光柵陣列的軌道交通隧道機電狀態(tài)監(jiān)測

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摘要：隨著我國軌道建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通隧道內(nèi)機電設(shè)備的監(jiān)控與管理維護(hù)尤為重要。目前通常采用人工巡檢的方式對軌道交通隧道內(nèi)部各類機電設(shè)備進(jìn)行檢測和維護(hù)，工作量大且時效性低。本文采用基于光柵陣列傳感技術(shù)的全光纖監(jiān)測系統(tǒng)對隧道內(nèi)機電設(shè)備的安全狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，能夠有效降低軌道交通隧道機電設(shè)備巡檢的工作量和風(fēng)險因素。利用光柵陣列傳感系統(tǒng)對隧道機電設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測，能夠?qū)崟r了解軌道交通隧道機電設(shè)備的安全狀態(tài)，為軌道交通隧道的安全運營提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：軌道交通隧道；光柵陣列；機電設(shè)備；安全監(jiān)測

軌道交通隧道的機電系統(tǒng)復(fù)雜龐大，設(shè)備布設(shè)較為分散，在日常巡檢過程中需要考慮到行車停車安全、登高等工作條件，巡檢人員日常工作量較大，并且所面臨的安全風(fēng)險相對較高。軌道交通隧道機電設(shè)備常年不間斷運行，更容易導(dǎo)致設(shè)備老化，性能下降，因此對隧道機電設(shè)備運行情況的實時監(jiān)測極為重要。引進(jìn)智能化的隧道機電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)，對整條隧道機電設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，及時了解隧道機電設(shè)備安全狀態(tài)，能夠節(jié)約巡檢人員的作業(yè)頻次，降低人工巡檢作業(yè)引入的風(fēng)險，保障軌道交通隧道機電設(shè)備的高效運維工作，進(jìn)而有效保障軌道交通隧道的安全運營。光纖光柵傳感通過光柵反射波長的移動量感應(yīng)外界被測物理量的變化，可對溫度、振動等多種不同物理量進(jìn)行監(jiān)測，具有現(xiàn)場器件無需供電、抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)性強、使用壽命長、靈敏度高、測量范圍廣、可移植性強及組網(wǎng)能力強等優(yōu)勢。采用光柵陣列技術(shù)，將光波分復(fù)用技術(shù)與光時域反射技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，則能夠極大地提高光纖光柵傳感系統(tǒng)的空間分辨率和復(fù)用容量，使光纖光柵傳感系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離分布式測量。將光柵陣列傳感技術(shù)與軌道交通隧道機電設(shè)備安全狀態(tài)的監(jiān)控需求相結(jié)合，設(shè)計一種全光纖監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道交通隧道機電設(shè)備的溫度，振動等多種物理參量進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測，將有效提升軌道交通隧道機電設(shè)備運營管理水平。

1系統(tǒng)架構(gòu)

利用光柵陣列傳感技術(shù)，設(shè)計一種全光纖的軌道交通隧道機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，利用光纖自身的兼容性，光纖探測光纜與光纖通信光纜集成為一體，實時的監(jiān)測信號經(jīng)過通信光纜傳回，系統(tǒng)對返回信號進(jìn)行解調(diào)和分析后，判斷是否發(fā)出相應(yīng)的安全警報，實現(xiàn)對軌道交通隧道機電設(shè)備溫度以及異常振動的連續(xù)實時監(jiān)測。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。軌道交通隧道機電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)可分為感知傳感層、數(shù)據(jù)監(jiān)測層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個層面，具體包括：（1）探測感知層。探測感知層位于監(jiān)測系統(tǒng)最底層，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測光纖線路上的外部擾動信息，并將其轉(zhuǎn)化為可分辨的光學(xué)參量。包括光柵陣列測溫光纜和光柵陣列測振光纜。（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測層。數(shù)據(jù)監(jiān)測層通過傳輸光纜將感知傳感層所獲得的溫度探測信號和振動探測信號傳給光電探測器；再由儀表將光電信號數(shù)據(jù)通過采集卡采集，傳送到監(jiān)控計算機，以實現(xiàn)在線監(jiān)測，提取并分析信號特征，通過模式識別，可提供各種形式的告警。（3）管理監(jiān)控層。將數(shù)據(jù)監(jiān)測層監(jiān)測到的數(shù)據(jù)整理后打包通過網(wǎng)絡(luò)傳給管理監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。軌道交通隧道機電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測平臺具備工程配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、報警查詢、報表輸出等功能，為軌道交通隧道監(jiān)測區(qū)域的安全運營管理提供決策依據(jù)。

