光纖在軌道車(chē)輛上的應(yīng)用

沈琦 張志剛

摘 要：隨著城市化水平的不斷提高，城市軌道交通工程也在不斷的發(fā)展，將光纖技術(shù)應(yīng)用在軌道車(chē)輛上可以對(duì)軌道車(chē)輛的多個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控，以此保證軌道交通穩(wěn)定運(yùn)行。光纖技術(shù)種類(lèi)很多，不同光纖技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用個(gè)性各不相同，本文從分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)、冗余光纖環(huán)網(wǎng)、光纖光柵傳感技術(shù)這三個(gè)光纖技術(shù)入手，對(duì)三種技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為城市軌道交通建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)；冗余光纖環(huán)網(wǎng)；光纖光柵傳感技術(shù)

將光纖技術(shù)和軌道交通車(chē)輛的檢測(cè)進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以幫助軌道車(chē)輛的性能得到根本上的提升。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)軌道交通車(chē)輛的安全技術(shù)的研究逐漸深入，其中車(chē)輛故障前的預(yù)防報(bào)警，車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的較多。而光纖技術(shù)因?yàn)槠浔旧淼膬?yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，光纖技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但是對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，光纖技術(shù)在軌道車(chē)輛上的應(yīng)用研究還需要得到更進(jìn)一步的完善。

一、分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用，主要原理是借助了光的散射原理和光時(shí)域放射原理，這種分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，可以屏蔽強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，而且隨著溫升算法的優(yōu)化、智能解調(diào)技術(shù)和信號(hào)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用范圍會(huì)得到更進(jìn)一步的擴(kuò)大，滿足城市軌道交通車(chē)輛的運(yùn)行需求，及時(shí)對(duì)存在的火災(zāi)隱患進(jìn)行報(bào)警?，F(xiàn)階段，常見(jiàn)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理主要是基于拉曼散射，經(jīng)過(guò)調(diào)制后，散射光進(jìn)入到波分復(fù)用器中，就會(huì)得到斯托克斯光、反斯托克斯光，其中斯托克斯光對(duì)溫度的相對(duì)靈敏度為0.104%、反斯托克斯光對(duì)溫度的相對(duì)靈敏度為1.065%。[1]光強(qiáng)度之比為4：3。根據(jù)斯托克斯光和反斯托克斯光的特性，就會(huì)得到光強(qiáng)比和溫度定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)溫系統(tǒng)的內(nèi)部基準(zhǔn)溫度，以及相應(yīng)的校正算法，就可以得到實(shí)際溫度信息。隨著分布式光纖測(cè)溫傳感技術(shù)快速發(fā)展，使用這種測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，尤其是在城市軌道交通的應(yīng)用，即使面對(duì)較為復(fù)雜的內(nèi)部系統(tǒng)，以及較大的交通客流量，也能夠較為準(zhǔn)確的展開(kāi)監(jiān)控，有效消除火災(zāi)隱患，滿足城市軌道交通的運(yùn)行需求。

