一、铁路安全长期实时在线监测的目的及意义
铁路的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要部分，铁路运营安全性一直是关系到经济发展和社会安全的重大问题。随着我国铁路的高速发展，铁路提速、重载运输，特别是高速客运专线，使铁路安全性和可靠性的问题尤为突出，对铁路安全监测工作提出了更高的要求。
为了保障铁路运输的安全与畅通，提高运营效率，为整个国民经济服务，必须保持铁路设备的完好率，尤其是对影响铁路运输能力和行车安全的重要因素---关键设备和运行环境的状态进行实时监控。保障铁路运输安全，提高铁路防灾减灾能力，使铁路安全监测报警技术上升到一个新水平，具有重大的社会意义和经济价值。
二、客专防灾安全监测系统需求分析
高速铁路是当代高新技术的集成，是庞大而复杂的系统工程。在发达国家已占据地面干线交通的主导地位，已成为世界各国铁路的普遍发展趋势。对于高速客专除了要保证机车车辆、供电、线路以及通信信号等设备的安全性外，对各种可能发生的灾害都需要监测。如：
自然灾害：强风、暴雨、大雪、洪水、地震等。
突发性灾害：塌方、落石、异物侵入界限。
轨道安全：轨道变形、路基沉降。
建立防灾安全监测系统，实施全面、准确、实时的安全监测，对各类灾害的原始信息，经过数据处理、分析和判断后，传送至综合调度中心确认和处理。根据灾害的性质和级别，对客专实施预警、或限速、或中止运行以确保行车安全。防灾安全监测系统是综合调度中心不可缺少的一部分，这正是高速铁路与普速铁路的重大区别之一。
三、光纤光栅传感器基于光波长变化的数字测量原理，使其比普通光纤传感技术更为优越，有着极强的生命力和应用前景。近几年应用于土木工程结构的监测，其稳定性好、精度极高和长期可靠。通过许多工程应用实例，证明了光纤光栅传感技术对长期健康监测的巨大推动作用，取得了很多实际应用成果。
把光纤光栅传感技术应用到铁路防灾领域将给铁路防灾监测和安全状况评估将会注入新的活力，为铁路防灾在线长期监测学科的发展带来了契机。这些产品已应用到船舶、军工、水利、高层建筑和大型桥梁等结构的健康监测中，有的已有近10年稳定使用的纪录，光纤光栅传感器的长期稳定性已得到了充分的考证。
四、光纤光栅传感器的优点
光纤光栅传感器是一类新型光纤传感技术，除了具有普通光纤传感器的许多特性外，还有其独特的优点，主要是：
1. 光纤光栅传感器具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，插入损耗低、与光纤兼容等优点，极易埋入到待测物体内部，实现对物体的高精度、无干扰测量。
2. 光纤光栅传感器使用寿命可长达30年、信号可远距离传输（≤20公里），特别适合用于工程长期在线安全监测，尤其是在铁路无人区、无电区以及恶劣的环境下可长期稳定工作。
3. 光纤光栅传感器采用了光的波长编码及解调技术，可实现数字化传感，传感量以光的波长信号形式在光纤中传输，测量结果不受光源波动、传输损耗、设备老化等因素的影响，具有抗雷电等电磁信号干扰的能力。
4. 光纤的信息容量大，在一根光纤上可制备多个甚至数百个光栅探测点，光纤光栅传感器与光纤通信的“波分复用”、“时分复用”和“空分复用”技术相结合，可以形成光纤光栅传感网络，实现对待测物体的分布式测量。
5. 光纤光栅应变传感器能够克服传统的应变电阻或振弦应变仪缺陷：如使用寿命，测量数据的长期稳定性，可靠性，测量精度，远距离测量信号传输，以及网络化多点测量等问题。
2． 落石落物监测
高铁运行速度快，其动能和惯性力大，如有异物侵入线路，列车难以在短时间，短距离内制动停车，因此，落石落物监测也是高铁安全检测的重要部分，重点监测区域一般在山崖下、隧道口附近，特别是公路跨越铁路或公路与高速铁路平行处尤为重要，要防止异物侵入或汽车翻入铁路线。
监测方式一般采用主动或被动防护网，国外通常采用电网形式检测，易受雷电干扰，而且信号不能远传；光纤光栅传感器检测防护网由于落物而产生的应变， 不受电磁干扰影响，信号可以远传20公里，甚至可用于无电区域。
图4
3．轨道变形及轨温监测（如上图4）
高铁开行速度将高于200km/h，甚至到达350 km/h，列车高速运行对轨道应力作用也很大，特别是在弯道区段，在巨大应力作用下将产生轨道变形，同时也将产生明显的热量，夏季高温对无缝长钢轨也有极大的影响，易产生胀轨跑道事故，因此利用光纤光栅温度传感器对轨道温度的监测能够有效的了解轨道的健康状况。
4.铁路特大桥安全监测
大型桥梁的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要部分，桥梁健康监测技术综合反映了一个国家的桥梁建设和管理水平。桥梁的健康状况，也是整个铁路线安全重要的一环；铁路特大桥的在线健康监测，就是要通过对桥梁关键控制截面的应力、变形等参数以及结构的动力特性参数的测试，分析和评估结构的安全可靠性，及时发现问题并适时地维修保养以延长桥梁的使用寿命，防患于未然以保证大桥安全可靠和长久耐用，对人民生命和国家财产负责，确保建桥投资的效益。
监测内容
铁路特大桥长期健康监测通常监测如下内容：
a. 应力测量
主梁关键截面的应力测量；
桥墩关键位置的应力测量。
b. 挠度/线性测量
主梁关键截面（跨中）挠度测量。
c. 环境测量
环境温度的测量，测量主梁关键截面的温度分布，用于在计算应力时的温度补偿；
d. 桥墩位移监测
桩基受力监测；
墩顶倾斜监测；
图5 桥梁健康监测示意图 图6 光纤光栅温度传感器布置于钢筋上的照片
5. 隧道结构安全监测
修筑铁路隧道不但能克服地形、高程障碍等障碍，减少植被破坏，保护生态环境之外，还能改善线形，缩短里程，节约燃料，节省时间，克服落石、坍方、雪崩、雪堆等危害，并带来一定的社会效益。由于隧道是地下工程，因而大大减少了征地，拆迁中遇到的棘手问题，同时隧道开挖的土石方量大大少于明挖，这也减少了废方的数量及工程费用。在运营过程中，隧道交通线不受外界的影响，这在国防建设中也具有重要意义。
2）监测内容
采用光纤光栅智能锚杆和光纤光栅应力/应变传感器，可对隧道周围的岩体结构稳定性、隧道衬砌变形松动及其顶部压力/应力、应变进行连续检测，以图实现铁路隧道的高精度、分布式网络化长期连续健康监测。对可能出现的隧道病害进行准确预测和及时预报，避免经济损失和人员伤亡。
