非侵入式轨道贴附分布式光纤列车监测预警方法及系统与流程

本发明涉及铁路安全预警，特别涉及非侵入式轨道贴附分布式光纤列车监测预警方法及系统。

背景技术：

1、当前市场上现有的铁路施工安全预警设备存在显著的技术缺陷和应用场景局限，难以满足铁路施工人员对安全预警的核心需求。具体表现在以下几个方面：

2、第一，现有产品高度依赖通信基础设施，存在严重的使用盲区。目前主流的预警设备如lbj防护预警信息接收器、北斗定位预警装置等，其工作原理依赖于铁路通信网络和卫星定位系统。在隧道、桥梁、偏远山区等信号覆盖薄弱或完全无信号的区域，这类设备完全失效，而这些恰恰是施工安全事故的高发区域。根据行业调研数据显示，超过60%的铁路施工事故发生在通信信号覆盖不佳的区段，现有技术方案无法为施工人员提供全天候、全地域的安全保障。

3、第二，依赖调度网络的固定预警系统存在单点故障风险。例如，许多道口信号机或栏木系统高度依赖轨道电路或中央调度网络进行列车定位和预警触发，一旦调度系统故障、通信延迟或网络中断，即可能导致预警失效或误报；在无调度覆盖的支线、偏远线路或临时工区，这些系统往往无法独立运行，部署和维护依赖性强，灵活性差。这类系统本质上是铁路运营系统的延伸，而非为施工人员量身定制的安全防护设备，无法适应施工场景的流动性和临时性需求。

4、第三，光学与声学探测技术受环境制约严重。采用激光雷达、红外摄像或视觉传感器的非接触检测系统，虽然能实现一定距离的列车或障碍物识别，但严重受天气条件影响（如雨、雾、雪、强光），会导致检测距离大幅缩短、信号散射或完全失效；在铁路弯曲段，由于直线视距限制，无法有效探测曲线外驶来的列车，存在显著检测盲区，易造成漏检。

5、第四，固定式监测系统成本高昂且部署复杂，无法适应临时施工场景。诸如分布式振动光纤系统、轨道电路检测装置等专业监测设备，虽然具备一定的预警能力，但其安装需要专业施工队伍、复杂的布线工程和长时间的调试周期。一套完整的固定式监测系统安装成本高达数十万元，且需要数小时甚至数天的部署时间，完全无法满足铁路施工“天窗期”短、作业点频繁变动的实际需求。

6、第五，传统预警装置功能单一，无法提供精准的列车运行状态信息。现有的机械式预警器、声光报警装置等产品，只能提供简单的“有车/无车”二元判断，无法准确预测列车的行驶方向、实时速度、距离传感器的具体位置以及到达时间等关键参数。施工人员无法根据这些粗略的预警信息做出科学的撤离决策，往往导致过早撤离影响施工效率，或过晚撤离危及人身安全。缺乏精准的定量预警能力是现有技术的最大短板。

7、第六，缺乏自适应校准能力，无法适应不同轨道条件。现有振动检测设备通常采用固定的参数设置，无法根据轨道类型、温度变化、载荷条件等实时调整检测参数。不同区段的轨道振动特性差异显著，固定参数的设备在新铺设轨道、维修后轨道或特殊地质条件下的轨道上工作时，误报率和漏报率急剧上升，无法提供稳定可靠的预警服务。这种“一刀切”的技术方案严重制约了设备的实用性和推广价值。

8、第七，系统集成度低，维护成本高。现有预警系统往往由多个独立设备组成（如传感器、处理器、通信模块、报警装置等），系统集成度低，故障点众多。设备需要定期校准、维护和升级，而铁路施工环境恶劣，设备易受灰尘、雨水、振动等影响，维护成本高昂。对于施工班组而言，缺乏专业维护能力，设备一旦故障即完全丧失防护功能，安全风险极大。

