基于微结构光纤分布式传感系统的铁路安全监测研究

摘要

铁路是国家最重要的基础设施之一，对铁轨健康状态进行实时监测是铁路系统安全运行的有效保障。而传统的电类传感器存在抗电磁干扰差、信号传输距离有限、组成传感网络的成本高的问题。微结构光纤的分布式声学传感（micro-structured optical fiber distributed acoustic sensing,MOF-DAS）系统将传感传输合二为一，且多个传感单元集成在一根光纤上，一根光纤即可实现长距离、高灵敏以及分布式的声波传感检测，该技术在铁路健康状态监测领域有很大的应用前景。 本文将DAS技术应用到铁路安全监测领域，设计实验、采集数据并分析处理，对于列车定位与铁轨缺陷检测这两个关键问题，提出了基于DAS的解决问题的算法。本文主要完成了以下几方面的研究工作： （1）介绍了DAS技术的基本原理，分析了DAS在铁路安全监测领域的优势，设计基于DAS技术的铁路安全监测方案。将微结构传感光纤固定在铁轨轨腰位置，通过实验采集铁轨振动信号的数据，并对信号进行分析。 （2）设计一种基于DAS的列车定位算法。该方法对传感节点每秒钟的信号取绝对值后在时间维度上取均值，用这个均值来表征铁轨振动的情况，通过这个均值和设定的阈值对比，对该传感节点上是否有列车经过进行判断。 （3）设计了一种基于DAS的铁轨缺陷检测方法。该方法使用列车驶过一段标准损伤轨的实验数据，得到了无缺陷处传感节点和有缺陷处传感节点的铁轨振动的信号，将这些信号的时频域特征作为机器学习算法的输入，使用LightGBM框架对两类信号进行分类并训练出模型，实现缺陷的检测。

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