Волоконно-оптическая система сигнализации состояния объектов инфраструктуры (ВОСС СОИ) состоит из 3-х основных компонентов: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение (см. рис.1).
Рисунок 1 – Элементы системы мониторинга: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение
Для решения задач мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры наибольшее применение находят технологии, основанные на эффектах рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и Рэлея. Принцип действия данных технологий основан на регистрации обратного рассеяния света в оптическом волокне сенсора при прохождении через него оптического импульса и измерения интенсивности или частоты этого излучения. Физические воздействия на волокно, такие как температура, деформация, вибрации и акустические колебания, локально изменяют характеристики пропускания света и, как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного рассеяния. Для измерений, основанных на регистрации сдвига частот вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), возникающего в распределенных волоконно-оптических сенсорах при деформационных и температурных воздействиях на них, применяется оптический импульсный спектроанализатор. К одному анализатору может быть подключено до 20 участков мониторинга по топологии типа «звезда», каждый такой участок может быть протяженностью до 80 км (160 км между анализаторами). При реализации метода измерений с использованием Рэлеевского рассеяния применяется виброакустический анализатор, принцип работы которого основан на фазовой чувствительности волоконно-оптического кабеля к внешним акустическим и вибрационным воздействиям. Диапазон действия такого анализатора при двустороннем подключении составляет 80 км (40 км в каждую сторону). При использовании внешнего оптического переключателя число подключаемых сенсоров может быть увеличено до 8.
Сенсор представляет собой специальный волоконно-оптический кабель, который в зависимости от конструкции (способа фиксации и защиты оптического волокна) может быть чувствителен к температуре и/или деформации, а также акустическим и вибрационным воздействиям. При этом сенсор является полностью пассивным устройством, не требующим электропитания. Он подключается к анализатору либо петлей, либо с одного конца и размещается вдоль всего контролируемого участка.
Программное обеспечение (ПО) является собственной разработкой, в его основе лежат алгоритмы, разработанные с учетом передового отечественного и международного опыта. ПО имеет клиент-серверную модульную архитектуру, что позволяет в кратчайшие сроки адаптировать его под нужды заказчика. Аналитические модули в зависимости от решаемой задачи позволяют оценивать текущее состояние и строить прогнозы для контролируемого объекта. Модульная структура ПО позволяет использовать его как отдельно, так и в качестве подсистем в автоматизированных системах управления заказчика.
Ежегодно на железных дорогах происходят случаи критических деформаций ж/д полотна. Такие деформации могут становиться причинами аварий с порчей подвижного состава и ж/д полотна, близлежащих к месту аварии сооружений, перевозимых грузов, причиной загрязнений водоемов и почвы транспортируемыми химическими продуктами, сбое в расписании движения поездов и т.д.
Для обеспечения требуемой надежности функционирования системы ж/д перевозок необходимо в системе организации ж/д движения иметь подсистему постоянного мониторинга состояния ж/д полотна на критических участках дороги, таких как мосты, туннели, участки в районах оползней, обвалов, почвах, подверженных эрозии и карстово-суффозионным процессам.
Такой мониторинг позволяет:
Периодический мониторинг должен иметь место и для подвижного состава. Все вышесказанное становится еще более актуальным для новых высокоскоростных ж/д маршрутов, при эксплуатации которых допуски и отклонения ж/д полотна и составов от нормативных значений должны быть сведены к минимуму.
Установленная на железной дороге, ВОСС СОИ в режиме реального времени может обеспечивать решение следующих задач:
На склоновых участках опасными являются оползневые процессы, которые могут привести к повреждениям и разрушениям железнодорожного полотна.
Чтобы иметь возможность заблаговременно прогнозировать развитие опасных грунтовых процессов и, как следствие, иметь возможность предпринимать упреждающие профилактические меры, опасные участки железнодорожного пути могут быть оснащены ВОСС СОИ. В этом случае в земляное полотно пути закладываются сенсоры деформации и температуры. Сенсор температуры позволяет осуществлять контроль температуры грунта (особенно важно при сезонных процессах протаивания/пучения грунтов) и наличия влаги в грунте (самая ранняя стадия развития негативных процессов). Сенсор деформации позволяет осуществлять контроль подвижек грунта (следующая стадия развития негативного процесса). Фронт оползня контролируется сенсором деформации в составе ВОСС СОИ, проложенным в траншее по предполагаемой границе оползневого участка, представляющего угрозу безопасности движения.
Для железной дороги, проходящей в зоне многолетнемерзлых грунтов (ММГ) важно знать температуру грунтов в основании железнодорожного полотна. Особенно важно контролировать интервал температур от – 3°С до 0°С, в котором происходит растепление грунта и его переход из состояния ММГ в состояние термокарст, сопровождающийся резким падением несущей способности грунта. В процессе обратного перехода при смерзании возможны процессы пучения грунтов. Контроль температуры грунта позволяет делать ранние оценки (раннее прогнозирование) поведения поддерживающих ж/д полотно грунтов и поведения самого полотна, и, в случае высокой степени опасности наблюдаемых и прогнозируемых негативных процессов, принимать превентивные меры. В данном случае ВОСС СОИ позволяет:
Чрезвычайно важным фактором контроля состояния железнодорожного полотна является состояние поддерживающего его грунта. Основная причина возможных подвижек грунтового основания полотна железнодорожного пути связана с проникновением в него воды, в результате чего грунт может терять несущую способность (некоторые типы грунта во влажном состоянии становятся не связанными), проседать с образованием карстовых пустот (за счет растворения минералов) или проседать в результате воздействия процесса суффозии (вымывания почвы) и т.д.
Для контроля таких опасных геологических явлений, как карстообразование, суффозия, поверхностная эрозия грунта, процесс разжижения грунта (например, вследствие вибрации) разработана контрольно–оповестительная система для карстоопасных участков железнодорожного пути (КОС). Регистрируя возникновения опасных процессов на раннем этапе их развития, система позволяет оценить скорость образования того или иного явления и оценить срок, при котором данное явление окажет влияние на состояние верхнего строения пути.
Виброакустическая система мониторинга «ВОЛНА-АЛЬФА», созданная на основе эффекта Рэлея, позволяет решать не менее важные задачи по обеспечению безопасности на объектах железнодорожной инфраструктуры. Речь идет о контроле прохождения составов в местах нерегулируемых переездов и в других отдаленных для доступа людей местах, об интервальном регулировании движения поездов и т.д.
Система обеспечивает выполнение следующих функций:
Мониторинг положения подвижного состава:
Обнаружение нештатных ситуаций: