摘 要： 概述了光纖光柵技術及組態軟件的基本原理；分析了光纖光柵傳感技術與組態軟件的結合在鐵路安全的運用——在線監測系統。主要針對其功能做了詳細闡述，分析了鐵路安全在線監測系統在實際中的應用方案以及發展前景。
關鍵詞： 光纖光柵技術；光纖傳感器；組態軟件；鐵路安全；在線監測系統
近年來，高速鐵路在我國得到了蓬勃發展。高速鐵路的特點是行車密度大，因此如果發生事故其造成的后果也會非常嚴重。保障運行列車的安全成為日益凸顯的重要研究內容。
1 光纖光柵技術[1-3]與組態軟件的分析
光纖光柵是利用紫外暴光技術在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環境溫度、應力或應變發生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現對溫度、應力和應變的感測。
組態軟件為“組態式監控軟件”。“組態”(Configure)的含義是“配置”、“設定”、“設置”，指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，即所謂的“組態”。“監控”（Supervisory Control）指通過計算機信號對自動化設備或過程進行監視、控制和管理。
1.1 理論基礎
光纖光柵的周期在幾百納米數量級。當某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時，折射率分布的周期性結構導致某一特定波長光的反射，反射光的波長（即諧振波長）由Bragg公式確定：
光纖光柵應力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時進行保護封裝。當彈性體受到壓力時，光纖光柵與彈性體一起發生應變，導致光纖光柵的諧振波長漂移，漂移量由式(2)給出：
從式(3)可以看出，如果已知光纖光柵諧振波長的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計算出光纖光柵的應變。
1.2 物理邏輯模型
光纖[4]光柵感應輸出的是波長改變量，必須采用專用的波長解調設備進行波長識別，然后送入計算機進行分析處理和報警。
圖1給出了光纖光柵應力傳感器與波長解調儀組成的應力測量系統。
該應力測量系統主要由寬帶光源、光纖光柵應力傳感器[5]、基于可調F-P濾波器的波長解調儀和計算機及軟件分析處理系統四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個光纖光柵應力傳感器，這些光纖光柵通常要進行串接。由寬帶光源發出的寬帶光信號經過隔離器和3 dB耦合器傳輸到串接的傳感光柵上，經過這些光纖光柵的波長選擇后，一組不同波長的窄帶光被反射，反射光再次經過3 dB耦合器由波長解調儀接收，經過波長解調儀對這些波長進行識別，得到一組應力傳感信息。當檢測傳感器外部應力發生變化時，通過光柵解調器監測出波長的變化即應力變化之后，輸入到計算機進行數據分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會產生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。
波長解調儀由可調F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發生器、抖動信號發生器、信號混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長解調儀的工作原理是：波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調諧F-P濾波器，當鋸齒波驅動F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時，即可根據此時的F-P濾波器驅動電壓與透射波長關系測得光纖光柵反射峰位置。但由于F-P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動電壓，其輸出經混頻和低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測得數據即為光柵的反射峰值波長。
1.3 組態軟件
