МОНИТОРИНГ ИНФРАСТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ
TRANSPORT NETWORK INFRASTRUCTURE MONITORING

Настоящее изобретение относится к мониторингу инфраструктуры транспортных сетей, например инфраструктуры железнодорожных сетей, такой как туннели или мосты или сам рельсовый путь, и в частности к мониторингу состояния, который использует движение транспорта по железнодорожной сети.
Инфраструктура транспортной сети, такая как инфраструктура железнодорожной сети, обычно содержит некоторые конструкции, состояние которых желательно контролировать. Например, может быть желательно контролировать состояние туннелей, которые образуют часть упомянутой сети, чтобы обнаруживать любые повреждения в туннеле, которые могут привести к аварии.
В некоторых железнодорожных сетях состояние туннелей можно проверять вручную. Это может включать контроль посредством соответствующего персонала, включая визуальный контроль и/или проведение различных испытаний или изменений для выявления любых потенциальных проблем. Например, можно осуществлять визуальный контроль состояния стен, при этом относительное положение известных отметок, измеряемое при любом перемещении, и в некоторых случаях состояние стен можно проверять, используя соответствующие щупы.
Однако очевидно, что такие осмотры требуют направления группы контроля к соответствующей конструкции и осмотр может занимать значительное время. Контролируемый участок, даже в однопутном железнодорожном туннеле длиной в несколько сотен метров, может быть значительным, и некоторые туннели могут быть достаточно большими для размещения множества путей и иметь длину, измеряемую километрами. Осмотр возможен только в периоды времени, когда соответствующий участок железнодорожной сети не используется, что может ограничивать время, имеющееся в распоряжении для осмотра, и/или приводить к сокращенным или отмененным услугам по сети. По этим причинам ручной контроль обычно является трудоемкой и дорогостоящей задачей, и поэтому большая часть инфраструктуры проверяется лишь периодически, в некоторых случаях со значительными периодами времени между проверками.
В некоторых конструкциях может быть размещен ряд постоянно установленных датчиков для обеспечения непрерывного контроля состояния конструкции. Например, в туннеле могут быть установлены различные тензодатчики, акселерометры и др. для обнаружения любого перемещения. Такие датчики обычно представляют собой точечные датчики, и поэтому обеспечение надлежащего покрытия туннеля, длина которого может измеряться километрами, требует множества таких датчиков и соответствующих затрат. Для дистанционного контроля каждый датчик должен иметь соответствующий источник питания и быть способным передавать собираемые данные для анализа.
Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают способы и устройства для мониторинга состояния конструкций, образующих часть инфраструктуры транспортной сети.
В одном аспекте изобретения описан способ мониторинга состояния конструкции, образующей часть транспортной сети, причем упомянутый способ включает: осуществление распределенного акустического зондирования на одном или нескольких оптических волокнах, размещенных для мониторинга упомянутой конструкции, для выдачи сигнала измерения из каждого из множества акустических чувствительных элементов; анализ упомянутых сигналов измерения, генерируемых от движения транспорта по транспортной сети вблизи упомянутой конструкции, для выявления акустических сигналов, связанных с упомянутой конструкцией; и анализ упомянутых акустических сигналов, связанных с упомянутой конструкцией, для обеспечения индикации о любых изменениях в состоянии упомянутой конструкции.
Упомянутый способ в соответствии с данным аспектом настоящего изобретения использует волоконно-оптическое распределенное акустическое зондирование (DAS). Распределенное акустическое зондирование представляет собой известный вид зондирования, при котором оптическое волокно размещают в качестве чувствительного волокна и периодически запрашивают с использованием электромагнитного излучения, чтобы обеспечить измерение акустической активности вдоль его длины. Обычно один или несколько входных импульсов излучения вводят в оптическое волокно. Путем анализа излучения, рассеиваемого в обратном направлении из волокна, волокно может быть фактически разделено на множество дискретных чувствительных элементов, которые могут (но не обязаны) быть смежными. В пределах каждого дискретного чувствительного элемента механические возмущения волокна, например, вследствие падающих акустических волн, вызывают изменение свойств излучения, которое рассеивается в обратном направлении от данного элемента. Это изменение может быть обнаружено и проанализировано и использовано для определения меры интенсивности возмущения волокна в данном чувствительном элементе. Таким образом, DAS датчик фактически выполняет функцию линейной чувствительной решетки акустических чувствительных элементов оптического волокна. Длина упомянутых чувствительных элементов волокна определяется характеристиками запрашивающего излучения и обработкой, применяемой к обратно рассеиваемым сигналам, однако обычно могут быть использованы чувствительные элементы длиной примерно от нескольких метров до нескольких десятков метров. Используемый в данном описании термин «распределенное акустическое зондирование» означает зондирование посредством запрашивания оптического волокна для обеспечения множества дискретных акустических чувствительных элементов, распределенных продольно вдоль волокна, и термин «распределенный акустический датчик» следует интерпретировать в соответствии с этим. Термин «акустический» означает любой тип волны давления или механического возмущения, которое может привести к изменению натяжения оптического волокна, и во избежание неправильных толкований термин «акустический» включает в себя ультразвуковые и инфразвуковые волны, а также сейсмические волны.
DAS может быть приспособлено для обеспечения множества чувствительных элементов или каналов на протяжении длины волокна, например, DAS может применяться на волокнах длиной до 40 км или более со смежными чувствительными каналами длиной порядка 10 м.
