光学仪器  2020, Vol. 42 Issue (6): 80-86   PDF    
基于光纤传感的无源铁路防护门开关状态监测系统
王超东     
中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063
摘要: 铁路防护门作为防火及应急疏散安全保障设施在铁路隧道中大量设置。在长期运营中,防护门一旦异常开启,一方面将失去防护门的作用,另一方面将可能侵入铁路限界危及运营安全。设计的防护门开关监测系统利用光纤将激光引至监测现场,利用光传感头将门的开关状态转换为光路的通断状态。根据解调仪安置点和被测防护门的分布情况,提出了星型组网方案和单芯级联组网方案,实现了对解调仪的复用,可降低系统的复杂度和工程成本。单芯级联方案中,为了使更多的光功率耦合到传感监测链路的远端,对耦合器的功率分配进行了分析及优化。针对铁路防护门的应用场景,提出了提高系统可靠性和环境适应性的措施。
关键词: 光纤传感    光开关    铁路防护门    
Railway protective door condition monitoring system based on fiber optical sensor
WANG Chaodong     
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China
Abstract: Massive railway protective doors have been installed in railway tunnels as fireproofing and emergency evacuation facilities. During long term service, once the protective door is opened abnormally, it will be ineffective. More importantly, it may invade railway clearance and threaten railway operation safety. A door switch state monitoring system based on fiber optical sensors has been realized in this paper. In this system laser is transmitted to the railway protective door by fiber. With the help of the sensor, open-close state of the door will be converted into on-off state of the optical path. According to the distribution of protective door from the interrogator, the star connection structure and single fiber cascade connection structure are proposed in this paper. These connection structures realize interrogator multiplexing, which could reduce system complexity and engineering cost. In the single fiber cascade scheme, power optimization is made. In view of the application scenario of railway protective doors, the measures to improve the system reliability and environmental adaptability are put forward.
Key words: fiber sensing    optical switch    railway protective door    
引 言

中国铁路建设正在有序推进,铁路运营安全越来越受到重视。长大隧道在铁路中较为普遍,根据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[1]、《铁路工程设计防火规范》[2]等相关规范要求,与长大隧道连接的各类通道及安装了设备的洞室均设置了防护门,如隧道应急救援站的横通道与隧道连接处、紧急救援站以外的横通道、紧急出口、避难所与隧道连接处、双洞双线隧道的联络通道,以及安装了通风、电力、通信、信号、牵引供电设备的洞室等位置[3]。大量防护门的安装虽然满足了铁路隧道疏散救援和防火的需要,但门本身固定的牢固程度也给铁路运营带来了一定的安全隐患。近年来,发生了几起隧道防护门脱落影响铁路运营的事件,因此部分铁路局集团公司提出拆除防护门的意见,这就违背了前面提及的铁路行业规范,长大隧道一旦发生火灾,后果不堪设想。

出现这种两难的局面,主要原因是目前没有对防护门进行实时监测,无法掌握门的开闭状态,从而在隧道门脱落或打开时及时报警,与运营指挥系统联动,及时采取措施,保证运营安全。对于防护门的状态监控有多种实现方案,如按普通门禁方式设置门禁系统或利用视频监控系统对门进行监测,这些都需要安装较多的现场设备。普通门禁的现场监测设备还要有线或无线传输通道将信息传送至中心,视频监控系统需要在合适的位置设置全天候的摄像头,这些都需要现场供电。设备安装、供电和传输通道提供都需要成本,少量的防护门问题不大。但当隧道防护门的数量较多时,建设成本以及今后的维护及改造成本将不可忽视。

光纤传感因其现场无源、环境适应性强、易于组网等优点,与光纤通信技术一同起步,经过几十年的发展已可传感数十种物理量。光纤传感同被测物理量所在的行业密切交叉,往往为解决某一种特定的需求而特殊设计[4]。例如利用多芯光纤中的布里渊散射可实现对三维形状的感知[5],利用在多芯光纤中设计的马赫-曾德尔干涉仪可实现高灵敏度的振动传感[6]。本文提出一种基于光纤传感的新型无源防护门监测系统,凭借光纤传感的灵敏度高、传送距离远的特点,利用单芯光纤及简单的现场光反射和接收装置即可实现门的开关状态监控。该监测系统还可推广应用至铁路栅栏门以及其他供电困难或取电困难的场合。

