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近年來(lái)，高速鐵路在我國得到了蓬勃發(fā)展。高速鐵路的特點(diǎn)是行車(chē)密度大，因此如果發(fā)生事故其造成的后果也會(huì )非常嚴重。保障運行列車(chē)的安全成為日益凸顯的重要研究?jì)热荨?br />
1 光纖光柵技術(shù)與組態(tài)軟件的分析 光纖光柵是利用紫外暴光技術(shù)在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長(cháng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(cháng)對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(cháng)漂移，通過(guò)對波長(cháng)漂移量的度量就可以實(shí)現對溫度、應力和應變的感測。 組態(tài)軟件為“組態(tài)式監控軟件”�！敖M態(tài)”(Configure)的含義是“配置”、“設定”、“設置”，指用戶(hù)通過(guò)類(lèi)似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫(xiě)計算機程序，即所謂的“組態(tài)”�！氨O控”（Supervisory Control）指通過(guò)計算機信號對自動(dòng)化設備或過(guò)程進(jìn)行監視、控制和管理。 1.1 理論基礎 光纖光柵的周期在幾百納米數量級。當某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率分布的周期性結構導致某一特定波長(cháng)光的反射，反射光的波長(cháng)（即諧振波長(cháng)）由Bragg公式確定： 光纖光柵應力傳感器通常是將光纖光柵附著(zhù)在某一彈性體上，同時(shí)進(jìn)行保護封裝。當彈性體受到壓力時(shí)，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應變，導致光纖光柵的諧振波長(cháng)漂移，漂移量由式(2)給出： 從式(3)可以看出，如果已知光纖光柵諧振波長(cháng)的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計算出光纖光柵的應變。 1.2 物理邏輯模型 光纖光柵感應輸出的是波長(cháng)改變量，必須采用專(zhuān)用的波長(cháng)解調設備進(jìn)行波長(cháng)識別，然后送入計算機進(jìn)行分析處理和報警。 圖1給出了光纖光柵應力傳感器與波長(cháng)解調儀組成的應力測量系統。 該應力測量系統主要由寬帶光源、光纖光柵應力傳感器、基于可調F-P濾波器的波長(cháng)解調儀和計算機及軟件分析處理系統四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個(gè)光纖光柵應力傳感器，這些光纖光柵通常要進(jìn)行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)過(guò)隔離器和3 dB耦合器傳輸到串接的傳感光柵上，經(jīng)過(guò)這些光纖光柵的波長(cháng)選擇后，一組不同波長(cháng)的窄帶光被反射，反射光再次經(jīng)過(guò)3 dB耦合器由波長(cháng)解調儀接收，經(jīng)過(guò)波長(cháng)解調儀對這些波長(cháng)進(jìn)行識別，得到一組應力傳感信息。當檢測傳感器外部應力發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)光柵解調器監測出波長(cháng)的變化即應力變化之后，輸入到計算機進(jìn)行數據分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會(huì )產(chǎn)生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。 波長(cháng)解調儀由可調F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動(dòng)信號發(fā)生器、信號混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長(cháng)解調儀的工作原理是：波長(cháng)編碼的壓力傳感信號輸入到可調諧F-P濾波器，當鋸齒波驅動(dòng)F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時(shí)，即可根據此時(shí)的F-P濾波器驅動(dòng)電壓與透射波長(cháng)關(guān)系測得光纖光柵反射峰位置。但由于F-P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會(huì )使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動(dòng)電壓，其輸出經(jīng)混頻和低通濾波器，測量抖動(dòng)頻率，在信號為零時(shí)，所測得數據即為光柵的反射峰值波長(cháng)。 1.3 組態(tài)軟件 組態(tài)軟件（Configuration）為模塊化任意組合，軟件包括系統組態(tài)軟件平臺和應用軟件平臺兩部分。操作系統可任意選用Window NT、Linux、Unix等。