В родственной заявке на патент GB 1201768.7 предложено размещать DAS датчики вдоль транспортных сетей, таких как железнодорожные сети или сети автомобильных дорог, для обеспечения мониторинга движения транспортного потока по транспортной сети как часть способа управления и/или для обнаружения ненормального движения транспортного потока. Например, в железнодорожной сети движение поезда по железнодорожному пути, примыкающему к DAS чувствительному волокну, будет генерировать акустические сигналы, которые могут быть использованы для слежения за поездом при его движении, обеспечивая информацию о местоположении в режиме реального времени с разрешением в несколько десятков метров непрерывно по всей длине контролируемого участка.
Авторы настоящего изобретения поняли, что DAS может быть использовано для обеспечения мониторинга состояния конструкции, образующей часть или связанной с транспортной сетью посредством мониторинга акустической реакции упомянутой конструкции на прохождение транспортного потока по сети. Авторы настоящего изобретения установили, что движение транспортного потока по сети обеспечивает акустическое возбуждение конструкции и что упомянутая реакция самой конструкции может быть выделена из общего шума транспортного потока. Другими словами, движение транспортного потока обеспечивает источник звука, и, предпочтительно, акустические сигналы, связанные с самой конструкцией, могут быть отдельно выявлены как отличные от источника звука. Кроме того, авторы изобретения поняли, что акустическая реакция конструкции на прохождение транспортного потока может быть преимущественно одинаковой, даже когда транспортный поток отличается. Другими словами, рассматривая пример мониторинга туннеля в железнодорожной сети, прохождение первого поезда через туннель возбуждает такую же общую реакцию в туннеле, как и последующее прохождение другого поезда через данный туннель. Транспортная сеть может представлять собой сеть для перевозки людей и/или товаров на транспортных средствах, в частности может представлять собой железнодорожную сеть.
Таким образом, понятно, что можно контролировать акустическую реакцию конструкции во время эксплуатации сети, чтобы обеспечить непрерывный мониторинг состояния. Любые значительные изменения в акустической реакции могут означать изменение в состоянии.
Таким образом, упомянутый способ включает осуществление распределенного акустического зондирования на по меньшей мере одном оптическом волокне для выдачи сигнала измерения из каждого из множества акустических чувствительных элементов, которые описаны выше. Упомянутое по меньшей мере одно чувствительное волокно размещают так, чтобы осуществлять мониторинг конструкции. Упомянутое чувствительное волокно может быть размещено так, чтобы проходить через конструкцию, такую как туннель, мост, виадук, дорожная насыпь или ров, и в некоторых случаях по меньшей мере часть волокна может быть встроена в материал упомянутой конструкции. Однако в других применениях чувствительное волокно, дополнительно или в качестве альтернативы, может быть расположено так, что по меньшей мере часть оптического волокна примыкает к упомянутой конструкции или прикреплена к упомянутой конструкции.
Как было упомянуто выше, сигналы измерения, генерируемые от движения транспортного потока, т.е. транспортных средств, по транспортной сети вблизи упомянутой конструкции, подвергаются анализу, чтобы выявлять акустические сигналы, связанные с упомянутой конструкцией, т.е. отделять те сигналы, которые обусловлены акустической реакцией упомянутой конструкции, от любых сигналов, непосредственно связанных с движением транспортного потока. Как будет описано ниже, это может быть достигнуто разными способами.
Затем акустические сигналы, которые идентифицированы как связанные с конструкцией, подвергаются анализу, чтобы обеспечить индикацию любых изменений в состоянии упомянутой конструкции.
В одном варианте осуществления анализ акустических сигналов, связанных с упомянутой конструкцией, включает в себя сравнение акустических сигналов с ранее полученными акустическими сигналами. Как было описано выше, общая акустическая реакция может быть одинаковой для преимущественно однотипного движения транспортного потока, например поезда, движущиеся в одном направлении через туннель, могут возбуждать одинаковую общую реакцию, если отсутствует значительное изменение в состоянии туннеля. Таким образом, упомянутая конструкция фактически может иметь акустическую характеристику.
Например, рассмотрим туннель длиной 300 м с DAS чувствительным оптическим волокном, проходящим через туннель и запрашиваемым так, чтобы обеспечить чувствительные элементы длиной порядка 15 м. Таким образом, может быть предусмотрено 20 смежных чувствительных элементов волокна вдоль длины туннеля. В ответ на прохождение поезда через туннель некоторые чувствительные элементы могут обычно проявлять акустическую реакцию, которая является более интенсивной и/или продолжается дольше по сравнению с другими чувствительными элементами. Кроме того, некоторые чувствительные элементы могут проявлять сильные реакции на некоторых акустических частотах по сравнению с другими. Таким образом, графики относительной интенсивности, изменения во времени и/или частоты сигналов измерения от разных чувствительных элементов, соответствующие конструкции, можно рассматривать как акустическую характеристику конструкции, в данном примере туннеля.
Акустическую характеристику, определенную в ответ на движение транспортного потока около конструкции, можно сравнивать с уже существующей характеристикой, соответствующей или полученной из одной или нескольких обнаруженных реакций. Если самая последняя полученная акустическая характеристика является по существу такой же, как уже существующая характеристика, то это может свидетельствовать о том, что свойства конструкции те же самые и, соответственно, состояние конструкции не изменилось. Если же, например, чувствительный элемент проявляет акустическую реакцию, которая имеет заметно отличающуюся относительную интенсивность или длительность, чем ранее, это может указывать на изменение свойств конструкции, которое потенциально может свидетельствовать об изменении в состоянии конструкции.
