光纖光柵技術(shù)及組態(tài)軟件的原理及鐵路安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 光纖光柵技術(shù)與組態(tài)軟件的分析

光纖光柵是利用紫外暴光技術(shù)在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變敏感，當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(zhǎng)漂移，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)。

組態(tài)軟件為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”?！敖M態(tài)”(Configure)的含義是“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”，指用戶通過(guò)類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，即所謂的“組態(tài)”?！氨O(jiān)控”（Supervisory Control）指通過(guò)計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備或過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。

1.1 理論基礎(chǔ)

光纖光柵的周期在幾百納米數(shù)量級(jí)。當(dāng)某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，反射光的波長(zhǎng)（即諧振波長(zhǎng)）由Bragg公式確定：

光纖光柵應(yīng)力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時(shí)進(jìn)行保護(hù)封裝。當(dāng)彈性體受到壓力時(shí)，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纖光柵的諧振波長(zhǎng)漂移，漂移量由式(2)給出：

從式(3)可以看出，如果已知光纖光柵諧振波長(zhǎng)的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計(jì)算出光纖光柵的應(yīng)變。

1.2 物理邏輯模型

光纖光柵感應(yīng)輸出的是波長(zhǎng)改變量，必須采用專用的波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備進(jìn)行波長(zhǎng)識(shí)別，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理和報(bào)警。

圖1給出了光纖光柵應(yīng)力傳感器與波長(zhǎng)解調(diào)儀組成的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

該應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵應(yīng)力傳感器、基于可調(diào)F-P濾波器的波長(zhǎng)解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)及軟件分析處理系統(tǒng)四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個(gè)光纖光柵應(yīng)力傳感器，這些光纖光柵通常要進(jìn)行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離器和3 dB耦合器傳輸?shù)酱拥膫鞲泄鈻派?，?jīng)過(guò)這些光纖光柵的波長(zhǎng)選擇后，一組不同波長(zhǎng)的窄帶光被反射，反射光再次經(jīng)過(guò)3 dB耦合器由波長(zhǎng)解調(diào)儀接收，經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀對(duì)這些波長(zhǎng)進(jìn)行識(shí)別，得到一組應(yīng)力傳感信息。當(dāng)檢測(cè)傳感器外部應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)光柵解調(diào)器監(jiān)測(cè)出波長(zhǎng)的變化即應(yīng)力變化之后，輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會(huì)產(chǎn)生塌方、位移等危險(xiǎn)影響，起到報(bào)警作用。

波長(zhǎng)解調(diào)儀由可調(diào)F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長(zhǎng)解調(diào)儀的工作原理是：波長(zhǎng)編碼的壓力傳感信號(hào)輸入到可調(diào)諧F-P濾波器，當(dāng)鋸齒波驅(qū)動(dòng)F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時(shí)，即可根據(jù)此時(shí)的F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)得光纖光柵反射峰位置。但由于F-P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會(huì)使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動(dòng)電壓，其輸出經(jīng)混頻和低通濾波器，測(cè)量抖動(dòng)頻率，在信號(hào)為零時(shí)，所測(cè)得數(shù)據(jù)即為光柵的反射峰值波長(zhǎng)。

1.3 組態(tài)軟件

組態(tài)軟件（Configuration）為模塊化任意組合，軟件包括系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺(tái)和應(yīng)用軟件平臺(tái)兩部分。操作系統(tǒng)可任意選用Window NT、Linux、Unix等。網(wǎng)絡(luò)傳輸統(tǒng)一采用TCP/IP協(xié)議。在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上建立應(yīng)用軟件的支撐平臺(tái)，即分布式實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。包括分布式系統(tǒng)管理與監(jiān)視、基于內(nèi)存的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)工具、基于OPENGL的三維圖形組態(tài)工具、多層次多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)等。在組態(tài)平臺(tái)之上二次開發(fā)應(yīng)用軟件平臺(tái)全面建立在開放的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，需要具有良好的開放性。考慮系統(tǒng)的開發(fā)性，采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且應(yīng)用系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)需具備多層次特征，為多方位、多層次持續(xù)拓展系統(tǒng)功能提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