本文将首先介绍基本原理,然后对多门组网方案及功率优化等关键技术进行研究,最后提出工程应用中需要重点关注的问题及应对措施。

1 基本原理及系统构成 1.1 基本原理

光纤传感因其具有传感现场无源的特性,特别适用于现场无法取电或者取电困难的场合。得益于光纤的低损耗特性,光信号可以实现远距离的传播,进而实现远距离的传感监测。因此,利用光纤传感技术满足无源场合的铁路沿线隧道洞室防护门、设备门等“门”的开关状态检测需求是最佳的解决途经。在此种应用场景下,为了利用光纤传感技术,最直接、最有效的方案就是设计一种结构将“门”的开关状态转化为光路的通断状态。

图1所示,光纤准直器和反射镜固定在金属盒子内,在光纤准直器和反射镜之间设置一个可以移动的滑块。滑块的一端与弹簧相连,另一端凸出盒子外。当滑块挤压弹簧时,光路处于一种状态;当弹簧处于松弛状态时,光路处于另外一种状态。将此装置安装在被监测的“门”的附近,当“门”关闭时,滑块受到挤压;当“门”打开时,滑块释放。如此一来,即实现了将“门”的开关状态转换为光路的通断状态。

图 1 光门开关传感头结构设计图 Figure 1 Structure design of optical switch sensor

图1所示设计中,通过使用反射镜实现了单端口测量,这在工程应用中可大大节约光纤资源。从图1可以看出,当传感头的滑块受到挤压时,光路可以设计为“通”或者“断”。首先,被监测的铁路防护门设计为常闭状态,当门被异常开启时需要报警提醒。第二,当连接传感头的光纤断纤或者光门开关自身异常时,也应该提醒系统异常。因此,我们认为将传感头设计为常开状态是最好的选择,即滑块受到挤压时光路为“通”的状态。

1.2 光门开关传感头测试

按照图1所示传感头设计图制作了样品若干个(实物照片如图2所示),并对其性能指标进行了测试。经测试,传感头开-关消光比均大于30 dB,插入损耗均小于1 dB。另外,考虑到现场使用的环境,在传感头制作时考虑了防水防尘工艺,经测试可达IP56等级。

图 2 光门开关传感头实物样品照片 Figure 2 Photograph of the sensor

为测试传感头动态响应,将传感头安装在设备柜门上以模拟铁路防护门进行开关状态的传感测试,如图3(a)所示。将连续光注入传感头,通过光电探测器探测传感头反射光信号,利用示波器观察其时域波形。当柜门反复打开-关闭时,观察到图3(b)所示波形,示波器采样频率为1 MSa/s。可以看到开-闭状态变换时,光探测器信号快速响应。模拟测试了100次开闭动作,信号均存在图3(b)所示响应波形。放大其中一个由闭合变换为开启状态的波形,如图3(c)所示,可以看到在柜门开启时,光路由通转为断,光信号立即消失,响应时间约为2 μs。需要说明的是,此响应时间为光路由通转为断的时间,并不是柜门由关闭到完全开启的时间,但开关动作的快慢影响光路通断转换的快慢,因此响应时间与柜门开启动作的快慢也存在一定关系。

图 3 光门开关传感头动态响应测试 Figure 3 Dynamic response measurement of optical switch sensor
2 光门开关典型组网方案

在具体铁路工程应用中,往往不止一个而是一系列的防护门状态需要监测。为了降低系统的复杂度和工程成本,需要考虑对解调仪进行复用,对光门开关传感头进行组网。首先根据现场条件选择具有取电方便、联网便捷等条件的位置作为光门开关解调仪的安置点。然后调查需要监测的防护门位置以解调仪为中心时的分布情况,根据分布情况选择最优的组网方案。下面将介绍两种典型的组网方案。

2.1 星型组网方案

当被测防护门以解调仪为中心呈现星型或类似星型分布时,我们设计了光门开关星型组网方案,如图4所示。其中黑色虚线框中为解调仪的组成部分,包含直流光宽带光源、光环行器、WDM1(波分复用器)、WDM2(解波分复用器)、光电探测器以及信号处理及上报等部分。

图 4 光门开关星型组网方案 Figure 4 Star network of optical switch sensor

图4所示的组网方案中,宽带光源输出光经过光环行器进入1×n的WDM1,WDM1将输入光按照波长分配到不同的输出端口,输出端口接传输光纤与安装在被测现场的光门开关相连。根据前述设计,当被测防护门处于关闭状态时,光门开关中的光路处于通路状态,反射回的光经过WDM1合波,再经过光环行器由端口3输出至WDM2。WDM2的参数和WDM1一致。因此由WDM2按照波长进行分光之后,来自不同光门开关传感头的光波被依次分配到相应的光电探测器端。信号处理及上报单元对光电探测器的数据进行实时采样分析,判断光门开关状态并将状态信息进行上报。

