)最大。

3 電纜盜竊監(jiān)測(cè)性能

各種鐵路基礎(chǔ)設(shè)施沿線有許多不同的高價(jià)值銅纜安裝位置和方法。

4 安裝在混凝土或聚合物材質(zhì)預(yù)開槽中的光纖電纜

如果高價(jià)值公用電纜位于鄰近鐵路的槽內(nèi)，則光纖電纜應(yīng)與它們位于同一位置。打開槽并移動(dòng)光纖或附近電纜的活動(dòng)將導(dǎo)致系統(tǒng)因強(qiáng)聲信號(hào)而快速響應(yīng)。

5 架空安裝的光纖電纜

如果高價(jià)值公用電纜位于鄰近鐵路的槽內(nèi)，則光纖電纜應(yīng)與它們位于同一位置。打開槽并移動(dòng)光纖或附近電纜的活動(dòng)將導(dǎo)致系統(tǒng)因強(qiáng)聲信號(hào)而快速響應(yīng)。

6 直埋式光纖電纜

為了保護(hù)高價(jià)值的埋地電纜，如高價(jià)值信號(hào)線纜等，探測(cè)挖掘至埋地電纜組件的電纜部署如圖所示。理想情況下，電纜將直接埋在距離埋地電力電纜0.5m至2m距離范圍之間，并從0.3 m到與電力電纜深度相同的深度。

7 落石監(jiān)測(cè)性能

按照第三方入侵檢測(cè)的規(guī)定，將電纜安裝在鐵路潛在危險(xiǎn)一側(cè)，偏移距離2米至5米，并采用直接埋設(shè)方法布設(shè)。直接埋設(shè)電纜可確保落石檢測(cè)所需的良好聲學(xué)耦合效果。

高級(jí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

目前，車輪踏面擦傷及鋼軌斷裂監(jiān)測(cè)正在開發(fā)中，僅在環(huán)境控制條件下進(jìn)行了測(cè)試。

8 車輪踏面擦傷監(jiān)測(cè)

直埋光纖電纜是檢測(cè)車輪扁平度（車輪踏面擦傷）的配置，因?yàn)镺ptaSense®車輪扁平度（車輪踏面擦傷）檢測(cè)器需要良好的聲學(xué)耦合效果。理想情況下，光纖電纜將埋在距離鐵路2米至5米的地方，深度在0.3米至0.5米之間。

9 鋼軌斷裂監(jiān)測(cè)性能

直埋電纜是檢測(cè)鋼軌斷裂的布設(shè)形式，因?yàn)镺ptaSense®車輪扁平（車輪踏面擦傷）檢測(cè)器需要良好的聲學(xué)耦合效果。理想情況下，電纜將埋在距離鐵路2米至5米的范圍內(nèi)，深度在0.3米至0.5米之間。

DAS 技術(shù)具有多元化信息綜合感知能力，綜合覆蓋列車運(yùn)行情況、車-軌運(yùn)行狀況和軌道沿線探測(cè)的傳感 “神經(jīng)”。能夠進(jìn)行軌道沿線異常、故障和入侵事件的實(shí)時(shí)預(yù)警與感知，提高運(yùn)營方資源調(diào)度效率。一體化智慧感知平臺(tái)式的安全、交互系統(tǒng)，迅速、掌握運(yùn)行情況。

隨著分布式光纖傳感技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，各類 DAS、DVS 產(chǎn)品方案均在諸多領(lǐng)域有相應(yīng)的應(yīng)用。從應(yīng)用領(lǐng)域的本征要求來看，主要的需求是準(zhǔn)確定位擾動(dòng)源和降低整體設(shè)備的誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)率?？紤]到目前市場(chǎng)上各類型產(chǎn)品良莠不齊，在重點(diǎn)工程項(xiàng)目或科研級(jí)工程項(xiàng)目中，合理的DAS設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有以下特征：

1. 原始數(shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確測(cè)量、采集和傳輸；
2. 具有競(jìng)爭(zhēng)力的入侵事件分類和識(shí)別算法；
3. 較強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，能夠適用于多樣的應(yīng)用環(huán)境；
4. 先進(jìn)的集成數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為拓展應(yīng)用提供判斷依據(jù)；
5. 待測(cè)結(jié)構(gòu)的整體感知能力，產(chǎn)出具有創(chuàng)新性的監(jiān)測(cè)成果。
6. 前沿的技術(shù)方法便于項(xiàng)目執(zhí)行后的成果轉(zhuǎn)化。

客觀條件上，DAS技術(shù)在光學(xué)傳感方面、數(shù)據(jù)分析方面、信號(hào)模式識(shí)別和分類方面、圖像特征分析與判別方面、信號(hào)降噪方法方面都具有進(jìn)行創(chuàng)新性研究的巨大空間。

主觀條件上，目前DAS工程應(yīng)用主要由科研院所及高校牽頭實(shí)施，在完成工程監(jiān)測(cè)需求之余還涉及相應(yīng)的成果轉(zhuǎn)化需要。

目前，歐美大地正著力與用戶合作推進(jìn)DAS技術(shù)項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)探索。歡迎您與我們一起探討DAS的應(yīng)用方向。