9、综上所述，现有铁路施工安全预警技术存在依赖通信网络、调度系统单点故障风险、环境适应性差、部署复杂、功能单一、续航不足、适应性差、维护困难等多重核心缺陷，无法为铁路施工人员提供及时、精准、可靠、便捷的安全保障。市场亟需一种不依赖外部基础设施、快速部署、精准预警、不受地形气象影响、操作简单、成本低廉的创新型安全预警解决方案，以填补当前技术空白，切实保障铁路施工人员的生命安全。

技术实现思路

1、本发明目的是提供非侵入式轨道贴附分布式光纤列车监测预警方法及系统，解决现有技术中存在的上述问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、非侵入式轨道贴附分布式光纤列车监测预警方法，包括如下步骤：

4、步骤s01：在上行内轨和/或下行内轨的内侧地面处，沿轨道延伸方向连续按预设距离间隔布置第一振动采样点和第二振动采样点；

5、步骤s02：基于和的触发顺序和时间，获取列车驶向，并计算时间差和等效视波速；

6、步骤s03：通过或采集的振动时序信号，反演列车瞬时速度、距振动采样点距离以及预计到达时间。

7、本发明的有益效果是：本发明提出的方法，通过创新性的"双振动采样点动态校准+单振动采样点精准监测"技术架构，彻底解决了现有铁路施工安全预警技术的核心缺陷，为施工人员提供了安全保障；另外，本方案能够与铁路局现有的监测设备同时使用，当现有监测设备失灵时，能够作为保底设备继续发挥预警作用。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

9、进一步，步骤s02具体包括如下步骤：

10、步骤s21：对和的信号进行实时监测与阈值触发检测；利用信号的峭度与能量熵作为特征触发器；当检测到非高斯冲击信号时，主从节点进入相位同步采集模式，系统进入高频同步采集模式；

11、步骤s22：记录和的首次触发时间戳分别为和，计算触发时间差；

12、步骤s23：计算当前的等效视波速；

13、步骤s24：根据触发先后顺序判断列车行进方向：

14、若先触发，即<，则列车沿至方向行驶，定义为正向行驶；

15、若先触发，即<，则列车沿至方向行驶，定义为反向行驶。

16、采用上述进一步的有益效果是：本发明在列车监测初期采用双振动采样点模式，实现对系统等效视波速的原位实时标定。该标定过程将列车振动波在“钢轨-轨枕-道床-地表”复杂多径介质中的传播视为黑盒传递函数。该标定过程无需预设波速值，也无需额外校准设备，可自动适应当前轨道状态（如温度、材质、紧固度等影响因素），显著提升后续单振动采样点参数反演的精度。

17、进一步，步骤s02还包括：

18、步骤s25：等效视波速标定完成后，系统切换至单振动采样点监测模式，保留靠近施工区一侧通道作为主监测点，停止对另一侧通道的大数据量运算。

19、采用上述进一步的有益效果是：以降低整体功耗。

20、进一步，步骤s23还包括：

21、采集多组触发时间差样本，采用最小二乘优化等效视波速：

22、。

23、进一步，步骤s03具体包括如下步骤：

24、步骤s31：基于迭代匹配同步挤压小波变换方法，结合快速kurtogram滤波与自注意力特征编码网络，对采集的振动时序信号进行高分辨率的多维特征同步提取，输出融合特征向量；

25、步骤s32：基于融合特征向量，建立扩展物理模型进行联合反演，耦合求解出列车瞬时速度、距振动采样点距离以及预计到达时间。

26、进一步，步骤s31具体包括如下步骤：

27、步骤s311：基于同步挤压小波变换方法，获得高分辨率时频谱图，其迭代更新公式为：

28、；

29、式中，为迭代步；为匹配步长；为morlet母小波窗函数；为噪声补偿余项；为高斯白噪声估计模型；为噪声补偿修正系数；时频谱图代表信号在第次迭代下的时频能量分布；

