智能轨道交通安全监测光纤传感基础研究

The security problem has been becoming the main challenge of the construction and development of rail transit in China because the train operation control has put forward higher requirements with the high speed and intensive operation of rail transit operation. Fiber Bragg Grating (FBG) sensing has been widely used in rail traffic safety monitoring due to its outstanding advantages of anti-electromagnetic interference, high precision and fast response, but it is difficult to meet the demand in the transmission distance, high density sensing and large capacity because it is a kind of quasi-distributed sensing and the sensing points are discrete. Aiming at this common problem in the field of fiber bragg grating sensing, this project proposes a new method of dense grating array partition multiplexing sensing to realize a FBG sensing system which can satisfy both long distance and high density sensing. This project plans to develop research from 3 aspects of dynamic weak reflection apodized grating array single pulse manufacture, ultra-weak dense grating array partition multiplexing dynamic/static demodulation method and optical fiber sensing intelligent rail security monitoring system integration and implementation. This project will break through the technical bottleneck of sensing distance and density sensing in fiber grating sensing network, which not only has great theoretical significance, but also make the grating sensing a major breakthrough in engineering applications such as rail security monitoring.

随着轨道交通运营的高速化、密集化，对列车运行控制提出了更高要求，安全问题已成为我国轨道交通建设和发展的主要挑战。光纤光栅传感因具有抗电磁干扰、精度高、响应快等突出优点，已在轨道交通安全监测中得到广泛应用，但它是一种点式准分布传感，系统测点离散，难以同时满足轨道交通对传输距离远、感知密度高、测点容量大的需求。针对这一光栅传感领域公共难题，本项目提出一种密集光栅阵列分区复用传感新方法，实现能同时满足长距离和高感知密度的光栅传感系统，拟从连续动态弱反射切趾光栅阵列单脉冲在线制备方法；超弱反射密集光栅阵列动/静态分区复用解调新方法；光纤传感智能轨道安全监测系统集成与实现等多个主要方面展开研究，并拟在铁路试验段轨道占用安全监测系统中得到示范应用。本项目将突破光纤光栅传感网络中传感距离和感知密度相互制约的技术瓶颈，不仅具有十分重大的理论意义，而且会使得光栅传感在轨道安全监测等工程应用中获得重大突破。

轨道交通是我国国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程。随着轨道交通运营的高速化和密集化，对列车运行控制提出了更高要求，安全问题已经成为轨道交通建设和发展的主要挑战。光纤光栅传感器具有测量精度高、可靠性好等优点，已在轨道交通安全监测领域得到了广泛研究与应用。然而，在大型工程应用中，一个公共科学难题是如何利用光纤光栅同时实现长距离、大容量和高密集的检测。针对这一难题，本项目从4个方面开展研究：①在光栅阵列光纤和传感光缆制备方面，开创了一套芯包界面开放型撕裂缺陷成栅方法，在光纤拉丝中实现了反射率为8%的光栅阵列光纤制备；开发了轨道交通用高性能高适装性传感光缆制备技术与敷装工艺，形成了面向轨道工程结构全时全域安全监测传感光缆敷装工程规范。②在传感信号解调方法与监测系统仪表化方面，提出了光栅阵列光纤分区时分解调和编码脉冲短臂干涉光纤分布式振动信号解调两套解调新方法，分别解决了分布式光纤传感长距离、大容量和高密度感知相互制约的公共难题，以及系统采样率对动态范围的制约问题，形成了轨道交通用长距离光栅阵列光纤动/静态监测技术与仪表，可检测隧道内任意位置长度为10 cm的温度异常变化，并可实时还原轨道线路行车信号波形。③在行车信号处理与智能分析方面，创新性地设计了不同测区、不同车次的时空二维数据矩阵，提出了分布式大数据统计相似度故障分析方法，实现了地铁轨道全时全域的轨道占用、异常轮轨关系、道床病害等状态智能识别。④在系统集成与应用方面，通过集成传感光缆、监测仪表与智能分析，构建了国内外首个轨道交通全时全域智能监测系统，成功应用于武汉地铁7号线、8号线，实现了对轨道线路全域内运行列车的实时定位与跟踪，在国内外首次通过光纤传感网络检测出车轮踏面严重磨损状态并定位出问题转向架、识别出轨道板与基层脱空、轨道板裂缝、轨枕裂纹等多处道床病害。