В некоторых вариантах осуществления анализ акустических сигналов, связанных с конструкцией, может включать в себя выявление акустических волн, распространяющихся в упомянутой конструкции. В частности, для удлиненных конструкций, т.е. таких конструкций, как туннели, которые продолжаются на некотором расстоянии и соответственно могут распространяться на несколько чувствительных элементов DAS датчика, может быть выявлено распространение акустических волн внутри конструкции. Акустическая энергия, генерируемая посредством движения транспортного потока вдоль конструкции, такой как туннель, обычно приводит к распространению акустических волн вдоль упомянутой конструкции. Это приводит к ряду возмущений волокна, которые будут обнаружены посредством DAS датчика, когда акустический сигнал последовательно воздействует на разные чувствительные элементы. Распространение таких акустических волн может образовать, по меньшей мере, часть акустической характеристики конструкции и может быть подвергнуто сравнению с ранее обнаруженными реакциями, чтобы обнаружить любое значительное изменение.
В частности, упомянутый способ может включать в себя определение любых разрывов непрерывности в распространении акустических волн в конструкции, например резкого изменения скорости или интенсивности волны, или обнаружение отражения.
В качестве простого примера, представим себе, что конструкция содержит однородный твердый материал. Можно предположить, что любая акустическая волна, распространяющаяся в такой конструкции, перемещается с относительно постоянной скоростью (с учетом любых многопутных эффектов) и с относительно постоянным затуханием. Если же имеется разрыв непрерывности, такой как трещина или пора в материале, то может возникнуть скачкообразное изменение в скорости или интенсивности в упомянутой щели или поре и/или значительные отражения. Упомянутое скачкообразное изменение и/или отражения могут быть обнаружены, указывая на потенциальную проблему в месте расположения соответствующего чувствительного элемента - в частности, если такое скачкообразное изменение или отражения не были обнаружены ранее.
Таким образом, упомянутый способ может включать в себя анализ скоростей распространения акустических волн в упомянутой конструкции.
Отмечается, что скорость распространения акустических волн, распространяющихся в конструкции, может отличаться от скорости распространения акустических волн в воздухе. Таким образом, определение скорости распространения, которая отличается от скорости распространения в воздухе, может быть использовано для обнаружения сигналов, распространяющихся в упомянутой конструкции.
Кроме того, скорость распространения акустических волн в конструкции, которую желательно контролировать, может отличаться от скорости распространения акустических волн в другой конструкции, образующей транспортную сеть. Например, рассмотрим железнодорожную сеть. Вдоль всей транспортной сети проложены рельсы, образующие железнодорожный путь. Когда поезд движется по сети, по меньшей мере некоторые акустические сигналы могут распространяться по рельсам со скоростью, определяемой композицией рельсов (и, возможно, влияниями окружающей среды). Когда поезд достигает туннеля, некоторые акустические сигналы могут распространяться в туннеле с другой скоростью относительно любых сигналов, перемещающихся по воздуху или по рельсам. Определение сигналов, распространяющихся с другими скоростями, может быть использовано для установления различия между сигналами, распространяющимися по конструкции, представляющей интерес, и любой другой конструкции сети.
Упомянутый способ может также включать в себя выявление акустических волн, распространяющихся с разными скоростями в упомянутой конструкции. Конструкция обычно может содержать множество разных материалов. Например, она может содержать смесь некоторых или всех бетонных заполнителей, кирпичных кладок, стальных балок и др., которые все будут иметь разную скорость звука. Таким образом, акустическая волна, распространяющаяся вдоль удлиненной конструкции, может перемещаться с разными скоростями в разных частях конструкции. Если рассматривать скорость акустической волны, когда она распространяется вдоль конструкции, то можно обнаруживать акустические сигналы от разных частей конструкции. Если известны разные элементы конструкции, то можно установить различие между акустической реакцией разных материалов в пределах конструкции.
Таким образом, упомянутый способ может включать в себя анализ сигналов измерения от чувствительных элементов для определения акустических сигналов, распространяющихся вдоль конструкции с заранее заданными скоростями или в пределах заранее заданного диапазона скоростей. Другими словами, при анализе отраженных сигналов от конструкции, содержащей значительные количества бетона, упомянутый способ может включать в себя обнаружение сигналов, распространяющихся со скоростью звука в бетоне.
Обнаружение конкретных ожидаемых скоростей распространения может помочь отличить акустическую реакцию конструкции от непосредственного шума транспортного потока, который определяется посредством DAS датчика.
При этом в одном варианте осуществления акустическая реакция от конструкции определяется посредством рассмотрения сигналов измерения, которые регистрируются до и/или после того, как транспортный поток проходит соответствующий чувствительный элемент (элементы). Таким образом, акустические сигналы, связанные с конструкцией, представляют собой акустические сигналы, обнаруживаемые посредством чувствительных элементов до и/или после движения транспортного потока за соответствующим чувствительным участком.
По мере того, как транспорт движется в сети, например поезд, движущийся по железнодорожному пути, шум, создаваемый поездом, будет распространяться впереди и позади движущегося поезда. Таким образом, когда транспорт приближается к конструкции, в частности закрытой конструкции, такой как туннель, звук движущегося транспорта, например поезда, будет акустически возбуждать конструкцию. Как было упомянуто выше, акустическая энергия будет взаимодействовать с конструкцией и, при удлиненной конструкции, такой как туннель, будет распространяться вдоль туннеля. В этот момент акустические сигналы, обнаруживаемые посредством DAS датчика, будут содержать в основном акустическую реакцию конструкции на возбуждение, приходящее с заданного направления. Это позволяет определять реакцию самой конструкции. Однако, когда поезд действительно достигает соответствующих чувствительных элементов, волокно будет непосредственно возбуждаться с нескольких разных направлений от разных частей поезда, и все чувствительные элементы обычно будут проявлять интенсивную реакцию. Таким образом, любое влияние конструкции на акустическую реакцию может быть забито «прямым» возмущением, вызываемым поездом. Но когда поезд прошел через соответствующие чувствительные элементы, источник звука снова станет более направленным. Кроме того, акустическое возбуждение конструкции вследствие прохождения поезда может требовать времени для затухания, и поэтому акустическая реакция после прохождения поезда будет также преимущественно обусловлена акустической реакцией конструкции.
