轨道交通安全监测

轨道交通是我国重点发展的快速、大运量的公共交通，轨道交通线路主要是指：铁路、地铁、高铁等。今天，轨道交通已经是我们的主要交通工具之一。轨道交通工程安全监测应具有长期性、连续性。近些年，分布式声学传感（DAS）技术表现出了巨大的潜力。得益于抗电磁干扰、长距离无源测量和抗腐蚀的优势，光纤DAS已应用于轨道交通领域的多个方面，例如入侵监测、列车位置和速度监测和轮对异常检测等。

轨道交通安全监测对分布式光纤监测设备的要求：

• 更长的监测范围和传感距离；
• 多物理量的同步感知（现有DAS设备仅测震、BOTDR仅测应变和温度）；
• 不仅限于原始物理量的获取，更偏重信号分析与事件识别；
• 轨道及沿线周边结构（如边坡、隧道等）协同监测；
• 列车速度与定位；
• 列车轮轨状态监测（异常摩擦、磨损等）；
• 轨道内外部第三方入侵的在线识别与预警。

DAS技术系统能够提供对于待测轨道沿线的综合感知能力。

• 从单一位置处放置的询问器单元以激光脉冲的形式监控整个轨道交通沿线。
• 能够实现 24/7 的全天候无人值守自动监测。
• 光纤沿线上万个监测点，以高空间分辨率精准列车沿线事件及定位。
• 无源传感方法，光纤沿线无需任何附加电源。
• 能够实现振动、应变、声学、温度的同步监测。
• 单一系统能够实现多种应用。
• 在无需更换光纤的情况下即可实现功能升级。

标准级非定量型询问器单元

OLA2.1/OLA2.1+/OLA2.2型DAS询问器单元。询问器单元（IU）是方案交付设备的核心部件，不受型号变化的影响。单台询问器单元测量量程70 km以上。

旗舰级定量型询问器单元

QuantX 型 DAS 询问器单元是我们的第五代旗舰级询问器单元（IU），能够覆盖所有的DAS应用场景，在远距离定量的 DRS/QDAS 性能上具有无与伦比的性能。此型号专门针对需要性能质量的定量相位以及振幅输出的传感应用。

轨道沿线运行异常情况的实时反馈

• 钢轨老化变形；
• 轮轨接触异常；
• 电力设施异常放电；
• 气候原因导致的轨道变形；
• 轨道覆冰监测；
• 车轮扁平度异常；
• 预裂缝运动情况监测；
• 轨道板及支承层损伤。

极端环境条件下的良好适应性

高海拔地区、极端高低温环境对轨道交通沿线的监测传感系统提出了耐候性和适应性要求。

系统在保持高传感性能的同时，还需保持自身结构和维修维护的便捷。传感光纤由普通单模光纤组成，外部可由抗腐蚀、机械强度高的钢丝或钢带进行铠装，或直接布设在套管中。

轨道交通应用DAS技术方案

1 硬件架构

传感光纤电缆：单模光纤电缆，应根据OptaSense关于电缆选择和安装的建议进行选取。

询问单元：OptaSense®机架式安装单元，利用分布式声传感技术监测相连的光纤。

处理单元：可靠的性能计算，应使用OptaSense专有的算法检测器对原始数据进行处理。

操作人员工作站：为外部系统提供用户界面显示、音频输出及多种用户自定义数据输出选项和接口。

2 软件架构

地图显示：提供DAS安装的平均资产的卫星图像，以及光纤传感器的位置和其他关键环境特征。

瀑布图显示：可视化从光纤传感器接收的声音数据，允许用户详细调查事件。

数据记录：自动和手动声学数据记录功能，可进一步调查历史事件。

监测算法：一套 TPI 算法能够自动检测到光纤。这些包括活动、人工挖掘、人员、车辆和隐形探测器。根据安装情况进行定制。

OptaSense TPI算法在PU上运行，并从IU接收连续的声学数据流作为输入。警报数据由检测算法实时生成，并发送到CU上的OS6软件，在GUI上可以查看。

轨道交通应用DAS传感光纤的布设

1 列车追踪监测性能

直埋式、套管式和预开槽式光纤电缆都适用于进行列车追踪。通过列车的高声能信号能够使得光纤电缆安装的位置更加灵活，而不会对系统性能造成重大损害。

2 第三方入侵监测性能

第三方入侵检测的光纤电缆布设形式是直埋式光纤电缆，距离铁路中心2米至5米，无压载，覆盖0.3米至0.5米厚度的土壤。这使得在任何侵入活动（如人员）到达铁路之前，检测到的机会最大。