需要注意的是,在此方案中WDM1的输出端口的中心波长应落在所连接的光门开关的反射波长范围内。另外,本方案中光门开关传感头的位置编号通过WDM对波长的分配实现了与光电探测器一一对应,因此不需要对光源进行调制、编码等操作。

2.2 单芯级联组网方案及功率优化

当被测防护门以光门开关解调仪为中心呈现线型分布时,宜采用单芯级联方案,如图5所示。光源为分布反馈式直接调制光源,光脉冲通过一个三端口光纤环行器耦合进光纤链路,来自光门开关的反射信号耦合进光电探测器。2×2耦合器的输出口一端连接光门开关传感头,另一端与下一个耦合器级联。所有的支路共享同一套脉冲光源、光纤环行器、光电探测器、信号处理及上报单元等,这种设计有利于对监控“门”的集中管理并降低系统成本。光门开关传感器可以根据现场的情况预先给定位置编号,这在实际的工程应用中十分方便。

图 5 光门开关单芯级联组网方案 Figure 5 Single fiber cascade network of optical switch sensor

在本系统中,来自不同光门开关的信号可以根据他们的位置在时域上进行区分[7]。来自第j个光门开关的脉冲信号上升沿在时间轴上的位置为(如图6所示)

图 6 光门开关时域信号示意图 Figure 6 Time domain signal diagram of optical switch sensor
${T_j} = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{j} {{L_i} + {K_j}} }}{{c/n}}, {j = 1,2,...,m} $ (1)

式中: ${T_j}$ 为来自第j个光门开关的脉冲信号上升沿的时间; ${L_i}$ 为耦合器i和耦合器i–1之间的光纤长度; ${L_1}$ 为耦合器1和脉冲光源之间的光纤长度;c为真空中的光速;n为光纤纤芯折射率; ${K_j}$ 为第j段连接光门开关光纤的长度。

为了防止来自不同光门开关的信号相互之间重叠干扰,并使得脉冲信号时域位置和光门开关的编号一一对应,可以通过控制每部分的光纤长度以满足

$\begin{split} &\;\\ &{T_j} - {T_{j - 1}}{\text{>}} {\text{δ}} T, {j = 1,2,...,m} \end{split} $ (2)

式中: ${\text{δ}} T$ 为光脉冲宽度。通过以上公式计算可得,当 ${\text{δ}} T = 100\;{\rm{ns}}$ 时,两相邻光门开关的光程差需设计为10 m以上。在实际工程中,当相邻两扇被测门距离接近、无法满足式(2)时,可在光门开关安装位置人为增加时延光纤以增加二者在系统中的光程差,从而满足式(2)的条件。

为了使更多的光功率耦合到传感监测链路的远端,耦合器的高分光比的输出端应该和传导光纤相连。耦合进光门开关的分光比越高,系统的信噪比越好。但是,远端的光门开关获得的光功率就越低。这意味着系统所能支持的光门开关的数量将会减少。在仿真中,我们研究了不同耦合器分光比的情况下,来自光门开关的光功率与数量之间的关系,仿真结果如图7所示。

图 7 不同耦合器分光比情况下来自光门开关的光功率 Figure 7 Optical power from optical switch sensor under different splitting ratios

图7所示仿真中,假设脉冲的峰值功率为10 dBm;所有的耦合器具有相同的分光比;光纤的损耗系数 $\alpha = 0.2\;{\rm{dB/km}}$ ${L_1} = {L_2} = {L_3} = ... = {L_m} = 50\;{\rm{m}}$ ${K_1} = {K_2} = {K_3} = \!...\! = {K_m} = 50\;{\rm{m}}$ ;每个耦合器的额外插入损耗为0.2 dB。光门开关的反射率或插入损耗不影响来自不同光门开关的光功率的相对强度变化。所以假设光门开关的反射率为100%。从图7可知,耦合进光门开关的分光比越高,来自近端的信号越强,但是信号功率下降越快。假设光电探测器的动态范围为30 dB,为了得到较高的判别准确率,系统的动态范围设计不低于10 dB,那么还有20 dB的损耗值留给光纤链路。在这种情况下,当分光比为99∶1时,系统最大支持40个光门开关;当分光比为95∶5时,可支持24个光门开关;当分光比为90∶10时,可支持15个光门开关。但是,可以通过调节不同位置的耦合器分光比来增加光门开关的数量[7]。一种典型的优化方式如图8所示。