組態軟件（Configuration）為模塊化任意組合，軟件包括系統組態軟件平臺和應用軟件平臺兩部分。操作系統可任意選用Window NT、Linux、Unix等。網絡傳輸統一采用TCP/IP協議。在系統軟件的基礎上建立應用軟件的支撐平臺，即分布式實時運行環境。包括分布式系統管理與監視、基于內存的實時數據庫、實時數據庫組態工具、基于OPENGL的三維圖形組態工具、多層次多協議網絡通信結構等。在組態平臺之上二次開發應用軟件平臺全面建立在開放的國際工業標準基礎上，需要具有良好的開放性。考慮系統的開發性，采用商業數據庫，并且應用系統的開放性設計需具備多層次特征，為多方位、多層次持續拓展系統功能提供堅實的基礎。
組態軟件平臺的層次結構分為操作系統(可選Windows、Linux、Unix等)、實時運行環境（包含實時數據庫、實時數據庫組態工具、關系數據庫、多層次/多協議網絡接口三部分）、圖形組態以及數據庫維護和SCADA應用功能四部分。
2 系統方案
2.1 系統邏輯功能
鐵路在線監測系統[6]包括數據測量系統和數據管理與分析兩大子系統。其中，數據測量系統由傳感器子系統和數據采集與傳輸子系統有機地組成；數據管理與分析系統包括監測數據管理子系統和數據分析處理子系統。系統邏輯功能如圖2所示。
傳感器子系統由分布在現場的傳感器組成，主要包括光纖溫度、應變、壓力、位移、振動傳感器，光纖傳感分析儀根據現場監測點的多少可以配置不同通道的儀器。傳感器主要分布在牽引變電站的電力開關柜、電纜接頭、變壓器、互感器等輸變電設備上，用來在線測溫及自動報警，還有分布在橋梁、鐵路軌道、鐵路隧道等土木工程結構里，用來應力變形結構的安全監測。
數據采集子系統由光纖光柵分析儀完成，將光纖光柵分析儀接入現場的傳感器，儀器分析光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環境溫度、應力或應變發生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現對溫度、應力和應變的感測。感測的數據通過數據傳輸系統傳輸給數據處理和控制系統。
數據傳輸系統是光纖光柵分析儀與監控系統的通信通道，在具備有線傳輸的場所可以考慮光纖(例如在牽引變或分區所)，通道穩定可靠；在不具備條件的場所(例如隧道、橋梁等)，可以采用無線方式，雖然通道的質量會差一些，但對在線監測系統還是可以滿足需求。
數據處理與控制系統，為了保證系統的實時性、穩定性采用組態軟件，系統具備實時數據采集、數據越限處理、歷史數據采用、事故采樣、事故追憶等功能，在實時系統之上配有決策支持系統，幫助調度人員對現場情況迅速、準確地做出判斷。
2.2 系統結構
整體系統結構如圖3所示。
(1)在每個被檢測設備的內部安裝若干個光纖光柵傳感器，采集現場信息；
(2)在相對集中的監測現場設置主控室或主控箱體，用來安放光纖光柵分析儀和通信設備，對溫度、應力和應變的感測信息數據進行分析、預警報告及數據傳輸；
(3)主站調度系統通過不同的傳輸通道（光纖、微波、載波、GPRS等）按照一定的傳輸協議采集分布在各個現場（鐵軌、鐵路橋梁、鐵路隧道、鐵路牽引變電站等）的光纖光柵分析儀的數據，由調度系統對實時現場數據進行告警、采樣等處理，由決策支持系統協助調度人員提出預知方案。
2.3 牽引變測溫系統
以牽引變測溫系統[7]為例對系統物理結構及現場安裝情況進行詳細描述，如圖4所示。
系統各部分的功能描述：
(1)光纖光柵溫度傳感器：布置在高壓開關柜內，采集溫度信號；
(2)傳輸系統：將溫度傳感器信號傳到控制室內的光纖光柵解調儀；
(3)光纖光柵信號解調系統：對溫度信號進行解調，提供現場溫度的實時信息；
(4)系統軟件：給整個系統的運行提供軟件支持。
綜上所述，光纖光柵傳感技術在鐵路安全防護上具有很高的應用價值，實踐證明在線監測系統比以往傳統的鐵路安全巡檢更安全、快捷，會帶來更大的經濟效益和更好的社會效應。尤其采用了多種通信技術以及運用了組態軟件與決策支持系統，為調度員的決策提供了安全保障。
參考文獻
[1] 姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應用概況[J].光電子激光，2002，13(4)：420-430.
[2] 鮑吉龍，章獻民，陳抗生，等.光纖光柵傳感器及其應用[J].激光技術，2000，24(3)：174-179.
[3] 張記龍，曾光宇.光纖光柵(FBG)傳感技術及其應用[J]. 華北工學院測試技術學報，2001，15(4)：214-220.
[4] 饒云江，王義平，朱濤.光纖光柵原理及應用[M].北京：科學出版社，2006.
[5] 趙勇.光纖光柵及其傳感技術[M].北京：國防工業出版社，2007.
[6] 黃艷紅，高曉蓉.青藏鐵路橋梁損傷檢測技術的探討[J]. 新西部，2007(12)：250-251.
[7] JUN S L，CHOI I Y，LEE H U，et al.隧道檢測系統及其在韓國高速鐵路隧道的應用[J].中國鐵道科學，2004，25(3)：21-26.