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近日，清华大学精密仪器系王波课题组以“Laser Interferometry for High-Speed Railway Health Inspection using Telecom Fiber along the Line”为题在Nature Communications期刊发表文章。该研究提出一种利用高铁沿线既有通信光缆实现高速铁路健康实时监测的方法。利用京广高铁北京西站至杜家坎12km线路轨旁通信光缆，构建大尺度光纤干涉仪实验平台，通过对列车行驶振动信号的分布式感知，持续监测高速铁路健康状况。实验中，将12km线路分为30个长度为400米的监测区段，对高铁振动信号持续进行振动定位与逐段统计，形成各区段的振动特征健康谱带。超过一年的监测结果表明，健康轨道区段的振动特征保持稳定，均在该区段健康谱带范围内；而发生微小蠕变变形的轨道区段，振动特征超出该区段健康谱带，并在轨道检修后回归至健康谱带范围内。研究证明了基于既有光纤网络的感知系统可以作为高速铁路健康监测的实时辅助工具，具有建立大规模感知网络的潜力。
技术成果展示
该论文提出一种利用既有光缆进行高速铁路健康监测的方法。高铁列车运行过程中，会激发列车-轨道-桥梁（train-track-bridge, TTB）系统的耦合振动信号，蕴含高铁轨道路基健康信息。针对高速铁路监测里程长，振动幅度大的特点，采用基于光纤中连续光进行传感的激光干涉仪技术。研究团队在京广高铁北京西至杜家坎12公里区段上（如图1所示）构建大尺度激光干涉仪系统，并训练残差神经网络（ResNet）结合长短期记忆网络（LSTM）的深度学习模型，为激光干涉仪探测的高速铁路振动信号附加位置标签（实时高铁振动定位结果如图2所示），从而实现高速铁路沿线的分布式振动监测。
图1. 高速铁路监测实验平台
图2. 高速铁路列车实时定位结果
在高速铁路监测实验平台上，对列车行驶振动信号进行了持续采集、定位、分析。选取振动的平均功率谱密度（A-PSD）作为高速铁路健康状态的监测指标，形成A-PSD健康谱带，并选取有砟桥梁、有砟路基、无砟桥梁、无砟路基四类典型轨道区段的A-PSD进行了展示。监测时长超过14个月，期间经历了季节变化、强降雨与地震等因素影响，上述四个区段的A-PSD均保持稳定（如图3所示），与高速铁路保持健康的状态相符。
图3. 高速铁路区段平均功率谱密度持续监测结果
监测期间，京局高铁工务段对一段发生微小蠕变变形（约3 mm，低于10 mm的铁路维修标准，仍处于健康状态）的轨道实施了检修。对振动监测信号的分析表明，该发生变形的轨道区段，振动的A-PSD特征超出该区段健康谱带，并在轨道检修后回归至健康谱带范围内，如图4所示。类似的变形监测结果，共同证明A-PSD指标对轨道故障具有良好灵敏度。
图4. 高速铁路某区段蠕变变形检修前后监测结果
论文提出的高铁健康监测方法基于高铁沿线既有通信光缆，无需布设专用传感器即可实现长距离分布式感知。基于日常高铁运行的振动信息进行健康监测，显著缩短了高速铁路监测周期，可作为现有高铁监测手段的有效补充。此外，在高铁夜间停运的空窗期内，沿线光缆背景环境安静，具有构建大型分布式传感平台的潜力。课题组基于该监测系统，在高铁空窗期还监测到地震波到达、普铁列车振动等信号，展示了基于既有光缆构建大型分布式传感网络的应用前景。
本工作的完成单位为清华大学精密仪器系、时空信息精密感知技术全国重点实验室、光子测控技术教育部重点实验室。清华大学精仪系博士毕业生王贯和2024级博士研究生宋东芪为共同第一作者。清华大学精密仪器系王波副教授为论文通讯作者。清华大学博士研究生庞众望、王芳敏、戴鸿飞、李汶林为本工作作出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华大学自主科研项目等的资助。感谢中国铁路北京局集团有限公司通信段和工务段，以及北京共建恒业通信技术有限责任公司为本研究提供的便利条件。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59507-6
来源：清华大学精密仪器系返回搜狐，查看更多
