分布式声学传感技术在状态修中的应用

当前的技术发展（包括网络、数字化技术和物联网）给铁路行业各个应用领域提供了新的发展机遇。这一趋势正越来越多地影响到铁路车辆和基础设施的维护流程和策略，即遵循固定时间间隔或者走行里程（车辆方面）的传统维护理念正逐渐转变为基于状态的预测性维护理念（Condition Based Maintenance，CBM）。

1 引言

从基于状态的维护策略出发，应该根据机车车辆、运营设备和组件的实际状态来计划和调整维护措施，从而减少故障部件造成的意外事故以及对正常元件所做的不必要维护。如今，能够通过多种技术获得每个设备越来越多的实时、可靠的状态数据，让这一切成为了可能。

利用分布式声学传感技术（Distributed Acoustic Sensing，DAS）对基础设施进行连续声学状态监测，是一项非常重要的新技术。该技术能够持续、准确地提供基础设施状态及其变化的信息，显著提高铁路网的可用性，满足 CBM 解决方案的核心要求。

基于状态的基础设施维护以传感器和检查为基础，使用的设备包括轨道检测车、固定测量点、常规列车上的传感器、轨道传感器、选配的手动测量仪器和自测式系统。这些信号源传来的数据必须经过压缩，必要情况下，还需要与机车车辆的相关信息、系统中的基础设施数据（如设备目录）或其他传感器的输入信息相结合。

DAS 技术可以满足传感器解决方案的要求：利用该技术，可以连续、实时地监测铁路网，并且可以监测大量不同的设备。福豪盛公司（Frauscher）为铁路部门提供了自己的 DAS 解决方案，即Frauscher 跟踪解决方案（FTS）。Frauscher 公司的相关团队已经对该技术进行了测试，并基于对 DAS 技术以及铁路行业要求和标准的了解，通过不懈的努力，克服了该技术在铁路运输领域的应用局限。

2 功能原理

基于 DAS 技术的系统会发送激光脉冲到光纤，并利用反射回来的部分激光脉冲，检测轨道上或轨道附近发生的状况。此时，声波和振动波对电缆产生的作用会引起显著的反射变化（图 1）。此种振动的可测量频率最高达 1.25 kHz。使用专门开发的算法，可以从测得的振动数据中实时提取特征值。这些特征值能描述轨道环境中出现状况的精确位置和类型。

安装 DAS 系统的优势是，所需的用于通信的光纤电缆通常已经铺设在轨道旁。由于使用的光波导体几乎不需要维护，因此在长距离轨道上，可以对其进行低成本的有效改造。实践表明，在最佳情况下，单个 DAS 装置可以覆盖单线铁路 40 km 的光纤，双线铁路折算下来为 80 km。

图1 DAS 检测由列车、损坏组件、人或其他原因引起的声波和振动波的原理

3 连续监测轮轨接触

图2 FTS 向基于状态的维护系统提供轮轨接触监测的连续信息

使用 FTS 对基础设施进行持续分析，须以连续监测轮轨接触为基础（图 2）：一方面，该系统会评估每次轨道车辆通过某个位置时，所记录的相应特征值，进而识别出基础设施随时间缓慢发生的状态变化；另一方面，能可靠地检测出突然发生的故障。

3.1 状态变化的定位及趋势分析

轮轨接触关系是决定基础设施组件和机车车辆寿命的最重要因素。轮轨接触关系取决于各种参数，例如车轮的圆度、钢轨表面和轨道结构。即使与最佳状态只有极小的偏差，也会导致在一定时间内磨损以及损坏率增加。最终，可能会由此产生危险的运行状态。因此，连续采集数据，从而尽早识别整条线路沿线的状态变化，是非常有价值的。

这正是 FTS 发挥作用的地方：通过评估激光信号反向耦合中的特征值，可以确定轮轨接触的某种异常是源自列车还是轨道。之所以能做出此种区别，是因为 FTS系统使用玻璃纤维作为轨道沿线的连续传感器。因此，可以在整条线路上持续监测所有列车各个轴的轮轨接触关系，实时检测状态变化，而不依赖于某个固定测量点。

例如，如果由于车轮不圆而触发了警报消息，那么测出的数据模式是列车特征值的一部分，并且会随列车一起移动。因此，可以明确将问题归入车辆损坏。

相反，如果是轨道状态发生变化，则多个车轴会在某个特定位置产生一个明显的特征值。系统会用此特征值来确定指标。在此基础上，可以对以 10 m为单位的各个轨道段落进行趋势分析。目前，可以使用经过定义、自由配置的阈值来生成和关闭警告或警报消息。这些阈值表明了状态变化的类型及其位置。如果光纤电缆有良好的地理配准，那么 FTS 识别出的位置可精确定位到 5 m 范围内，而且可以通过机器可读接口读取。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0613/428.html