专利名称：护坡信息采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及铁路运行安全监测领域，具体地涉及监测铁路轨道安全方面。更具体地，本实用新型涉及监测铁路轨道至少一侧的护坡的状况。
背景技术：
目前，铁路系统正处在迅速建设和发展的时期，随着高速铁路网规模迅速扩大，技术装备水平也快速提升，速度提升及运力加大。同时，也必须意识到，铁路运输安全也面临更多的挑战和考验。铁路周边环境更加复杂，自然气候环境变化频繁，灾害天气增加，对铁路运输安全尤其是高铁运行安全带来影响。出于全面防护的考虑，技术人员研发出各种新技术，例如车载化探测装置、高速摄像技术、GPS红外线探测技术、微波无线探测等，广泛应用于定位和监测，为铁路安全允许提供了有效的防护和监测手段。但是，各种单独的技术都有其局限性，分别会受环境，人文，设备等因素的限制，没有一种方法能完全解决铁路特别是高铁沿线的安全防护问题，而是需要靠各种手段的互补。实践中，铁路轨道常常需要穿过山丘或者山谷，从而一侧或者两侧存在着仰坡，也就是沟堑式的构造。另外，也存在铁路路基高出周围地面，从而在其两侧或者一侧存在俯坡的情况。由于地质原因或者施工的原因，仰坡可能会存在滑落杂物的情况；以及路基松动，导致俯坡损坏的情况。由此，一般在侧坡上设置护坡结构，其可以由水泥修砌构筑，且可设置固定锚桩。然而，随着水土流失、地质变化或者地震等因素，侧坡上的护坡结构也会产生裂缝。这意味着护坡可能会损毁，从而对铁路的运行安全，特别是高速运行的列车会构成严重的威胁。为此，需要设置一定的措施来监测护坡结构的情况。目前，对护坡的监测多采取人工方式(例如定期巡查)进行。并且，现有的可能非人工检测方式也都存在一定的缺陷，比如系统造价高、器件不耐用、金属器件易于腐蚀损坏和存在失窃隐患等。与此相应地，近来光纤器件的快速发展和广泛运用，特别是先进的光纤光栅传感技术，为远程监测提供了可行性和便利性、以及经济性。其中，光纤光栅传感器具有体积小、精度高、寿命长、高可靠性，与传输光纤兼容等优点，且易埋入到待测物体内部。然而，目前国内外上还没有采用光纤光栅传感网络来监控铁路护坡结构的状态的案例。

实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种克服现有技术不足并且符合经济高效需求的用于监测铁路护坡的技术。根据本实用新型的一个方面，提供一种护坡信息采集系统，用于收集与铁路轨道至少一侧的护坡结构有关的信息，该护坡信息采集系统包括:光纤光栅位移传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅位移传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；其中，所述传感器个体或阵列设置在铁路至少一侧的护坡结构内，当护坡结构产生裂缝时，所述传感器个体或者阵列能够感测到缝隙所造成的位移，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。其中所述光纤光栅位移传感器设置在:位于所述护坡结构的表面，用于感测跨越缝隙两端的连接线的位移。其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。根据本实用新型的另一个方面，提供一种护坡信息分析系统，其与所述的护坡信息采集系统连接，该护坡信息分析系统包括:信号接收装置，其接收来自该护坡信息采集系统的信号；处理器单元，用于确定:每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；并确定所涉激光的波长的变化以及对应的所代表的裂缝水平和所述护坡是否有裂缝，以及裂缝是否达到危险程度。其中所述系统包括存储装置，其中预先存储:光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；波长变化和光纤光栅传感器所测的裂缝之间关系；裂缝与发生护坡溃塌危险之间对应关系。其中处理器单元，还包括用于:确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了护坡溃塌和/或哪条光纤光缆损毁。其中处理器单元，还包括用于确定:相对于时间，裂缝的扩大速度是否大于预定的阈值。其中处理器单元，还包括进一步用于:综合多个传感器的信息，确定局部区域是否存在护坡裂缝扩大的趋势或者垮塌威胁。根据本实用新型的另一个方面，提供一种护坡监测系统，包括:根据如前所述的护坡信息采集分系统；根据如前所述的护坡信息分析分系统；报警系统，在所述护坡信息分析系统确定发生护坡裂缝和/或达到危险程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。其中，所述护坡信息分析系统可以综合多个所述护坡信息采集系统所收集的信息，确定道路沿线的多个监测位置的护坡情况。本实用新型的优点在于，采用光纤光栅传感器，可以实现结构简单、适应性强、稳定性好的的监测系统，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。