組態(tài)軟件平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)分為操作系統(tǒng)(可選Windows、Linux、Unix等)、實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境（包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)工具、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、多層次/多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口三部分）、圖形組態(tài)以及數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和SCADA應(yīng)用功能四部分。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)邏輯功能

鐵路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與分析兩大子系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)有機(jī)地組成；數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯功能如圖2所示。

傳感器子系統(tǒng)由分布在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器組成，主要包括光纖溫度、應(yīng)變、壓力、位移、振動(dòng)傳感器，光纖傳感分析儀根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多少可以配置不同通道的儀器。傳感器主要分布在牽引變電站的電力開關(guān)柜、電纜接頭、變壓器、互感器等輸變電設(shè)備上，用來(lái)在線測(cè)溫及自動(dòng)報(bào)警，還有分布在橋梁、鐵路軌道、鐵路隧道等土木工程結(jié)構(gòu)里，用來(lái)應(yīng)力變形結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由光纖光柵分析儀完成，將光纖光柵分析儀接入現(xiàn)場(chǎng)的傳感器，儀器分析光纖光柵中折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變敏感，當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(zhǎng)漂移，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)。感測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是光纖光柵分析儀與監(jiān)控系統(tǒng)的通信通道，在具備有線傳輸?shù)膱?chǎng)所可以考慮光纖(例如在牽引變或分區(qū)所)，通道穩(wěn)定可靠；在不具備條件的場(chǎng)所(例如隧道、橋梁等)，可以采用無(wú)線方式，雖然通道的質(zhì)量會(huì)差一些，但對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是可以滿足需求。

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性采用組態(tài)軟件，系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)越限處理、歷史數(shù)據(jù)采用、事故采樣、事故追憶等功能，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)之上配有決策支持系統(tǒng)，幫助調(diào)度人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況迅速、準(zhǔn)確地做出判斷。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)在每個(gè)被檢測(cè)設(shè)備的內(nèi)部安裝若干個(gè)光纖光柵傳感器，采集現(xiàn)場(chǎng)信息；

(2)在相對(duì)集中的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置主控室或主控箱體，用來(lái)安放光纖光柵分析儀和通信設(shè)備，對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)警報(bào)告及數(shù)據(jù)傳輸；

(3)主站調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)不同的傳輸通道（光纖、微波、載波、GPRS等）按照一定的傳輸協(xié)議采集分布在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)（鐵軌、鐵路橋梁、鐵路隧道、鐵路牽引變電站等）的光纖光柵分析儀的數(shù)據(jù)，由調(diào)度系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行告警、采樣等處理，由決策支持系統(tǒng)協(xié)助調(diào)度人員提出預(yù)知方案。

2.3 牽引變測(cè)溫系統(tǒng)

以牽引變測(cè)溫系統(tǒng)為例對(duì)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安裝情況進(jìn)行詳細(xì)描述，如圖4所示。

系統(tǒng)各部分的功能描述：

(1)光纖光柵溫度傳感器：布置在高壓開關(guān)柜內(nèi)，采集溫度信號(hào)；

(2)傳輸系統(tǒng)：將溫度傳感器信號(hào)傳到控制室內(nèi)的光纖光柵解調(diào)儀；

(3)光纖光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)：對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，提供現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)信息；

(4)系統(tǒng)軟件：給整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供軟件支持。

綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)在鐵路安全防護(hù)上具有很高的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)踐證明在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比以往傳統(tǒng)的鐵路安全巡檢更安全、快捷，會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和更好的社會(huì)效應(yīng)。尤其采用了多種通信技術(shù)以及運(yùn)用了組態(tài)軟件與決策支持系統(tǒng)，為調(diào)度員的決策提供了安全保障。