導(dǎo)語(yǔ)：光柵陣列的軌道交通隧道機(jī)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著我國(guó)軌道建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通隧道內(nèi)機(jī)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(duì)軌道交通隧道內(nèi)部各類機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，工作量大且時(shí)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(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠有效降低軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備巡檢的工作量和風(fēng)險(xiǎn)因素。利用光柵陣列傳感系統(tǒng)對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)了解軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的安全狀態(tài)，為軌道交通隧道的安全運(yùn)營(yíng)提供可靠保障。

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

軌道交通隧道的機(jī)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(guò)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(xiǎn)相對(duì)較高。軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備常年不間斷運(yùn)行，更容易導(dǎo)致設(shè)備老化，性能下降，因此對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)極為重要。引進(jìn)智能化的隧道機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整條隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解隧道機(jī)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(xiǎn)，保障軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的高效運(yùn)維工作，進(jìn)而有效保障軌道交通隧道的安全運(yùn)營(yíng)。光纖光柵傳感通過(guò)光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量感應(yīng)外界被測(cè)物理量的變化，可對(duì)溫度、振動(dòng)等多種不同物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有現(xiàn)場(chǎng)器件無(wú)需供電、抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、測(cè)量范圍廣、可移植性強(qiáng)及組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。采用光柵陣列技術(shù)，將光波分復(fù)用技術(shù)與光時(shí)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(zhǎng)距離分布式測(cè)量。將光柵陣列傳感技術(shù)與軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備安全狀態(tài)的監(jiān)控需求相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種全光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的溫度，振動(dòng)等多種物理參量進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將有效提升軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營(yíng)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(jì)一種全光纖的軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用光纖自身的兼容性，光纖探測(cè)光纜與光纖通信光纜集成為一體，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)通信光纜傳回，系統(tǒng)對(duì)返回信號(hào)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(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備溫度以及異常振動(dòng)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)可分為感知傳感層、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個(gè)層面，具體包括：（1）探測(cè)感知層。探測(cè)感知層位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最底層，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)光纖線路上的外部擾動(dòng)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(cè)溫光纜和光柵陣列測(cè)振光纜。（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層通過(guò)傳輸光纜將感知傳感層所獲得的溫度探測(cè)信號(hào)和振動(dòng)探測(cè)信號(hào)傳給光電探測(cè)器；再由儀表將光電信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)采集卡采集，傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，提取并分析信號(hào)特征，通過(guò)模式識(shí)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(cè)層監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整理后打包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給管理監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)具備工程配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警查詢、報(bào)表輸出等功能，為軌道交通隧道監(jiān)測(cè)區(qū)域的安全運(yùn)營(yíng)管理提供決策依據(jù)。

2信號(hào)分析

信號(hào)分析系統(tǒng)包含溫度監(jiān)測(cè)模塊和振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊。溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)與光柵陣列測(cè)溫光纜連接，采集軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送到溫度監(jiān)測(cè)模塊。振動(dòng)監(jiān)測(cè)主機(jī)與光柵陣列測(cè)振光纜連接，采集軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊。

2.1溫度監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)利用溫度傳感器將動(dòng)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(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)視。系統(tǒng)自動(dòng)記錄溫度數(shù)據(jù)，制作歷史曲線，并根據(jù)各個(gè)參數(shù)的報(bào)警值進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和報(bào)警。溫度報(bào)警分為預(yù)警、差溫報(bào)警和定溫報(bào)警。預(yù)警是指當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)警設(shè)定溫度時(shí)提醒溫度過(guò)高或過(guò)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(bào)警是指溫度變化速率超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出報(bào)警。定溫報(bào)警是指溫度達(dá)到定溫設(shè)定溫度時(shí)，輸出報(bào)警。相比預(yù)警，差溫報(bào)警和定溫報(bào)警的優(yōu)先級(jí)別更高，可能造成的后果更嚴(yán)重，更需要及時(shí)的處理。溫度報(bào)警算法由溫度采集模塊、溫度預(yù)警模塊、定溫報(bào)警模塊、基準(zhǔn)溫度更新模塊、溫變時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)模塊以及差溫報(bào)警模塊構(gòu)成。溫度采集模塊定時(shí)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(mén)限。當(dāng)傳感器溫度達(dá)到預(yù)警門(mén)限時(shí)，輸出溫度預(yù)警。定溫報(bào)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(mén)限。當(dāng)傳感器溫度達(dá)到定溫門(mén)限時(shí)，輸出定溫報(bào)警?；鶞?zhǔn)溫度更新模塊以最近15min的溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)的最小值作為基準(zhǔn)溫度。溫變時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)模塊判斷溫度變化時(shí)間是否正常，濾除異常溫度突變。差溫報(bào)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(mén)限。當(dāng)溫度變化速率達(dá)到差溫門(mén)限時(shí)，輸出差溫報(bào)警。系統(tǒng)自動(dòng)記錄溫度數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，自動(dòng)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(bào)警門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)軟件界面顯示、語(yǔ)音等方式自動(dòng)提醒用戶，并記錄預(yù)警和報(bào)警信息以便查詢。圖2為隧道內(nèi)部某機(jī)電設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一天內(nèi)各時(shí)刻的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值，圖3為隧道出入口處某機(jī)電設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一天內(nèi)各時(shí)刻的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)值。將圖2和圖3對(duì)比可見(jiàn)：在隧道內(nèi)部受外界溫度影響較小，一天內(nèi)的測(cè)溫?cái)?shù)值較為恒定，數(shù)值變化較??；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(shí)段出現(xiàn)較為明顯的升溫。溫度采集模塊可以及時(shí)準(zhǔn)確的描述各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在各時(shí)刻的變化，具有較高的測(cè)溫靈敏度。基準(zhǔn)溫度更新模塊根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警門(mén)限值進(jìn)行及時(shí)的更新調(diào)整，能夠有效保證系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率。

2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)

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

3應(yīng)用效果

某高速軌道交通隧道采用光柵陣列機(jī)電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度和振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行空間連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)量(溫度、振動(dòng)信號(hào)等)，并且構(gòu)建大數(shù)據(jù)傳感與傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)整條隧道多處機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況?，F(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期的應(yīng)用檢驗(yàn)效果表明：光柵陣列機(jī)電設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)λ淼纼?nèi)機(jī)電設(shè)備的溫度異常變化和異常振動(dòng)進(jìn)行及時(shí)有效的探測(cè)和定位，探測(cè)靈敏度以及探測(cè)距離能夠良好滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）采用全光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)源，耐候防雷、抗電磁干擾、在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生電火花、不會(huì)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全造成額外的威脅，并且光柵的寫(xiě)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(jī)電設(shè)備的多種安全影響因素的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并對(duì)異常狀況進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)警，同時(shí)，由于多種參量的測(cè)量可以共用光纜和主機(jī)設(shè)備，降低了高速軌道交通隧道機(jī)電工程監(jiān)控設(shè)備的復(fù)雜程度和維保難度。（4）監(jiān)測(cè)畫(huà)面以圖形、文字、報(bào)表等形式直接顯示，能及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4結(jié)語(yǔ)

利用光柵陣列傳感技術(shù)對(duì)軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備的工作溫度、異常振動(dòng)等多種物理參量進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)影響機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)安全運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析評(píng)估。同時(shí)，由于多種參量的測(cè)量可以共用光纜和主機(jī)設(shè)備，降低了軌道交通隧道機(jī)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(jià)值，能夠有效地提高軌道交通隧道機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)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