图1A为仰坡护坡的示意图；图1B为俯坡护坡的示意图；图2为根据本实用新型的护坡监测系统的示意图，其中包括了护坡信息采集分系统、护坡信息分析分系统和报警分系统；图3为根据本实用新型的护坡信息采集分系统的示意图；图4为根据本实用新型的防护网信息分析系统的逻辑过程示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、结构和优点更加清楚，
以下结合附图对本实用新型进一步地进行详细描述。其中，文中的术语“边坡”包括“仰坡”和“俯坡”的情况。“仰坡”即铁路轨道低于两侧的山坡和护坡的情况，而“俯坡”为铁路高于周围的护坡的情况。在参照图1A、1B所示的铁路轨道一侧或两侧有仰坡或俯坡的区域，常常需要设立护坡结构，这是为了防止护坡垮塌从而掩埋了或者侵占铁路轨道。为监测护坡结构的安全性，需设置一定监测结构。根据本实用新型，在护坡上设置光纤光栅传感器阵列，所述传感器阵列能够监测护坡上是否有裂缝，以及裂缝的趋势和是否达到危险的程度。由此，构建护坡监测系统，可以实现远程实时地监测。护坡监测系统应具有三个基本功能:对护坡裂缝进行检测，当裂缝超出规定范畴的时候能够自动识别，在确定后能够采取有效的手段进行报警。为了满足以上各项要求，如图2所示，根据本实用新型的护坡监测系统至少应由三个分系统构成:信息采集分系统；信号分析分系统；报警分系统。另外，由于设施对于设备可靠性要求较高，系统须具备自我诊断功能，当设备信息采集通路受损的时候，设备能给出相应的报警信号通知工作人员维护。其中，所示信息采集分系统的主要工作是采集现场护坡信息并且转化成数据，以及通过网络等传输手段发送给信号分析分系统；信号分析分系统的主要工作是按照相应算法分析从信息采集分系统传送来的数据，以及结合时间变量来判断护坡的缝隙变化趋势，并发出相应等级的报警信号到报警分系统；报警分系统主要任务是接收信号分析分系统发送的报警信号后能够发出光、声、电等报警手段来告知各级工作人员相应的报警信息。下面分别描述各个分系统。信息采集分系统
根据本实用新型，所述的光纤光栅传感器一般设置在护坡上的水泥固定锚桩上。在本实用新型中，优选地采用拉线式光纤光栅位移传感器。但是，也不排除使用其他类型的传感器。拉线式光纤光栅位移传感器一般主要由传感器、支架、拉线及接头、卡夹固定辅助件等几部分组成。在本实用新型中，也应该包括这样的类似具体结构，但本文多处仅以“传感器”简称之，而不再详细描述其具体组成结构。根据本实用新型，所述拉线式光纤光栅位移传感器的工作原理是:每个光纤光栅传感器从激光源(比如解调仪)接收激光，并反射回特定波长的激光。对于光纤光栅位移传感器，在位移的影响下，由其反射回的激光波长会发生偏移。对于每个光纤光栅传感器，其反射的特征波长λ在1510_1590nm之间。波长偏移的量Λ λ与位移S之间存在既定的关系，该关系式可以表示为:Δ λ J=^Si (I)其中K为预定的系数，为一个经验值或试验测定值。这样，通过光纤光栅反射光的中心波长相对变化量来检测拉线固定端的相对位移量。光纤光栅位移传感器具有准分布式组网(几十到几百点)、测量分辨率高(0.0P/oFS)、测量范围宽(300μπι 20mm)、工作温度范围宽、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点，可以广泛应用于对各种裂缝、各种结构两点间的相对位移变化监测，可用于岩土工程的变形、位置相对移动的测量，也可用于病害工程的裂缝监测。如图3所示，所述信息采集分系统主要包括:传感器分布式阵列，光纤光缆和光纤光栅解调仪。其中，所示传感器分布式阵列包括多个光纤光栅传感器，特例是仅仅包括一个该传感器。所述的光纤光栅传感器阵列可以是串联连接，或者并联连接，也可以并联和串联相结合的方式，从而构成一定的拓扑网络。例如，每个被检测对象上可以设置一个传感器，也可以设置几个传感器，并且多个被测对象上的传感器经过一定的方式连接。具体地，所述光纤光栅传感器阵列可以连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。其中，由所述光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器通过光纤光缆发送激光信号。一般地，解调仪发送预定的一束激光，包括多个预定波长的激光。按照预定设置，正常状态下每个的光纤光栅传感器反射特定波长的激光，而在被测位移的作用下光纤光栅传感器反射的激光的波长发生了偏移或者是消失。所述解调仪通过比较反射回到解调仪的激光的波长变化来观测各个传感器的外部环境对其所产生的影响。其中，所述光纤光栅解调仪包括:激光发射装置，用于生成激光束，和激光输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤光缆中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，以传递激光。另外，所述光纤光栅解调仪包括激光解调装置，用于解调被反射的激光信号。另夕卜，所述光纤光栅解调仪包括还包括另外的数据输出端口，用于向数据平台，比如服务器传输采集的数据信息。其中，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅传感器阵列相对匹配地设置在某一局部待测环境中，所述解调仪设置在较为安全稳定的位置。