图 8 优化耦合器分光比的光纤链路中每个光门开关的信号功率 Figure 8 Optical power from optical switch sensor under the optimized splitting ratio

图8中前40个耦合器分光比为99∶1;第41至55个为90∶10;最后三个为50∶50。通过优化分光比,在不损失信号最低动态范围的情况下,光门开关的数量从40个增加到了58个。

3 工程应用

本文提出的光门开关传感器因其监测现场无需供电、组网灵活等优势,在铁路隧道洞室、联络通道的防护门状态监测、铁路防护栅栏门状态监测、易爆炸等用电敏感或供电困难区域的门禁监测等方面具有良好的应用前景。

该传感器应用于铁路防护门的门禁监测工程中时,需要特别注意系统的可靠性和环境适应性,为此特采取以下措施:1)光门开关传感头设计防水防尘等级可达IP56,有特殊需要的环境下还可进一步提高防水防尘设计等级;2)光门开关传感头建议牢固安装于门框上,保证当门扇关闭时滑块受到挤压,且不会增加传感头脱落风险;3)当门扇和门框配合不紧密时设计安装配件以保证门扇关闭时传感头滑块依然可以受到挤压。

铁路防护门在列车进出隧道、大风等条件下容易产生振动。强烈的振动可能导致受挤压的传感头滑块跟随活动,从而使其中光路处于通-断的频繁切换状态,进而引起误报。而铁路工程应用中对误报特别敏感。一方面,误报将大大增加人工巡检的成本;另一方面,如果报警系统和运营调度联动,误报也会严重影响铁路的正常运营管理。

在星型组网方案中,由于传感光信号是直流信号,由振动引起的通-断频繁切换的误报可通过设置报警时间窗口解决。例如可设置低电平信号持续1 s以上(具体根据实际情况进行设置)作为被测门被开启告警的时间窗口阈值,而1 s以内的多次电平多次变化则认为是振动或其他原因引起的,可选择不上报或提醒工作人员留意即可。

在单芯级联组网方案中,传感光信号是调制的脉冲信号,每个脉冲周期内依次判断一轮每个传感头的状态,由振动引起的通-断频繁切换的误报可通过设置报警周期来解决。例如当连续n个(n根据实际振动情况来设置)周期被测的传感头反射信号均探测为低电平则上报异常告警信号,而在n个周期范围内被测的传感头反射信号高低电平多次变化则认为是振动或其他原因引起的,可选择不上报或提醒工作人员留意即可。这种设置对报警信号的时效性影响可进行简单估算:当级联的最远传感头距离解调仪为10 km时,光源的调制周期设置为不小于10 μs即可。当n取值为1000时,一次报警信号至少需要10 ms,报警的时效性良好。

4 结 论

本文设计了一种基于光纤传感的光门开关传感头,该传感头可将门的开关状态转化为光路的通断。按照设计方案制作了样品,传感头开-关消光比均大于30 dB,插入损耗均小于1 dB,防水防尘指标可达IP56等级。在具体工程应用中,往往需要对一系列防护门进行监测。为了降低系统的复杂度和工程成本,需要考虑对解调仪进行复用,对光门开关传感头进行组网。首先根据现场条件选择具有取电方便、联网便捷等条件的位置作为光门开关解调仪的安置点。然后调查需要监测的防护门位置以解调仪为中心的分布情况,根据分布情况选择最优的组网方案。针对被测防护门以解调仪为中心呈现星型或类似星型分布的情况,设计了光门开关星型组网方案。针对被测防护门以光门开关解调仪为中心呈现线型分布的情况,设计了单芯级联方案。单芯级联方案中,为了使更多的光功率耦合到传感监测链路的远端,对耦合器的功率分配进行了分析与优化。

针对铁路防护门的应用场景,本文提出了提高系统可靠性和环境适应性的措施,针对振动可能引起的误报在报警算法方面加以考虑。另外,在铁路应用工程建设中,还需要重视对设备成本、安装工程成本等建设成本的考虑,同时考虑系统后期的应用、管理及维护带来的成本及管理方面的变化。

参考文献
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