光栅阵列的轨道交通隧道机电状态监测

摘要：随着我国轨道建设的快速发展，轨道交通隧道内机电设备的监控与管理维护尤为重要。目前通常采用人工巡检的方式对轨道交通隧道内部各类机电设备进行检测和维护，工作量大且时效性低。本文采用基于光栅阵列传感技术的全光纤监测系统对隧道内机电设备的安全状态进行实时监测，能够有效降低轨道交通隧道机电设备巡检的工作量和风险因素。利用光栅阵列传感系统对隧道机电设备的多种状态进行综合监测，能够实时了解轨道交通隧道机电设备的安全状态，为轨道交通隧道的安全运营提供可靠保障。

关键词：轨道交通隧道；光栅阵列；机电设备；安全监测

轨道交通隧道的机电系统复杂庞大，设备布设较为分散，在日常巡检过程中需要考虑到行车停车安全、登高等工作条件，巡检人员日常工作量较大，并且所面临的安全风险相对较高。轨道交通隧道机电设备常年不间断运行，更容易导致设备老化，性能下降，因此对隧道机电设备运行情况的实时监测极为重要。引进智能化的隧道机电设备监测系统，对整条隧道机电设备运行状态进行实时监控，及时了解隧道机电设备安全状态，能够节约巡检人员的作业频次，降低人工巡检作业引入的风险，保障轨道交通隧道机电设备的高效运维工作，进而有效保障轨道交通隧道的安全运营。光纤光栅传感通过光栅反射波长的移动量感应外界被测物理量的变化，可对温度、振动等多种不同物理量进行监测，具有现场器件无需供电、抗电磁干扰、环境适应性强、使用寿命长、灵敏度高、测量范围广、可移植性强及组网能力强等优势。采用光栅阵列技术，将光波分复用技术与光时域反射技术进行结合，则能够极大地提高光纤光栅传感系统的空间分辨率和复用容量，使光纤光栅传感系统能够实现长距离分布式测量。将光栅阵列传感技术与轨道交通隧道机电设备安全状态的监控需求相结合，设计一种全光纤监测系统，对轨道交通隧道机电设备的温度，振动等多种物理参量进行连续实时监测，将有效提升轨道交通隧道机电设备运营管理水平。

1系统架构

利用光栅阵列传感技术，设计一种全光纤的轨道交通隧道机电设备状态监测系统，利用光纤自身的兼容性，光纤探测光缆与光纤通信光缆集成为一体，实时的监测信号经过通信光缆传回，系统对返回信号进行解调和分析后，判断是否发出相应的安全警报，实现对轨道交通隧道机电设备温度以及异常振动的连续实时监测。系统架构如图1所示。轨道交通隧道机电设备安全状态监测系统架构可分为感知传感层、数据监测层和远程监控层三个层面，具体包括：（1）探测感知层。探测感知层位于监测系统最底层，主要负责监测光纤线路上的外部扰动信息，并将其转化为可分辨的光学参量。包括光栅阵列测温光缆和光栅阵列测振光缆。（2）数据监测层。数据监测层通过传输光缆将感知传感层所获得的温度探测信号和振动探测信号传给光电探测器；再由仪表将光电信号数据通过采集卡采集，传送到监控计算机，以实现在线监测，提取并分析信号特征，通过模式识别，可提供各种形式的告警。（3）管理监控层。将数据监测层监测到的数据整理后打包通过网络传给管理监控中心，实现远程智能监控。轨道交通隧道机电设备安全状态监测平台具备工程配置、网络拓扑、数据实时显示、数据存储、报警查询、报表输出等功能，为轨道交通隧道监测区域的安全运营管理提供决策依据。

2信号分析

信号分析系统包含温度监测模块和振动监测模块。温度监测主机与光栅阵列测温光缆连接，采集轨道交通隧道机电设备的温度数据，并发送到温度监测模块。振动监测主机与光栅阵列测振光缆连接，采集轨道交通隧道机电设备的振动数据，并发送到振动监测模块。