Так же как основной шум, создаваемый транспортом, когда он движется, скоростной транспорт может также оказывать импульс давления на расположенные рядом конструкции, в частности проходные пункты, такие как мосты или туннели. Когда скоростной поезд достигает туннеля, давление воздуха будет увеличиваться вследствие движения поезда. Затем, когда поезд проходит, давление воздуха будет уменьшаться. Это может создавать импульс давления, который акустически возбуждает конструкцию. Акустическая реакция конструкции на такой импульс давления может контролироваться, как описано выше.
Кроме того, посредством рассмотрения низкочастотной характеристики DAS датчика, можно обнаруживать увеличение и уменьшение в натяжении, вызываемые увеличением и уменьшением давления воздуха, которые могут обеспечить информацию о состоянии конструкции.
Как было упомянуто выше, оптическое волокно, используемое для DAS, размещают так, чтобы осуществлять мониторинг конструкции, который может включать оптическое волокно, расположенное так, чтобы проходить через конструкцию, такую как туннель или мост. Упомянутое оптическое волокно может представлять собой специальное оптическое волокно, которое специально размещают для мониторинга конструкции, или может представлять собой оптическое волокно, которое ранее было использовано для каких-либо других целей, но которое пригодно для использования в качестве чувствительного волокна в DAS системе. Например, в туннеле могут находиться существующие волоконно-оптические кабели, предназначенные для связи, которые могут содержать избыточные оптические волокна, которые могут быть использованы для DAS.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одно чувствительное волокно может образовать часть системы мониторинга с использованием DAS, используемой для мониторинга и/или управления движением транспорта по транспортной сети. Как было упомянуто выше, DAS вполне пригодно для мониторинга движения транспорта по транспортной сети, в частности движения рельсовых транспортных средств по железнодорожной сети. Один DAS датчик может предусматривать непрерывную последовательность чувствительных каналов, расположенных на расстоянии примерно 10 м, при длине до 40 км или более, а при использовании большего количества датчиков могут быть достигнуты более значительные длины. Один DAS запросный блок может быть подсоединен между двумя волокнами, чтобы обеспечить зондирование на расстоянии 80 км (с запросчиком посередине) с волокнами, расположенными вдоль траектории сети. Это обеспечивает возможность непрерывности зондирования вдоль больших частей сети. Чувствительное волокно может представлять собой стандартное телекоммуникационное волокно и, соответственно, является относительно дешевым. Упомянутое волокно может быть просто зарыто в землю вблизи транспортных сетей, например вдоль сторон или под путями или дорогами в узком канале на любой требуемой глубине. Оптическое волокно может быть заключено в защитный короб и может сохраняться длительное время без технического обслуживания. Таким образом, затраты на установку и техническое обслуживание являются низкими. Во многих транспортных сетях уже может находиться оптическое волокно, размещенное вдоль по меньшей мере главных путей, и такая существующая инфраструктура связи может содержать избыточные оптические волокна, которые могут быть использованы для DAS.
Запрос оптического волокна может осуществляться посредством оптических импульсов, генерируемых запросным блоком (который будет более подробно описан ниже), и поэтому электроэнергия потребуется только для запросных блоков.
Таким образом, чувствительное волокно может быть размещено вдоль траектории транспортной сети и использовано для слежения за движением транспорта по сети. Кроме того, вблизи конструкций, состояние которых желательно контролировать, акустические сигналы, связанные с упомянутой конструкцией, могут быть обнаружены и подвергнуты анализу, как описано выше. Таким образом, размещение волокна может просто соответствовать главному пути сети, например, оно может быть уложено около рельсового пути. Однако для некоторых конструкций, например мостов, первый участок волокна может быть размещен вдоль траектории транспортной сети, пока не будет достигнута конструкция, при этом второй участок волокна может быть размещен относительно упомянутой конструкции, чтобы обеспечить зондирование упомянутой конструкции, перед продолжением вдоль остальной части траектории сети. Таким образом, второй участок волокна может быть приспособлен для прикрепления, например, к мосту. До и после упомянутого второго участка волокно может быть размещено так, чтобы проходить вдоль траектории транспортной сети, и сигналы измерения из данных чувствительных элементов могут быть использованы для слежения за движением транспорта по сети. При этом отраженные сигналы от упомянутого первого участка будут давать полезную информацию о состоянии конструкции.
Как было указано, упомянутый способ особенно пригоден для железнодорожных сетей, и соответственно оптическое волокно может быть размещено вдоль железнодорожной сети. Упомянутый способ также особенно полезен для мониторинга состояния туннелей. Таким образом, оптическое волокно может быть размещено около железнодорожного пути, проходящего через туннель.
В некоторых вариантах осуществления конструкция, подлежащая мониторингу, может включать в себя сам железнодорожный путь. Как было упомянуто выше, шум от поезда будет распространяться впереди поезда или позади поезда на некоторое расстояние. Часть данного шума будет переноситься посредством акустических волн, распространяющихся по рельсам, и распространение данного акустического сигнала по рельсам будет показывать состояние самих рельсов и расположенного под ними пути. Предполагаемая скорость распространения акустических сигналов по рельсам может быть известна, и соответственно акустические сигналы впереди и позади движущегося поезда могут подвергаться анализу, чтобы обнаружить сигналы, распространяющиеся в пределах заданного диапазона скоростей, как описано выше. Как было описано, способ настоящего изобретения позволяет осуществлять мониторинг конструкции, которая является отдельной от железнодорожного пути, используя прохождение поездов по пути, без необходимости какого-либо прямого активного возбуждения конструкции. В случае туннелей, контролируемая конструкция не является конструкцией, по которой движется транспортное средство транспортной сети.
