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近日，清華大學精密儀器系王波課題組以“Laser Interferometry for High-Speed Railway Health Inspection using Telecom Fiber along the Line”為題在Nature Communications期刊發(fā)表文章。該研究提出一種利用高鐵沿線既有通信光纜實現(xiàn)高速鐵路健康實時監(jiān)測的方法。利用京廣高鐵北京西站至杜家坎12km線路軌旁通信光纜，構(gòu)建大尺度光纖干涉儀實驗平臺，通過對列車行駛振動信號的分布式感知，持續(xù)監(jiān)測高速鐵路健康狀況。實驗中，將12km線路分為30個長度為400米的監(jiān)測區(qū)段，對高鐵振動信號持續(xù)進行振動定位與逐段統(tǒng)計，形成各區(qū)段的振動特征健康譜帶。超過一年的監(jiān)測結(jié)果表明，健康軌道區(qū)段的振動特征保持穩(wěn)定，均在該區(qū)段健康譜帶范圍內(nèi)；而發(fā)生微小蠕變變形的軌道區(qū)段，振動特征超出該區(qū)段健康譜帶，并在軌道檢修后回歸至健康譜帶范圍內(nèi)。研究證明了基于既有光纖網(wǎng)絡(luò)的感知系統(tǒng)可以作為高速鐵路健康監(jiān)測的實時輔助工具，具有建立大規(guī)模感知網(wǎng)絡(luò)的潛力。

技術(shù)成果展示

該論文提出一種利用既有光纜進行高速鐵路健康監(jiān)測的方法。高鐵列車運行過程中，會激發(fā)列車-軌道-橋梁（train-track-bridge, TTB）系統(tǒng)的耦合振動信號，蘊含高鐵軌道路基健康信息。針對高速鐵路監(jiān)測里程長，振動幅度大的特點，采用基于光纖中連續(xù)光進行傳感的激光干涉儀技術(shù)。研究團隊在京廣高鐵北京西至杜家坎12公里區(qū)段上（如圖1所示）構(gòu)建大尺度激光干涉儀系統(tǒng)，并訓練殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ResNet）結(jié)合長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的深度學習模型，為激光干涉儀探測的高速鐵路振動信號附加位置標簽（實時高鐵振動定位結(jié)果如圖2所示），從而實現(xiàn)高速鐵路沿線的分布式振動監(jiān)測。

圖1. 高速鐵路監(jiān)測實驗平臺

圖2. 高速鐵路列車實時定位結(jié)果

在高速鐵路監(jiān)測實驗平臺上，對列車行駛振動信號進行了持續(xù)采集、定位、分析。選取振動的平均功率譜密度（A-PSD）作為高速鐵路健康狀態(tài)的監(jiān)測指標，形成A-PSD健康譜帶，并選取有砟橋梁、有砟路基、無砟橋梁、無砟路基四類典型軌道區(qū)段的A-PSD進行了展示。監(jiān)測時長超過14個月，期間經(jīng)歷了季節(jié)變化、強降雨與地震等因素影響，上述四個區(qū)段的A-PSD均保持穩(wěn)定（如圖3所示），與高速鐵路保持健康的狀態(tài)相符。

圖3. 高速鐵路區(qū)段平均功率譜密度持續(xù)監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測期間，京局高鐵工務(wù)段對一段發(fā)生微小蠕變變形（約3 mm，低于10 mm的鐵路維修標準，仍處于健康狀態(tài)）的軌道實施了檢修。對振動監(jiān)測信號的分析表明，該發(fā)生變形的軌道區(qū)段，振動的A-PSD特征超出該區(qū)段健康譜帶，并在軌道檢修后回歸至健康譜帶范圍內(nèi)，如圖4所示。類似的變形監(jiān)測結(jié)果，共同證明A-PSD指標對軌道故障具有良好靈敏度。

圖4. 高速鐵路某區(qū)段蠕變變形檢修前后監(jiān)測結(jié)果

論文提出的高鐵健康監(jiān)測方法基于高鐵沿線既有通信光纜，無需布設(shè)專用傳感器即可實現(xiàn)長距離分布式感知。基于日常高鐵運行的振動信息進行健康監(jiān)測，顯著縮短了高速鐵路監(jiān)測周期，可作為現(xiàn)有高鐵監(jiān)測手段的有效補充。此外，在高鐵夜間停運的空窗期內(nèi)，沿線光纜背景環(huán)境安靜，具有構(gòu)建大型分布式傳感平臺的潛力。課題組基于該監(jiān)測系統(tǒng)，在高鐵空窗期還監(jiān)測到地震波到達、普鐵列車振動等信號，展示了基于既有光纜構(gòu)建大型分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。

本工作的完成單位為清華大學精密儀器系、時空信息精密感知技術(shù)全國重點實驗室、光子測控技術(shù)教育部重點實驗室。清華大學精儀系博士畢業(yè)生王貫和2024級博士研究生宋東芪為共同第一作者。清華大學精密儀器系王波副教授為論文通訊作者。清華大學博士研究生龐眾望、王芳敏、戴鴻飛、李汶林為本工作作出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、清華大學自主科研項目等的資助。感謝中國鐵路北京局集團有限公司通信段和工務(wù)段，以及北京共建恒業(yè)通信技術(shù)有限責任公司為本研究提供的便利條件。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-59507-6

來源：清華大學精密儀器系

編輯：詹宇清

初審：陳晨

終審：許晶