軌道交通安全監測

軌道交通是我國重點發展的快速、大運量的公共交通，軌道交通線路主要是指：鐵路、地鐵、高鐵等。今天，軌道交通已經是我們的主要交通工具之一。軌道交通工程安全監測應具有長期性、連續性。近些年，分布式聲學傳感（DAS）技術表現出了巨大的潛力。得益于抗電磁干擾、長距離無源測量和抗腐蝕的優勢，光纖DAS已應用于軌道交通領域的多個方面，例如入侵監測、列車位置和速度監測和輪對異常檢測等。

軌道交通安全監測對分布式光纖監測設備的要求：

• 更長的監測范圍和傳感距離；
• 多物理量的同步感知（現有DAS設備僅測震、BOTDR僅測應變和溫度）；
• 不僅限于原始物理量的獲取，更偏重信號分析與事件識別；
• 軌道及沿線周邊結構（如邊坡、隧道等）協同監測；
• 列車速度與定位；
• 列車輪軌狀態監測（異常摩擦、磨損等）；
• 軌道內外部第三方入侵的在線識別與預警。

DAS技術系統能夠提供對于待測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控整個軌道交通沿線。
• 能夠實現 24/7 的全天候無人值守自動監測。
• 光纖沿線上萬個監測點，以高空間分辨率精準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。
• 能夠實現振動、應變、聲學、溫度的同步監測。
• 單一系統能夠實現多種應用。
• 在無需更換光纖的情況下即可實現功能升級。

標準級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）是方案交付設備的核心部件，不受型號變化的影響。單臺詢問器單元測量量程70 km以上。

旗艦級定量型詢問器單元

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

軌道沿線運行異常情況的實時反饋

• 鋼軌老化變形；
• 輪軌接觸異常；
• 電力設施異常放電；
• 氣候原因導致的軌道變形；
• 軌道覆冰監測；
• 車輪扁平度異常；
• 預裂縫運動情況監測；
• 軌道板及支承層損傷。

極端環境條件下的良好適應性

高海拔地區、極端高低溫環境對軌道交通沿線的監測傳感系統提出了耐候性和適應性要求。

系統在保持高傳感性能的同時，還需保持自身結構和維修維護的便捷。傳感光纖由普通單模光纖組成，外部可由抗腐蝕、機械強度高的鋼絲或鋼帶進行鎧裝，或直接布設在套管中。

軌道交通應用DAS技術方案

1 硬件架構

傳感光纖電纜：單模光纖電纜，應根據OptaSense關于電纜選擇和安裝的建議進行選取。

詢問單元：OptaSense®機架式安裝單元，利用分布式聲傳感技術監測相連的光纖。

處理單元：可靠的性能計算，應使用OptaSense專有的算法檢測器對原始數據進行處理。

操作人員工作站：為外部系統提供用戶界面顯示、音頻輸出及多種用戶自定義數據輸出選項和接口。

2 軟件架構

地圖顯示：提供DAS安裝的平均資產的衛星圖像，以及光纖傳感器的位置和其他關鍵環境特征。

瀑布圖顯示：可視化從光纖傳感器接收的聲音數據，允許用戶詳細調查事件。

數據記錄：自動和手動聲學數據記錄功能，可進一步調查歷史事件。

監測算法：一套 TPI 算法能夠自動檢測到光纖。這些包括活動、人工挖掘、人員、車輛和隱形探測器。根據安裝情況進行定制。

OptaSense TPI算法在PU上運行，并從IU接收連續的聲學數據流作為輸入。警報數據由檢測算法實時生成，并發送到CU上的OS6軟件，在GUI上可以查看。

軌道交通應用DAS傳感光纖的布設

1 列車追蹤監測性能

直埋式、套管式和預開槽式光纖電纜都適用于進行列車追蹤。通過列車的高聲能信號能夠使得光纖電纜安裝的位置更加靈活，而不會對系統性能造成重大損害。

2 第三方入侵監測性能

第三方入侵檢測的光纖電纜布設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（如人員）到達鐵路之前，檢測到的機會最大。

3 電纜盜竊監測性能

各種鐵路基礎設施沿線有許多不同的高價值銅纜安裝位置和方法。

4 安裝在混凝土或聚合物材質預開槽中的光纖電纜

如果高價值公用電纜位于鄰近鐵路的槽內，則光纖電纜應與它們位于同一位置。打開槽并移動光纖或附近電纜的活動將導致系統因強聲信號而快速響應。

5 架空安裝的光纖電纜

如果高價值公用電纜位于鄰近鐵路的槽內，則光纖電纜應與它們位于同一位置。打開槽并移動光纖或附近電纜的活動將導致系統因強聲信號而快速響應。

6 直埋式光纖電纜

為了保護高價值的埋地電纜，如高價值信號線纜等，探測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 落石監測性能

按照第三方入侵檢測的規定，將電纜安裝在鐵路潛在危險一側，偏移距離2米至5米，并采用直接埋設方法布設。直接埋設電纜可確保落石檢測所需的良好聲學耦合效果。

高級監測應用

目前，車輪踏面擦傷及鋼軌斷裂監測正在開發中，僅在環境控制條件下進行了測試。

8 車輪踏面擦傷監測

直埋光纖電纜是檢測車輪扁平度（車輪踏面擦傷）的配置，因為OptaSense®車輪扁平度（車輪踏面擦傷）檢測器需要良好的聲學耦合效果。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 鋼軌斷裂監測性能

直埋電纜是檢測鋼軌斷裂的布設形式，因為OptaSense®車輪扁平（車輪踏面擦傷）檢測器需要良好的聲學耦合效果。理想情況下，電纜將埋在距離鐵路2米至5米的范圍內，深度在0.3米至0.5米之間。

DAS 技術具有多元化信息綜合感知能力，綜合覆蓋列車運行情況、車-軌運行狀況和軌道沿線探測的傳感 “神經”。能夠進行軌道沿線異常、故障和入侵事件的實時預警與感知，提高運營方資源調度效率。一體化智慧感知平臺式的安全、交互系統，迅速、掌握運行情況。

隨著分布式光纖傳感技術的不斷完善與發展，各類 DAS、DVS 產品方案均在諸多領域有相應的應用。從應用領域的本征要求來看，主要的需求是準確定位擾動源和降低整體設備的誤報、漏報、錯報率?？紤]到目前市場上各類型產品良莠不齊，在重點工程項目或科研級工程項目中，合理的DAS設備應當具有以下特征：

1. 原始數據信號準確測量、采集和傳輸；
2. 具有競爭力的入侵事件分類和識別算法；
3. 較強的功能擴展能力，能夠適用于多樣的應用環境；
4. 先進的集成數據分析系統，為拓展應用提供判斷依據；
5. 待測結構的整體感知能力，產出具有創新性的監測成果。
6. 前沿的技術方法便于項目執行后的成果轉化。

客觀條件上，DAS技術在光學傳感方面、數據分析方面、信號模式識別和分類方面、圖像特征分析與判別方面、信號降噪方法方面都具有進行創新性研究的巨大空間。

主觀條件上，目前DAS工程應用主要由科研院所及高校牽頭實施，在完成工程監測需求之余還涉及相應的成果轉化需要。

目前，歐美大地正著力與用戶合作推進DAS技術項目的成果轉化和標準探索。歡迎您與我們一起探討DAS的應用方向。