2信號分析

信號分析系統(tǒng)包含溫度監(jiān)測模塊和振動監(jiān)測模塊。溫度監(jiān)測主機與光柵陣列測溫光纜連接，采集軌道交通隧道機電設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送到溫度監(jiān)測模塊。振動監(jiān)測主機與光柵陣列測振光纜連接，采集軌道交通隧道機電設(shè)備的振動數(shù)據(jù)，并發(fā)送到振動監(jiān)測模塊。

2.1溫度監(jiān)測

系統(tǒng)利用溫度傳感器將動力設(shè)備的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息，上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行處理和記錄，實現(xiàn)了機電設(shè)備溫度的實時監(jiān)視。系統(tǒng)自動記錄溫度數(shù)據(jù)，制作歷史曲線，并根據(jù)各個參數(shù)的報警值進(jìn)行及時預(yù)警和報警。溫度報警分為預(yù)警、差溫報警和定溫報警。預(yù)警是指當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)警設(shè)定溫度時提醒溫度過高或過低，提前采取措施以防止溫度進(jìn)一步的偏離正常值，以免造成不可挽回的損失。差溫報警是指溫度變化速率超過設(shè)定值時，輸出報警。定溫報警是指溫度達(dá)到定溫設(shè)定溫度時，輸出報警。相比預(yù)警，差溫報警和定溫報警的優(yōu)先級別更高，可能造成的后果更嚴(yán)重，更需要及時的處理。溫度報警算法由溫度采集模塊、溫度預(yù)警模塊、定溫報警模塊、基準(zhǔn)溫度更新模塊、溫變時長檢測模塊以及差溫報警模塊構(gòu)成。溫度采集模塊定時采集溫度傳感器的溫度，采集周期為1s。溫度預(yù)警模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度是否達(dá)到預(yù)警門限。當(dāng)傳感器溫度達(dá)到預(yù)警門限時，輸出溫度預(yù)警。定溫報警溫度模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度是否達(dá)到定溫門限。當(dāng)傳感器溫度達(dá)到定溫門限時，輸出定溫報警。基準(zhǔn)溫度更新模塊以最近15min的溫度監(jiān)測信號的最小值作為基準(zhǔn)溫度。溫變時長檢測模塊判斷溫度變化時間是否正常，濾除異常溫度突變。差溫報警模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度變化速率是否達(dá)到差溫門限。當(dāng)溫度變化速率達(dá)到差溫門限時，輸出差溫報警。系統(tǒng)自動記錄溫度數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，自動記錄溫度的頻率根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)警或者報警門限時，系統(tǒng)通過軟件界面顯示、語音等方式自動提醒用戶，并記錄預(yù)警和報警信息以便查詢。圖2為隧道內(nèi)部某機電設(shè)備溫度監(jiān)測點在一天內(nèi)各時刻的溫度監(jiān)測數(shù)值，圖3為隧道出入口處某機電設(shè)備溫度監(jiān)測點在一天內(nèi)各時刻的溫度監(jiān)測數(shù)值。將圖2和圖3對比可見：在隧道內(nèi)部受外界溫度影響較小，一天內(nèi)的測溫數(shù)值較為恒定，數(shù)值變化較小；而在隧道出入口處，隧道環(huán)境溫度與外界存在熱交換，在中午時段出現(xiàn)較為明顯的升溫。溫度采集模塊可以及時準(zhǔn)確的描述各監(jiān)測點溫度在各時刻的變化，具有較高的測溫靈敏度。基準(zhǔn)溫度更新模塊根據(jù)一段時間內(nèi)的測溫數(shù)據(jù)對各個監(jiān)測點的報警門限值進(jìn)行及時的更新調(diào)整，能夠有效保證系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率。