網(wǎng)絡(luò )傳輸統一采用TCP/IP協(xié)議。在系統軟件的基礎上建立應用軟件的支撐平臺，即分布式實(shí)時(shí)運行環(huán)境。包括分布式系統管理與監視、基于內存的實(shí)時(shí)數據庫、實(shí)時(shí)數據庫組態(tài)工具、基于OPENGL的三維圖形組態(tài)工具、多層次多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )通信結構等。在組態(tài)平臺之上二次開(kāi)發(fā)應用軟件平臺全面建立在開(kāi)放的國際工業(yè)標準基礎上，需要具有良好的開(kāi)放性�？紤]系統的開(kāi)發(fā)性，采用商業(yè)數據庫，并且應用系統的開(kāi)放性設計需具備多層次特征，為多方位、多層次持續拓展系統功能提供堅實(shí)的基礎。 組態(tài)軟件平臺的層次結構分為操作系統(可選Windows、Linux、Unix等)、實(shí)時(shí)運行環(huán)境（包含實(shí)時(shí)數據庫、實(shí)時(shí)數據庫組態(tài)工具、關(guān)系數據庫、多層次/多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )接口三部分）、圖形組態(tài)以及數據庫維護和SCADA應用功能四部分。 2 系統方案 2.1 系統邏輯功能 鐵路在線(xiàn)監測系統包括數據測量系統和數據管理與分析兩大子系統。其中，數據測量系統由傳感器子系統和數據采集與傳輸子系統有機地組成；數據管理與分析系統包括監測數據管理子系統和數據分析處理子系統。系統邏輯功能如圖2所示。 傳感器子系統由分布在現場(chǎng)的傳感器組成，主要包括光纖溫度、應變、壓力、位移、振動(dòng)傳感器，光纖傳感分析儀根據現場(chǎng)監測點(diǎn)的多少可以配置不同通道的儀器。傳感器主要分布在牽引變電站的電力開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭、變壓器、互感器等輸變電設備上，用來(lái)在線(xiàn)測溫及自動(dòng)報警，還有分布在橋梁、鐵路軌道、鐵路隧道等土木工程結構里，用來(lái)應力變形結構的安全監測。 數據采集子系統由光纖光柵分析儀完成，將光纖光柵分析儀接入現場(chǎng)的傳感器，儀器分析光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長(cháng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(cháng)對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(cháng)漂移，通過(guò)對波長(cháng)漂移量的度量就可以實(shí)現對溫度、應力和應變的感測。感測的數據通過(guò)數據傳輸系統傳輸給數據處理和控制系統。 數據傳輸系統是光纖光柵分析儀與監控系統的通信通道，在具備有線(xiàn)傳輸的場(chǎng)所可以考慮光纖(例如在牽引變或分區所)，通道穩定可靠；在不具備條件的場(chǎng)所(例如隧道、橋梁等)，可以采用無(wú)線(xiàn)方式，雖然通道的質(zhì)量會(huì )差一些，但對在線(xiàn)監測系統還是可以滿(mǎn)足需求。 數據處理與控制系統，為了保證系統的實(shí)時(shí)性、穩定性采用組態(tài)軟件，系統具備實(shí)時(shí)數據采集、數據越限處理、歷史數據采用、事故采樣、事故追憶等功能，在實(shí)時(shí)系統之上配有決策支持系統，幫助調度人員對現場(chǎng)情況迅速、準確地做出判斷。 2.2 系統結構 整體系統結構如圖3所示。 (1)在每個(gè)被檢測設備的內部安裝若干個(gè)光纖光柵傳感器，采集現場(chǎng)信息； (2)在相對集中的監測現場(chǎng)設置主控室或主控箱體，用來(lái)安放光纖光柵分析儀和通信設備，對溫度、應力和應變的感測信息數據進(jìn)行分析、預警報告及數據傳輸； (3)主站調度系統通過(guò)不同的傳輸通道（光纖、微波、載波、GPRS等）按照一定的傳輸協(xié)議采集分布在各個(gè)現場(chǎng)（鐵軌、鐵路橋梁、鐵路隧道、鐵路牽引變電站等）的光纖光柵分析儀的數據，由調度系統對實(shí)時(shí)現場(chǎng)數據進(jìn)行告警、采樣等處理，由決策支持系統協(xié)助調度人員提出預知方案。 2.3 牽引變測溫系統 以牽引變測溫系統為例對系統物理結構及現場(chǎng)安裝情況進(jìn)行詳細描述，如圖4所示。 系統各部分的功能描述： (1)光纖光柵溫度傳感器：布置在高壓開(kāi)關(guān)柜內，采集溫度信號； (2)傳輸系統：將溫度傳感器信號傳到控制室內的光纖光柵解調儀； (3)光纖光柵信號解調系統：對溫度信號進(jìn)行解調，提供現場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)信息； (4)系統軟件：給整個(gè)系統的運行提供軟件支持。 綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)在鐵路安全防護上具有很高的應用價(jià)值，實(shí)踐證明在線(xiàn)監測系統比以往傳統的鐵路安全巡檢更安全、快捷，會(huì )帶來(lái)更大的經(jīng)濟效益和更好的社會(huì )效應。尤其采用了多種通信技術(shù)以及運用了組態(tài)軟件與決策支持系統，為調度員的決策提供了安全保障。 |