二、冗余光纖環(huán)網(wǎng)在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

冗余光纖環(huán)網(wǎng)在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是利用城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)軌道車(chē)輛沿線經(jīng)過(guò)的變電所供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，以此保證軌道交通電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證軌道交通車(chē)輛的正常運(yùn)行。在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別為：站控層、間隔層以及網(wǎng)絡(luò)層。其中站控層還可以劃分為通信控制器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面，網(wǎng)絡(luò)層中包括了交換機(jī)、光纖收發(fā)器、光纜等線路，以此為電力監(jiān)控系統(tǒng)提供通信通道。因此可知，目前的軌道車(chē)輛交通電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，但是隨著國(guó)家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展那，軌道車(chē)輛交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。從單總線星形結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)星形結(jié)構(gòu)，發(fā)展到冗余光纖環(huán)網(wǎng)這中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，軌道車(chē)輛交通電力監(jiān)控系統(tǒng)逐漸完善，其中冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為新時(shí)期的軌道車(chē)輛交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在解決網(wǎng)絡(luò)層中的冗余問(wèn)題上具有著關(guān)鍵性作用，隨著冗余光纖環(huán)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了冗余光纖環(huán)網(wǎng)光電交換機(jī)，因此，冗余光纖環(huán)網(wǎng)被用在了電力監(jiān)控系統(tǒng)中。想要讓冗余光纖環(huán)網(wǎng)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中充分發(fā)揮其本身的作用就要對(duì)冗余光纖環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和通信進(jìn)行深入研究。以某地區(qū)的軌道車(chē)輛交通電力監(jiān)控系統(tǒng)為例，該地區(qū)的軌道交通人員想要采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)，首先設(shè)置了合適的環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而根據(jù)具體的軌道交通變電所忒單，分別安裝了35kV和400V的開(kāi)關(guān)柜、直流1500V的開(kāi)關(guān)柜以及再生制動(dòng)裝置，其中C市內(nèi)的軌道交通三號(hào)線和五號(hào)線，都采取了冗余光纖環(huán)網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，有效提高了監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余互用率。

三、光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車(chē)輛的應(yīng)用

首先簡(jiǎn)單了解了光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用原理和其在軌道交通車(chē)輛的應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。光纖光柵傳感技術(shù)主要是應(yīng)用FBG傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通車(chē)輛的監(jiān)測(cè)，具體原理如下：隨著光纖光柵周?chē)鷾囟?、?yīng)變、位移、加速度等物理量的變化，光纖光柵的周期和纖芯折射率也會(huì)發(fā)生變化，繼而就會(huì)產(chǎn)生布喇格光柵信號(hào)出現(xiàn)波長(zhǎng)位移，而FBG傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)布喇格波長(zhǎng)位移的變化，判斷光纖光柵周?chē)h(huán)境中物理量的變化情況。同時(shí)采用波分復(fù)用技術(shù)形成光纖光柵傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大容量分布測(cè)量，同時(shí)這種光纖光柵傳感系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。以光纖光柵傳感系統(tǒng)對(duì)輪軸健康狀態(tài)檢測(cè)為例，當(dāng)軌道車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器旁邊的鋼軌時(shí)，就會(huì)引起布喇格波長(zhǎng)位移的變化，經(jīng)過(guò)FBG傳感器后形成應(yīng)變曲線，繼而就會(huì)得出對(duì)應(yīng)的輪軸書(shū)，通過(guò)應(yīng)變曲線的實(shí)際情況，判斷輪軸的健康情況，可以有效及時(shí)的發(fā)現(xiàn)車(chē)輪缺陷問(wèn)題。在光纖光柵傳感系統(tǒng)中最為核心的傳感器劍就是FBG傳感器，其中美國(guó)MOI公司生產(chǎn)的FBG傳感器，掃描頻率可以達(dá)到2kHz，而測(cè)量精度達(dá)到了1με，光性能極其穩(wěn)定。光纖光柵傳感系統(tǒng)的測(cè)量精確度較高、掃描速度快、復(fù)雜程度較低、分辨率高、覆蓋范圍較大。

四、總結(jié)

綜上所述，本文基于不同的光纖技術(shù)原理，利用光纖技術(shù)的特點(diǎn)，從多個(gè)方面敘述了光纖技術(shù)在軌道車(chē)輛上的運(yùn)用情況，現(xiàn)階段，光纖技術(shù)在城市軌道車(chē)輛的應(yīng)用還沒(méi)有的到全面的推廣，遠(yuǎn)不及基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)項(xiàng)目的數(shù)量。但是，縱觀城市軌道車(chē)輛的發(fā)展情況來(lái)看，想要保證城市軌道車(chē)輛交通的安全穩(wěn)定性，引用光纖技術(shù)是十分必要的，而且，光纖技術(shù)在城市軌道車(chē)輛交通的應(yīng)用具有著較大的市場(chǎng)需求前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]許敏娟，顧修竹.基于光纖光柵技術(shù)的軌道交通基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].城市軌道交通研究，2016，19（11）：68-72.