2.2振動監(jiān)測

系統(tǒng)采集和分析軌道交通隧道機電設(shè)備監(jiān)測區(qū)域的振動信號，通過對振動信號的時域、頻域等維度的分析提取關(guān)鍵特征，利用模式識別算法對異常振動進(jìn)行識別和預(yù)警，判定異常振動發(fā)生的位置和類型，以幫助維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)機電設(shè)備破壞和故障事件。從振動信號提取特征包括：（1）時域能量，表征探測系統(tǒng)在單位時間內(nèi)接收的振動能量。（2）能量變化率，反應(yīng)振動幅度變化的程度。（3）Lipschitz常數(shù)，其物理含義是指信號在奇異點處的光滑程度，也就是信號峰值陡峭程度的一個度量。（4）峰度（Kurtosis），是反映振動信號分布特性的數(shù)值統(tǒng)計量。（5）能量因子，計算系統(tǒng)頻域歸一化能量值，表征信號頻譜的頻帶分布。（6）時頻矩陣變化因子，表征信號頻譜的變化率。以上特征均對機電設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的異常振動較為敏感，能夠及時探測到機電設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)的異常振動，及早發(fā)現(xiàn)機電設(shè)備破壞和故障事件。通過時頻分析提取信號特征，感知信號頻譜的異常變化，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)對機電設(shè)備異常振動的探測靈敏度。模式識別分類器使用SVM支持向量機。系統(tǒng)采集和存儲多種已知模式類別的振動信號樣本，進(jìn)行人工標(biāo)記并且形成數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫可以在系統(tǒng)運行過程中進(jìn)行采樣、增刪和更新，并且對分類模型進(jìn)行訓(xùn)練和更新，以適應(yīng)實際的應(yīng)用環(huán)境。收集500組機電設(shè)備正常振動樣本信號和100組機電設(shè)備異常振動樣本信號。隨機選擇一半的信號樣本作為訓(xùn)練樣本，以另一半作為測試樣本，表1為分類結(jié)果統(tǒng)計。

3應(yīng)用效果

某高速軌道交通隧道采用光柵陣列機電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道內(nèi)機電設(shè)備的溫度和振動狀態(tài)進(jìn)行空間連續(xù)的實時監(jiān)測，采集機電設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)量(溫度、振動信號等)，并且構(gòu)建大數(shù)據(jù)傳感與傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠同時監(jiān)測整條隧道多處機電設(shè)備的運行情況。現(xiàn)場長期的應(yīng)用檢驗效果表明：光柵陣列機電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)λ淼纼?nèi)機電設(shè)備的溫度異常變化和異常振動進(jìn)行及時有效的探測和定位，探測靈敏度以及探測距離能夠良好滿足實際工程應(yīng)用的需求。系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）采用全光纖監(jiān)測系統(tǒng)，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，可根據(jù)安裝環(huán)境進(jìn)行靈活的繞曲布設(shè)，后期維護(hù)方便、且能與現(xiàn)有通信光纜很好地兼容。（2）傳感光纜室外無源，耐候防雷、抗電磁干擾、在工作過程中不會產(chǎn)生電火花、不會對被監(jiān)測對象的安全造成額外的威脅，并且光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。（3）能夠?qū)Ω咚佘壍澜煌ㄋ淼罊C電設(shè)備的多種安全影響因素的物理量進(jìn)行監(jiān)測和分析，并對異常狀況進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)警，同時，由于多種參量的測量可以共用光纜和主機設(shè)備，降低了高速軌道交通隧道機電工程監(jiān)控設(shè)備的復(fù)雜程度和維保難度。（4）監(jiān)測畫面以圖形、文字、報表等形式直接顯示，能及時反饋監(jiān)測結(jié)果。

4結(jié)語

利用光柵陣列傳感技術(shù)對軌道交通隧道機電設(shè)備的工作溫度、異常振動等多種物理參量進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測，對影響機電設(shè)備系統(tǒng)安全運行的各項指標(biāo)進(jìn)行實時分析評估。同時，由于多種參量的測量可以共用光纜和主機設(shè)備，降低了軌道交通隧道機電工程監(jiān)控設(shè)備的復(fù)雜程度和維護(hù)保養(yǎng)難度，具有良好的工程應(yīng)用價值，能夠有效地提高軌道交通隧道機電設(shè)備系統(tǒng)的運營管理水平。

作者：楊迎卯 王鶴桐 單位：溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司 大連地鐵建設(shè)有限公司