2.1温度监测

系统利用温度传感器将动力设备的温度转换为数字化信息，上传至监控中心进行处理和记录，实现了机电设备温度的实时监视。系统自动记录温度数据，制作历史曲线，并根据各个参数的报警值进行及时预警和报警。温度报警分为预警、差温报警和定温报警。预警是指当温度达到预警设定温度时提醒温度过高或过低，提前采取措施以防止温度进一步的偏离正常值，以免造成不可挽回的损失。差温报警是指温度变化速率超过设定值时，输出报警。定温报警是指温度达到定温设定温度时，输出报警。相比预警，差温报警和定温报警的优先级别更高，可能造成的后果更严重，更需要及时的处理。温度报警算法由温度采集模块、温度预警模块、定温报警模块、基准温度更新模块、温变时长检测模块以及差温报警模块构成。温度采集模块定时采集温度传感器的温度，采集周期为1s。温度预警模块判断温度采集模块获取的传感器温度是否达到预警门限。当传感器温度达到预警门限时，输出温度预警。定温报警温度模块判断温度采集模块获取的传感器温度是否达到定温门限。当传感器温度达到定温门限时，输出定温报警。基准温度更新模块以最近15min的温度监测信号的最小值作为基准温度。温变时长检测模块判断温度变化时间是否正常，滤除异常温度突变。差温报警模块判断温度采集模块获取的传感器温度变化速率是否达到差温门限。当温度变化速率达到差温门限时，输出差温报警。系统自动记录温度数据，绘制历史曲线，自动记录温度的频率根据需要可以调节。当温度达到预警或者报警门限时，系统通过软件界面显示、语音等方式自动提醒用户，并记录预警和报警信息以便查询。图2为隧道内部某机电设备温度监测点在一天内各时刻的温度监测数值，图3为隧道出入口处某机电设备温度监测点在一天内各时刻的温度监测数值。将图2和图3对比可见：在隧道内部受外界温度影响较小，一天内的测温数值较为恒定，数值变化较小；而在隧道出入口处，隧道环境温度与外界存在热交换，在中午时段出现较为明显的升温。温度采集模块可以及时准确的描述各监测点温度在各时刻的变化，具有较高的测温灵敏度。基准温度更新模块根据一段时间内的测温数据对各个监测点的报警门限值进行及时的更新调整，能够有效保证系统的报警准确率。

2.2振动监测

系统采集和分析轨道交通隧道机电设备监测区域的振动信号，通过对振动信号的时域、频域等维度的分析提取关键特征，利用模式识别算法对异常振动进行识别和预警，判定异常振动发生的位置和类型，以帮助维护人员及时发现隧道内机电设备破坏和故障事件。从振动信号提取特征包括：（1）时域能量，表征探测系统在单位时间内接收的振动能量。（2）能量变化率，反应振动幅度变化的程度。（3）Lipschitz常数，其物理含义是指信号在奇异点处的光滑程度，也就是信号峰值陡峭程度的一个度量。（4）峰度（Kurtosis），是反映振动信号分布特性的数值统计量。（5）能量因子，计算系统频域归一化能量值，表征信号频谱的频带分布。（6）时频矩阵变化因子，表征信号频谱的变化率。以上特征均对机电设备在运行过程中产生的异常振动较为敏感，能够及时探测到机电设备在运行过程中出现的异常振动，及早发现机电设备破坏和故障事件。通过时频分析提取信号特征，感知信号频谱的异常变化，能够进一步提高系统对机电设备异常振动的探测灵敏度。模式识别分类器使用SVM支持向量机。系统采集和存储多种已知模式类别的振动信号样本，进行人工标记并且形成数据库。数据库可以在系统运行过程中进行采样、增删和更新，并且对分类模型进行训练和更新，以适应实际的应用环境。收集500组机电设备正常振动样本信号和100组机电设备异常振动样本信号。随机选择一半的信号样本作为训练样本，以另一半作为测试样本，表1为分类结果统计。

3应用效果

某高速轨道交通隧道采用光栅阵列机电设备安全状态监测系统，对隧道内机电设备的温度和振动状态进行空间连续的实时监测，采集机电设备的关键状态量(温度、振动信号等)，并且构建大数据传感与传输网络，能够同时监测整条隧道多处机电设备的运行情况。现场长期的应用检验效果表明：光栅阵列机电设备安全状态监测系统能够对隧道内机电设备的温度异常变化和异常振动进行及时有效的探测和定位，探测灵敏度以及探测距离能够良好满足实际工程应用的需求。系统具有以下优势：（1）采用全光纤监测系统，传感探头结构简单，尺寸小，可根据安装环境进行灵活的绕曲布设，后期维护方便、且能与现有通信光缆很好地兼容。（2）传感光缆室外无源，耐候防雷、抗电磁干扰、在工作过程中不会产生电火花、不会对被监测对象的安全造成额外的威胁，并且光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。（3）能够对高速轨道交通隧道机电设备的多种安全影响因素的物理量进行监测和分析，并对异常状况进行准确地预警，同时，由于多种参量的测量可以共用光缆和主机设备，降低了高速轨道交通隧道机电工程监控设备的复杂程度和维保难度。（4）监测画面以图形、文字、报表等形式直接显示，能及时反馈监测结果。

4结语

利用光栅阵列传感技术对轨道交通隧道机电设备的工作温度、异常振动等多种物理参量进行连续实时监测，对影响机电设备系统安全运行的各项指标进行实时分析评估。同时，由于多种参量的测量可以共用光缆和主机设备，降低了轨道交通隧道机电工程监控设备的复杂程度和维护保养难度，具有良好的工程应用价值，能够有效地提高轨道交通隧道机电设备系统的运营管理水平。

作者：杨迎卯 王鹤桐 单位：温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司 大连地铁建设有限公司