3 电缆盗窃监测性能

各种铁路基础设施沿线有许多不同的高价值铜缆安装位置和方法。

4 安装在混凝土或聚合物材质预开槽中的光纤电缆

如果高价值公用电缆位于邻近铁路的槽内，则光纤电缆应与它们位于同一位置。打开槽并移动光纤或附近电缆的活动将导致系统因强声信号而快速响应。

5 架空安装的光纤电缆

如果高价值公用电缆位于邻近铁路的槽内，则光纤电缆应与它们位于同一位置。打开槽并移动光纤或附近电缆的活动将导致系统因强声信号而快速响应。

6 直埋式光纤电缆

为了保护高价值的埋地电缆，如高价值信号线缆等，探测挖掘至埋地电缆组件的电缆部署如图所示。理想情况下，电缆将直接埋在距离埋地电力电缆0.5m至2m距离范围之间，并从0.3 m到与电力电缆深度相同的深度。

7 落石监测性能

按照第三方入侵检测的规定，将电缆安装在铁路潜在危险一侧，偏移距离2米至5米，并采用直接埋设方法布设。直接埋设电缆可确保落石检测所需的良好声学耦合效果。

高级监测应用

目前，车轮踏面擦伤及钢轨断裂监测正在开发中，仅在环境控制条件下进行了测试。

8 车轮踏面擦伤监测

直埋光纤电缆是检测车轮扁平度（车轮踏面擦伤）的配置，因为OptaSense®车轮扁平度（车轮踏面擦伤）检测器需要良好的声学耦合效果。理想情况下，光纤电缆将埋在距离铁路2米至5米的地方，深度在0.3米至0.5米之间。

9 钢轨断裂监测性能

直埋电缆是检测钢轨断裂的布设形式，因为OptaSense®车轮扁平（车轮踏面擦伤）检测器需要良好的声学耦合效果。理想情况下，电缆将埋在距离铁路2米至5米的范围内，深度在0.3米至0.5米之间。

DAS 技术具有多元化信息综合感知能力，综合覆盖列车运行情况、车-轨运行状况和轨道沿线探测的传感 “神经”。能够进行轨道沿线异常、故障和入侵事件的实时预警与感知，提高运营方资源调度效率。一体化智慧感知平台式的安全、交互系统，迅速、掌握运行情况。

随着分布式光纤传感技术的不断完善与发展，各类 DAS、DVS 产品方案均在诸多领域有相应的应用。从应用领域的本征要求来看，主要的需求是准确定位扰动源和降低整体设备的误报、漏报、错报率。考虑到目前市场上各类型产品良莠不齐，在重点工程项目或科研级工程项目中，合理的DAS设备应当具有以下特征：

1. 原始数据信号准确测量、采集和传输；
2. 具有竞争力的入侵事件分类和识别算法；
3. 较强的功能扩展能力，能够适用于多样的应用环境；
4. 先进的集成数据分析系统，为拓展应用提供判断依据；
5. 待测结构的整体感知能力，产出具有创新性的监测成果。
6. 前沿的技术方法便于项目执行后的成果转化。

客观条件上，DAS技术在光学传感方面、数据分析方面、信号模式识别和分类方面、图像特征分析与判别方面、信号降噪方法方面都具有进行创新性研究的巨大空间。

主观条件上，目前DAS工程应用主要由科研院所及高校牵头实施，在完成工程监测需求之余还涉及相应的成果转化需要。

目前，欧美大地正着力与用户合作推进DAS技术项目的成果转化和标准探索。欢迎您与我们一起探讨DAS的应用方向。