Упомянутый способ также распространяется на обработку данных от DAS системы для обеспечения мониторинга состояния. Так в другом аспекте изобретения описан способ мониторинга состояния конструкций, образующих часть транспортной сети, причем упомянутый способ включает в себя прием множеств сигналов измерения посредством одного или нескольких распределенных акустических датчиков, содержащих одно или несколько оптических волокон, приспособленных для мониторинга упомянутой конструкции; анализ упомянутых сигналов измерения, генерируемых от движения транспорта в транспортной сети вблизи упомянутой конструкции, чтобы выявлять акустические сигналы, связанные с упомянутой конструкцией; и анализ упомянутых акустических сигналов, связанных с упомянутой конструкцией, чтобы обеспечить индикацию любых изменений в состоянии упомянутой конструкции.
Таким образом, упомянутый способ в соответствии с данным аспектом изобретения принимает данные, которые получены посредством DAS, и анализирует такие данные, как описано выше. Данный аспект работает во всех из упомянутых способов и обладает всеми из вышеупомянутых преимуществ, как и первый аспект изобретения.
Аспекты изобретения также относятся к компьютерной программе или машиночитаемому носителю информации, содержащему машиночитаемый код, который при его исполнении на соответствующем вычислительном устройстве реализует любой из вышеописанных способов.
Изобретение также относится к системе распределенного акустического зондирования, содержащей запросный блок для, при его использовании, осуществления распределенного акустического зондирования на одном или нескольких оптических волокнах, приспособленных для мониторинга конструкции транспортной сети, для выдачи сигнала измерения из каждого из множества акустических чувствительных элементов; и процессор, приспособленный для анализа упомянутых сигналов измерения, генерируемых от движения транспорта по транспортной сети вблизи упомянутой конструкции, чтобы выявлять акустические сигналы, связанные с упомянутой конструкцией, и анализа упомянутых акустических сигналов, связанных с упомянутой конструкцией, чтобы обеспечить индикацию любых изменений в состоянии упомянутой конструкции.
Система в соответствии с данным аспектом настоящего изобретения обладает всеми из вышеупомянутых преимуществ и может быть использована во всех из упомянутых способов, как и способы, описанные выше.
Упомянутая система при использовании будет содержать оптическое волокно, приспособленное для мониторинга конструкции, и, по меньшей мере, часть упомянутого оптического волокна может быть размещена вдоль траектории транспортной сети. Упомянутая транспортная сеть может представлять собой железнодорожную сеть, и упомянутая система может быть приспособлена для мониторинга состояния одного или нескольких туннелей в упомянутой сети. Упомянутая система может быть также использована для слежения за движением транспорта в сети и/или для выдачи одного или нескольких сигналов управления для управления движением транспорта в сети. Изобретение также обеспечивает систему управления транспортной сетью, содержащую такую систему распределенного акустического зондирования.
Изобретение будет описано ниже, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых:
Фиг. 1 показывает обычную конструкцию DAS датчика;
Фиг. 2 показывает транспортную сеть, содержащую DAS датчики;
Фиг. 3 показывает данные, полученные из DAS датчика, осуществляющего мониторинг поездов, движущихся на участке пути, включающем в себя туннель;
Фиг. 4 показывает более подробно данные, полученные из DAS датчика от поезда, проходящего через туннель;
Фиг. 5 показывает, как чувствительное волокно может быть размещено в конструкции, подлежащей мониторингу; и
Фиг. 6 показывает данные, полученные из DAS датчика в железнодорожной сети от мониторинга поездов, проходящих через виадук, туннель и мост.
На фиг. 1 показана схема распределенной волоконно-оптической системы зондирования. Кусок чувствительного волокна 104 подсоединен с возможностью удаления к одному концу запросчика 106. Выходной сигнал из запросчика 106 передается в процессор 108 обработки сигналов, который может быть расположен рядом с упомянутым запросчиком или может быть удаленным от него, и, дополнительно, пользовательский интерфейс/графический дисплей 110, который на практике может быть реализован посредством соответствующим образом специализированного ПК. Пользовательский интерфейс может быть расположен рядом с процессором обработки сигналов или может быть удаленным от него.
Чувствительное волокно 104 может быть многокилометровым в длину, например 40 км или более. Чувствительное волокно может представлять собой стандартное немодифицированное одномодовое оптическое волокно, которое обычно используется в телекоммуникационных применениях, без необходимости специально введенных отражательных элементов, таких как волоконные решетки Брэгга или др. Возможность использовать немодифицированный кусок стандартного оптического волокна для обеспечения зондирования означает, что может быть использовано дешевое доступное волокно. Однако в некоторых вариантах осуществления волокно может содержать волокно, которое изготовлено так, чтобы быть особенно чувствительным к падающим вибрациям. Волокно будет предохранено благодаря размещению его с кабельной структурой. При использовании волокно 104 размещают в контролируемой зоне, представляющей интерес.