以及，所述光纤光栅解调仪可以由外部电源来供电，或者是在外部电源掉电的情况下可由其自带的电源来供电。通过本实用新型的信息采集系统，可以收集得到关于某位置或者某局部区域例如某乘务段发生的信息。其中，如果得到某传感器反射的激光的波长发生偏移且持续一定的时间段，这意味着该传感器的位置(比如护坡上)出现了一定的裂缝；如果波长偏移速度较快，说明裂缝在迅速扩大；如果反射激光的波长达到某个预定值，说明裂缝达到了预定的宽度；以及如果应该由该传感器反射的激光消失，则说明很可能是损毁了该位置的传感器。这就需要利用信息分析系统来分析上述信息采集系统所收集的信号，从而得出一定的结论。信息分析分系统根据本实用新型的原理，需要设置信息分析系统来分析从上述信息采集分系统收集得到的信息。优选地是，一个信息分析分系统可以分析来自众多个信息采集分系统的信息。其中，信息分析分系统可以通过有线方式比如光缆与信息采集系统连接。可替换地是，也可以通过无线方式发送和传递信息，这可以借助于卫星网络来实现。其中，所述信息分析分系统可以具体地实现为计算机服务器，如图2所示，其包括或者连接相应的数据库。根据本实用新型，所述信息分析分系统，包括处理器，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对解调仪发送的与传感器波长变化有关的信息进行分析和判断，如图所示，应该包括以下步骤:步骤101:所涉波长确定是属于哪个光纤光栅传感器的信息。鉴于光纤光栅传感器波长偏移的量与每个所述传感器的特征波长相比较而言为很小的值，一般仅为一个或少数几个纳米的量，且变化后的波长一般与相邻波段的传感器特征波长也能够很好的区分。这样，确定了特征波长信息后就可以确定是对应哪个光纤光栅传感器的信息。并且，在确定传感器后就又可以确定对应于那个位置，如表I所示。其中，每个光栅光纤传感器对应的特征波长λ及其可变范围预先存储在服务器中，或者根据预先确定的量来计算得出。表 I
反射波长原始波长对应传感器对应偏移对应位置
权利要求1.一种护坡信息采集系统，用于收集与铁路轨道至少一侧的护坡结构有关的信息，该护坡信息采集系统包括: 光纤光栅位移传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和 光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅位移传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接； 其中，所述传感器个体或阵列设置在铁路至少一侧的护坡结构内，当护坡结构产生裂缝时，所述传感器个体或者阵列能够感测到缝隙所造成的位移，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。
2.根据权利要求1所述的护坡信息采集系统，其中 所述光纤光栅位移传感器为拉线式光纤光栅位移传感器，并能够感测到连接线两端的位移变化。
3.根据权利要求1所述的护坡信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光，和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪， 其中，激光在光纤光栅传感器内反射时，若受到外部的作用，反射的激光的波长会发生变化，且所述变化与外部作用之间具有预定的相关性。
4.根据权利要求2所述的护坡信息采集系统，其中所述光纤光栅位移传感器设置在: 位于所述护坡结构的表面，用于感测跨越缝隙两端的连接线的位移。
5.根据权利要求1所述的护坡信息采集系统，所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。
6.根据权利要求1所述的护坡信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。
专利摘要本实用新型涉及一种护坡信息采集系统，用于收集与铁路轨道至少一侧的护坡结构有关的信息，该护坡信息采集系统包括光纤光栅位移传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅位移传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；其中，所述传感器个体或阵列设置在铁路至少一侧的护坡结构内，当护坡结构产生裂缝时，所述传感器个体或者阵列能够感测到缝隙所造成的位移，并转换成感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。本实用新型的优点在于，采用光纤光栅传感器，可以实现结构简单、适应性强、稳定性好的监测系统，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。
文档编号G01B11/02GK202947686SQ20112054645
公开日2013年5月22日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者钱鸿治, 温海宁, 张植俊, 曹学光, 阎震, 赵金霞 申请人:同方威视技术股份有限公司