30、步骤s312：通过功率倒谱主峰检测结合谐波验证，计算出瞬时冲击频率，公式为：

31、；

32、式中，为功率倒谱函数，，加入高阶谐波导数余项，为高阶谐波特征的经验补偿权重;为谐波阶数；

33、步骤s313：考虑非线性饱和效应，计算非线性短时能量：

34、；

35、式中，为滑动窗口内的离散采样点总数；为环境耦合修正函数；

36、步骤s314：系统自适应寻优提取信噪比最高的相对高低频段宏观瑞利面波，提取宏观面波的频散时间差：

37、；

38、其中，和分别代表低频段和高频段面波能量包络到达传感器的绝对时间；

39、步骤s315：通过自注意力特征编码网络对提取的高分辨率时频谱图、瞬时冲击频率、非线性短时能量以及频散时间差进行特征融合，输出融合特征向量。

40、采用上述进一步的有益效果是：提取后，这些特征通过自注意力特征编码网络（sa-fen）进行融合学习，输出融合向量用于下游反演，进一步强化特征间的物理互补性（如能量衰减率与频散时间差的负相关）。该多维提取方法在噪声信噪比低至5db的条件下，仍保持特征分辨率提升30%以上，显著优于传统stft或纯小波分析。

41、进一步，步骤s32具体包括如下步骤：

42、步骤s321：基于瞬时冲击频率直接映射估计瞬时速度：

43、；

44、式中，为预存的转向架中心距；

45、步骤s322：利用阶段一标定的动态修正阻尼系数与几何衰减指数，构建对数能量方程：

46、；

47、式中，为能量衰减基础距离估计，为震源初始参照能量；

48、步骤s323：基于波的频散特性反算列车距离，即频散路径距离估计，计算公式如下：

49、 ；

50、式中，群速度代表不同频段下包含多个频率成分的波包整体能量的传播速度，该模型由等效视波速进行缩放初始化；

51、步骤s324：通过当前局部信噪比动态分配权重，联合求解最终距离估计：

52、；

53、式中，和分别为能量衰减路径与频散效应路径的融合权重，且满足；

54、步骤s325：基于运动学方程的一阶泰勒逼近构建补偿预测模型，预测预计到达时间：

55、；

56、式中，为列车瞬时加速度；为工程经验安全补偿算子。

57、采用上述进一步的有益效果是：本发明将“列车-轨道-地表”的复合振动传导视为多级介质耦合传播的逆问题，通过联合反演能量衰减路径与宏观面波频散路径，并引入动态权重分配与运动学补偿机制，确保参数估计的全局最优与概率置信度。

58、进一步，步骤s03还包括：

59、对原始的振动时序信号进行预处理，预处理方式包括基于kurtogram的自适应带通滤波。

60、采用上述进一步的有益效果是：以隔离主导模态并抑制背景噪声。

61、进一步，还包括如下步骤：

62、步骤s04：实时计算能量衰减梯度与频散增长梯度的理论匹配度，滤除非列车的干扰因素；

63、步骤s04具体包括如下步骤：

64、步骤s41：系统实时计算校验判定算子，计算公式如下：

65、；

66、若超出系统允许的理论物理误差阈值，判定当前振动源为非列车干扰，系统自动抑制该帧输出；

67、步骤s42：当列车驶离振动采样点后，捕获具有极高信噪比的衰减尾迹信号，执行反向最小二乘优化，更新轨道环境阻尼参数，公式如下：

68、；

69、式中，为实测的尾迹能量衰减序列，为基于已知驶离速度反推的基准空间确切距离。

70、采用上述进一步的有益效果是：当列车驶离振动采样点后，系统利用具有高信噪比的衰减尾迹信号，结合已知的时间-速度关系，执行反向最小二乘优化，利用该过程更新模型参数库，使得系统越用越准，能够自动适应钢轨老化或扣件松动带来的参数长期漂移。

71、本发明还公开了非侵入式轨道贴附分布式光纤列车监测预警系统，包括传感光纤和das主机；das主机内设置有窄线宽激光光源、相干探测模块、高速信号处理单元以及边缘计算模块；窄线宽激光光源通过相干探测模块与传感光纤的光路连接，相干探测模块通过高速信号处理单元与边缘计算模块电连接；

72、传感光纤的两端分别为第一振动采样点和第二振动采样点，传感光纤的一端通过跳线接入das主机；

73、边缘计算模块，用于执行如上述的列车监测预警方法，以计算列车瞬时速度、距振动采样点距离以及预计到达时间。