В процессе работы запросчик 106 вводит в чувствительное волокно запрашивающее электромагнитное излучение, которое, например, может содержать последовательность оптических импульсов, имеющую выбранную схему повторения частот. Упомянутые оптические импульсы могут иметь схему повторения частот, которая описана в патентной публикации GB 2442745, содержание которой включено в данный документ посредством ссылки, хотя также известны и могут быть использованы DAS датчики, основанные на одном запрашивающем импульсе. Отмечается, что используемый в данном документе термин «оптический» не ограничен видимой областью спектра, и оптическое излучение включает в себя инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Как описано в GB 2442745, в результате рэлеевского обратного рассеяния некоторая часть света, введенного в волокно, отражается обратно к запросчику, где она обнаруживается, чтобы выдавать выходной сигнал, который характеризует акустические возмущения вблизи волокна. Поэтому упомянутый запросчик, предпочтительно, содержит по меньшей мере один лазер 112 и по меньшей мере один оптический модулятор 114 для получения множества оптических импульсов, разделяемых посредством известной разности оптических частот. Запросчик содержит также по меньшей мере один фотоприемник 116, приспособленный для обнаружения излучения, которое подвергается рэлеевскому обратному рассеянию от элементов собственного рассеяния внутри волокна 104. DAS датчик на основе рэлеевского обратного рассеяния особенно удобен в вариантах осуществления настоящего изобретения, однако системы на основе бриллюэновского или рамановского рассеяния также известны и могут быть использованы в вариантах осуществления изобретения.
Сигнал из фотоприемника обрабатывается процессором 108 обработки сигналов. Упомянутый процессор обработки сигналов, предпочтительно, осуществляет демодуляцию отраженного сигнала на основе разности частот между оптическими импульсами, например, как описано в GB 2442745. Процессор обработки сигналов может также использовать алгоритм фазовой развертки, который описан в GB 2442745. Таким образом, может осуществляться мониторинг фазы отраженного света от разных участков оптического волокна. Таким образом, могут быть обнаружены любые изменения в эффективной длине оптического пути в заданном участке волокна, например, обусловленные падающими волнами давления, вызывающими натяжение в волокне.
Упомянутый способ оптического ввода и упомянутый способ обнаружения обеспечивают пространственное разрешение одного непрерывного волокна на дискретные продольные чувствительные элементы. То есть, акустический сигнал, воспринятый в одном чувствительном элементе, может выдаваться по существу независимо от воспринятого участка в соседнем элементе. Такой датчик может рассматриваться как полностью распределенный или встроенный датчик, поскольку он использует произведенное собственное рассеяние, присущее оптическому волокну, и таким образом распределяет функцию восприятия по всему оптическому волокну. Пространственное разрешение чувствительных элементов оптического волокна может быть равным, например, приблизительно 10 м, которое при непрерывной длине волокна порядка 40 км обеспечивает примерно 4000 независимых акустических каналов, размещенных вдоль 40 километрового участка транспортной сети, такого как участок железнодорожной сети. Это может обеспечить фактически непрерывный мониторинг всего 40 километрового участка пути. Применительно к мониторингу поездов длина каждого отдельного чувствительного элемента может быть порядка 10 м или меньше.
Поскольку чувствительное оптическое волокно относительно недорогое, чувствительное волокно может быть размещено на участке постоянно, поскольку затраты на укладку волокна на месте незначительные. Волокно может быть размещено около или под путем (или дорогой), например может быть зарыто в землю около участка пути.
На фиг. 2 показан участок транспортной сети, в данном случае железнодорожной сети 201, содержащий оптическое волокно, зарытое в землю вдоль путей. В данном примере упомянутый путь содержит три ветки 202, 203 и 204. Как было упомянуто выше, волоконно-оптическое зондирование может осуществляться в волокнах длиной порядка 40-50 км. Однако для некоторых DAS датчиков может быть трудно надежно воспринимать за пределами 50 км или около того вдоль волокна. Длина 40-50 км может быть достаточной для осуществления мониторинга требуемого участка пути, скажем, между главными станциями, и для мониторинга других участков пути могут быть размещены другие волокна. Для очень длинных путей, возможно, потребуется соединять вместе несколько DAS датчиков. На фиг. 2 показан один запросный блок 106, приспособленный для мониторинга одного оптического волокна 104а, размещенного вдоль части пути (включающей часть веток 202 и 204), и другого оптического волокна 104b, размещенного вдоль другого отрезка пути (ветки 202). Запросный блок может вмещать в себя два лазера и приемники и др., т.е. специальные элементы для каждого волокна или лазера и, возможно, приемник может быть распределен между двумя волокнами. После, например, 40 км волокна 104b может быть размещено другое волокно, мониторинг которого осуществляется посредством другого запросного блока. Таким образом, расстояние между запросными блоками может быть равно приблизительно 80 км. В данном примере мониторинг ветки 203 осуществляется посредством DAS датчика, использующего другое чувствительное волокно 104с, которое соединено с другим запросным блоком (не показанным).
При использовании запросчик функционирует так, как было описано выше, чтобы обеспечить ряд смежных акустических чувствительных каналов вдоль траектории веток пути. При использовании акустические сигналы, генерируемые поездом 205 во время движения вдоль пути 204, могут быть обнаружены и подвергнуты анализу, чтобы определять точное положение и скорость поезда.
Поскольку мониторинг значительного отрезка пути может осуществляться посредством смежных чувствительных элементов волокна, можно относительно просто обнаруживать движение поезда вдоль пути. Очевидно, что движение поезда будет создавать некоторый диапазон шумов, от шума двигателя локомотива, шумов от вагонов поезда и сцепок и шума от колес на пути. Акустические сигналы будут самыми мощными вблизи поезда и соответственно если рассматривать интенсивность сигналов, обнаруживаемых датчиком, то отраженные сигналы от чувствительных элементов волокна рядом с данным участком поезда будут иметь относительно высокую акустическую интенсивность.
