光纤传感在铁路基础设施监测中的应用

铁路基础设施当今世界，管理者面临着各种各样的挑战。具有讽刺意味的是，铁路运营的成功是主要挑战之一。交通量的增加导致轨道部件的磨损增加，并缩短了维修活动所需的轨道关闭时间。一方面，这些时间段对于必要的维护工作是至关重要的，以保持轨道质量在要求的水平，从而防止轨道关闭和由于轨道状况造成的临时慢订单。另一方面，为维护而不是操作阻塞时隙可能会非常昂贵。因此，提高轨道维修的效率是至关重要的，以便保持尽可能高的可用性，而不忽视必要的维修措施。这意味着对铁路轨道的评价和评估是基础设施管理者的一项决定性任务。此外，在预算削减的情况下，根据生命周期成本考虑，实施可持续的、基于条件的维护策略变得更加重要。

数据可用性

可持续的和基于状况的维护策略的基础是对轨道状况的了解和对使用寿命结束负有责任的具体部件。为此，基础设施管理人员有几个数据源，为他们提供了不同程度的数据质量和数量的轨道状况信息，如图1所示。

图1:基础设施管理人员有几个数据源，为他们提供了不同程度的数据质量和数量的跟踪状况信息

轨道记录车是任何基础设施管理人员的标准测量设备。该车辆每年对整个网络进行多次评估，并提供高质量和高数量的数据(见图1)。此外，位于网络中特定点的路边列车监测系统，为每一列经过的列车提供永久性的测量数据，并监测车辆状况。在过去的几年里，使用传感器部署焦点感兴趣点变得非常流行，因此几乎可以为任何资产提供传感器，为每一列经过的列车提供测量，但只针对特定的点。

这就是分布式声学传感发挥作用的地方。对于我们的项目，我们使用已经安装的光纤电缆。这些光纤束安装在铁路轨道旁边，由于不是所有的光纤都用于电信或信号目的，因此查询系统利用束中的一根光纤来监视轨道。这种高度创新的传感技术为每一辆经过铁轨的列车提供永久和连续的数据。

分布式声传感

目前，这些测量数据被用于列车跟踪和安全和安保目的。由于它是一种声音信号，这是最明显的应用范围。在我们的工作中，我们专注于利用声波信号来评估铁路基础设施的状况。

分布式声传感依赖于光的弹性散射过程——瑞利后向散射的影响。光纤电缆本身代表了传感元件，它可以被描述为一种监听设备，沿监测资产分布着数千个“虚拟”麦克风。

有了目前的系统，我们能够通过使用任何传统的电信单模光纤电缆来检测、定位和分类附近或被监控资产上发生的任何活动。唯一需要的额外设备是一个位于电信室的审讯单元。询问系统重建声波信号，沿监测资产呈现，并等距分布在数千个位置。根据光纤上发生的活动和事件，该系统将观测到的背向散射光信号重构为声信号。铁路行业的第一个算法是用于列车跟踪和车轮平面识别。此外，最近在实验室条件下进行的测试已经显示出该技术在铁路基础设施基于条件的维护策略方面的潜力。

第一次结果

利用分布声信号对铁路轨道进行评估，第一步是检查与铁路轨道状况有关的原始声信号是否有差异。由于这是一个声音信号，假设当火车经过状态良好的轨道段和状态较差的轨道段时，会产生不同的声音信号。

因此，原始声信号内的值在这两个部分之间也应该不同。此外，根据这个理论，当同一列火车经过这些点时，这两个资产之间的信号模式应该是不同的。这也适用于磨损的钢轨接头或交叉机头。

为了证明这一点，我们进行了一列火车通过一个磨损的轨道接头的持续频谱。所使用的系统具有每秒2500个样本的采样率，这意味着我们可以进行高达1250Hz的频率分析。信号中给定频率的量用持续谱来表示。从根本上说，这是一个功率频率空间的直方图，其中一个特定的频率在信号进化过程中，只要它持续存在于信号中，就会显得更亮、更热。所描述理论的结果在图2中描述了一列经过的列车的近14秒的功率谱。y轴表示信号的频率，x轴表示时间。当一列火车接近并经过特定的点时，如图2中第二秒到12.5之间所示，也会出现更高的频率，并且在信号中可以看到火车的运动。

图2:一列火车经过一个磨损的轨接头时的持续频谱

此外，这使得描述和确定列车队形成为可能。所描绘的列车编队由一辆火车头和九节车厢组成。此外，根据一开始的假设，当列车经过轨道连接处时，至少每个转向架和每个轴都应该在功率谱范围内可见。这可以用不均匀性的事实来解释——在这种情况下，一个轨道接头——导致每个经过的轴都有特定的影响。由于重量不同，机车的冲击比客车的车轴要大。

完成分布式声传感的数据分析后的下一步是将这些数据与进一步的条件和资产信息关联起来(见图3)。进行这些关联分析是为了详细阐述以下问题:

• 不同的子结构条件(例如桥梁和开放式轨道)是否在信号中显示特定的特征?
• 基于分布式声传感能否区分压载条件较差的轨道段
• 不同的维护措施是如何在信号中发生的?
• 随着时间的推移，信号是否可以重现以预测未来的行为?

图3:分布式声传感的数据分析

目前的结果表明，利用分布式声传感技术可以对基础设施状况进行评估。由于这是一种具有高度创新性的新型数据源，在将其应用于日常业务之前还需要进行一些实验研究。在接下来的步骤中，必须对不同列车类型的信号特征、天气情况、动态行为和进一步的边界条件进行深入分析。

一般来说，光纤电缆在铁路轨道上提供连续和永久的信息，它们为使用轨道记录车辆提供的结果带来了非常有价值的补充，因为这种创新的方法将允许在轨道记录车辆的测量运行之间进行永久的行为监测。这将是实时预测维修的重要一步，也将提高铁路轨道的可用性。