Однако варианты осуществления настоящего изобретения могут также использовать акустические сигналы, обнаруживаемые посредством DAS датчика (датчиков), чтобы обеспечить мониторинг состояния конструкции, образующей часть инфраструктуры сети. Такие конструкции, в частности, могут представлять собой туннели, а могут быть также и мосты, насыпи или рвы или др., целостность которых важна для безопасной эксплуатации сети.
На фиг. 2 показана конструкция 206, которая может представлять собой туннель, через который проходит ветка 202 сети. Оптическое волокно 104b также проходит через туннель 206.
Движение поезда 205 по направлению к и через туннель 206 обеспечивает акустическое возбуждение туннеля, которое может быть использовано для определения информации о состоянии туннеля.
На фиг. 3 показаны некоторые акустические данные, полученные в результате осуществления DAS зондирования на оптическом волокне, размещенном вдоль железнодорожного пути, когда поезда двигались по упомянутому пути. На фиг. 3 показана «каскадная диаграмма», в которой показана интенсивность звука от выбора чувствительных каналов во времени. По горизонтальной оси показаны различные смежные каналы от длины волокна. Эти данные были получены при длине канала примерно 15 м. По вертикальной оси показано время с более недавними событиями, показанными вверху. В обычной каскадной диаграмме обнаруженная интенсивность звука может быть показана цветом, однако фиг. 3, очевидно, черно-белый, и интенсивность звука показана посредством интенсивности затушевывания (при этом черный соответствует высокой интенсивности).
На фиг. 3 показана первая серия 301 обнаруженных возмущений, которые вызваны первым поездом, движущимся по контролируемому участку пути. Можно видеть, что возмущения происходят вдоль каналов датчика фактически постоянно, что соответствует поезду, движущемуся с относительно постоянной скоростью. Зная, что в данном примере длина каждого канала датчика равна 15 м, учитывая скорость движения возмущений, можно оценить скорость поезда. Скорость поезда по существу представляет собой градиент серии возмущений.
На фиг. 3 показана также вторая серия возмущений 302, которые происходят позже по времени. Это показывает второй поезд, также движущийся по контролируемому участку пути за первым поездом. Подсчитывая количество каналов, отделяющих два поезда, можно определить расстояние между поездами или интервал между поездами.
Очевидно, что акустическое возмущение, вызванное поездом, является очень интенсивным для некоторого количества чувствительных каналов - которое можно использовать для определения длины поезда - при этом большинство чувствительных каналов возбуждаются только тогда, когда поезд действительно проходит мимо.
При этом очевидно, что в первой серии возмущений 301 существует акустический признак 303, в котором ряд чувствительных каналов проявляют реакцию в течение более длительного периода времени, когда проходит поезд. Аналогичный признак 304 можно также заметить, если рассматривать вторую серию возмущений 302. Эти признаки соответствуют акустической реакции туннеля.
Можно заметить, что когда акустическое возмущение, вызываемое поездом, достигает примерно канала 1075, наблюдается обнаруживаемая реакция от каналов 1075-990. Можно заметить, что данные каналы также проявляют относительно сильную реакцию, пока основное интенсивное возмущение, вызываемое поездом, проходит канал 990, что указывает на то, что интенсивность большинства данных каналов быстро падает до нормальных фоновых уровней. Подобная общая картина наблюдается в обоих признаках 303 и 304.
На фиг. 4 несколько более подробно показана акустическая реакция от другого контролируемого участка пути с чувствительным волокном, проходящим через туннель. Фиг. 4 представляет собой каскадную диаграмму, подобную фиг. 3, на которой показан более короткий участок контролируемого пути, т.е. более подробно показана реакция от каналов. В данной диаграмме поезд, очевидно, движется вдоль пути в направлении увеличения номера канала.
Кроме того, можно заметить, что каналы между положениями 401 (около канала 1798) и 402 (около канала 1910) проявляют продолжительную акустическую реакцию на прохождение поезда. Эти 112 каналов или чувствительных элементов соответствуют участку оптического волокна, проходящему через туннель. Таким образом, длина туннеля равна примерно 1,68 км (при ширине канала или длине чувствительного элемента 15 м).
Можно также заметить, что когда поезд достигает положения 401, вблизи канала 1798, акустический сигнал быстро растягивается вдоль большей части каналов туннеля. При этом очевидно, что некоторые каналы проявляют значительно более сильные реакции по сравнению с другими каналами, например канал, показанный в положении 403 (примерно канал 1831), проявляет относительно более сильную реакцию, чем другие каналы, как до того, как поезд достигает канала, так и после того, как поезд проходит данный канал.
Можно заметить, что возмущения, вызываемые поездом, реально проходящим канал, являются очень высокими, и поэтому любая комбинация в данных от таких каналов обычно забита возмущениями высокой интенсивности. Однако можно заметить, что наблюдается заметная конструкция в акустическом признаке в результате возмущений, обнаруженных до и после прохождения поезда.
Таким образом, акустические реакции от соответствующих каналов, которые получают до и после прохождений поездов, могут быть подвергнуты анализу для обеспечения мониторинга состояния. Например, упомянутые данные могут быть подвергнуты сравнению с данными, полученными ранее, чтобы понять, имеются ли какие-либо значительные изменения. Так, ссылаясь на фиг. 4, если относительно сильная акустическая реакция в канале, показанном в положении 403, не проявилась в любой предыдущей реакции, то это может указывать на то, что в состоянии туннеля на данном участке произошло какое-то значительное изменение. Необходимо отметить, что обнаружение возможной аномалии также обеспечивает индикацию местоположения такой аномалии. Таким образом, группа контроля может быть направлена именно на требуемый участок.
Данные, используемые для сравнения, могут содержать или быть получены из множества ранее полученных акустических реакций. Например, это может быть средняя реакция или возможные несколько средних реакций для разных типов поездов, скоростей, погодных условий и др. Полученные в настоящий момент данные могут быть подвергнуты сравнению с соответствующими предыдущими данными, чтобы обнаружить любые значительные изменения. Если не обнаружено никаких значительных изменений, то полученная в настоящий момент реакция может быть добавлена к совокупности предыдущих данных для использования при сравнении. Если же обнаружены какие-либо значительные изменения, то они могут быть использованы для генерирования предупредительного сигнала в диспетчерский пункт.
Упомянутое сравнение может включать сравнение графика реакций интенсивности от разных чувствительных элементов. Как было упомянуто выше, в реакции, показанной на фиг. 4, можно заметить определенную конструкцию. Кроме того, данные могут быть проанализированы по частоте, чтобы определить характеристические частоты, и/или данные могут быть проанализированы для определения распространения акустических волн вдоль туннеля.
Из фиг. 4 можно заметить, что когда поезд достигает начала туннеля, акустический сигнал распространяется вдоль туннеля с относительно высокой скоростью. Может быть определена скорость распространения и/или могут быть проанализированы сигналы, чтобы обнаружить ожидаемые скорости распространения. Например, если туннель содержит известный материал, то отраженные сигналы могут быть подвергнуты анализу, чтобы обнаружить сигналы, распространяющиеся с такими скоростями.
Необходимо отметить, что скорость распространения акустических сигналов через путевую конструкцию, например туннели, обычно отличается от скорости распространения акустических сигналов по воздуху или по рельсам. Скорость распространения звука может быть использована для определения сигналов, соответствующих упомянутой конструкции.
Приведенное выше описание было сосредоточено на туннелях, однако такие же технологии могут быть использованы для других конструкций, таких как мосты или другие конструкции, образующие портал, или в некоторых случаях другие путевые конструкции. В этом случае чувствительное волокно может быть не просто уложено так, чтобы проходить через туннель, а может быть прикреплено к конструкции.
Конструкция, которую необходимо контролировать, может быть отдельной и обособленной от любой конструкции, такой как сам рельсовый путь, вдоль которого непосредственно движутся транспортные средства.
На фиг. 5 показан пример, в котором участок 501 транспортной сети, такой как железнодорожный путь, содержит чувствительное волокно 502. Первый участок 502а чувствительного волокна размещается так, чтобы проходить вдоль траектории транспортной сети и может быть зарыт в землю вдоль пути, как описано выше. Путь может проходить через конструкцию 503, состояние которой желательно контролировать, например мост. В этом месте оптическое волокно может выходить из земли и может быть размещено так, чтобы осуществлять мониторинг конструкции. Второй участок 502b волокна соответственно может быть приспособлен для прикрепления к конструкции. Как показано на фиг. 5, волокно может быть размещено так, чтобы проходить вдоль моста, и затем расположено в виде возвратной петли. Тогда оставшаяся часть волокна 502с может быть размещена так, чтобы проходить вдоль траектории сети 501.
Участок волокна, который размещается на конструкции, может иметь любую пригодную длину, но может быть выполнен по меньшей мере таким же длинным, как два чувствительных элемента DAS датчика, чтобы гарантировать, что по меньшей мере один чувствительный элемент целиком находится в пределах участка волокна, размещенного на конструкции.
Вообще говоря, волокно может быть прикреплено к конструкции посредством любого пригодного средства, однако в некоторых случаях можно встраивать волокно в материал самой конструкции. Такое волокно может представлять собой специальное волокно для мониторинга конструкции или может также образовать часть мониторинга для транспортной сети.
На фиг. 6а-6с показаны некоторые дополнительные данные, полученные из DAS датчика, содержащего чувствительное волокно, уложенное вдоль железнодорожной сети, поскольку поезда проходят через инфраструктуру железнодорожной сети, а именно виадук, мост и туннель. В каждом случае верхний график показывает каскадную диаграмму интенсивности звука вдоль чувствительных каналов оптического волокна в зависимости от времени (при этом интенсивность изображается цветом в реальном дисплее) наряду с анализом различных элементов, формирующих обнаруживаемые акустические сигналы.
В каждом случае могут быть обнаружены относительно интенсивные сигналы, отдельные от основного шума, связанного с самим поездом, и могут быть обнаружены акустические сигналы, распространяющиеся вверх и вниз по соответствующей конструкции со скоростями распространения, отличающимися от распространения в воздухе или по рельсам.
Те же самые технологии могут быть также применимы к другим транспортным сетям. Например, дорожная сеть может содержать волокно, уложенное вдоль дороги, которое используется для DAS зондирования, и такое волокно может проходить под мостами или через туннели. Может осуществляться мониторинг акустической реакции на транспортный поток, движущийся по дороге. Будет понятно, что движение транспорта по дорогам не может быть таким же рассредоточенным, как движение транспорта по рельсам, поэтому может быть более постоянное возбуждение в периоды загруженных дорог, которое может характеризовать акустическую реакцию конструкции. Однако мониторинг чувствительного волокна посредством DAS может осуществляться непрерывно, и могут быть периоды использования света, например ночью, когда проходит отдельный транспорт, и акустическая реакция может быть определена по аналогии с тем, как описано выше.
Вообще варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают недорогие способы дистанционного мониторинга состояния, который обеспечивает хорошее пространственное покрытие даже для длинных туннелей и т.п. и который использует обычное движение транспорта по сети, чтобы обеспечить акустическое возбуждение конструкции, подвергаемой мониторингу.