薛英博 雒崇安 杜鵑 婁占磊 魏晨

摘 ?要：傳統(tǒng)堤防變形和滲漏監(jiān)測(cè)，均有一定程度的滯后性，無(wú)法在變形和滲漏發(fā)展初期及時(shí)判斷預(yù)警。利用光纖對(duì)變形、溫度敏感的特點(diǎn)，可用于及時(shí)判斷堤防變形和滲漏點(diǎn)位置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形和滲漏發(fā)展過(guò)程。通過(guò)大數(shù)據(jù)及智能分析技術(shù)，在警情發(fā)展初期預(yù)測(cè)滲漏的發(fā)展，快速準(zhǔn)確定位堤防變形和滲漏的發(fā)生位置、判斷發(fā)展程度，在堤防管理、河湖管理中均能起到重要的作用。

關(guān)鍵詞：光纖傳感;堤防變形和滲漏;大數(shù)據(jù);智能分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0124-03

Abstract： The traditional dike deformation and leakage monitoring have a certain degree of lag， so it is impossible to judge the early warning in the early stage of the development of deformation and leakage. Taking advantage of the sensitivity of optical fiber to deformation and temperature， it can be used to judge the location of dike deformation and leakage point in time， and to monitor the development process of deformation and leakage in real time. Through big data and intelligent analysis technology， it can predict the development of leakage in the early stage of alarm development， quickly and accurately locate the location of dike deformation and leakage， and judge the degree of development， which can play an important role in dike management and river and lake management.

Keywords： optical fiber sensing; dike deformation and leakage; big data; intelligent analysis

1 概述

傳統(tǒng)堤防變形和滲漏監(jiān)測(cè)，均有一定程度的滯后性，無(wú)法在變形和滲漏發(fā)展初期及時(shí)判斷預(yù)警。變形監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)設(shè)備普遍采用引張線和靜力水準(zhǔn)，引張線測(cè)量水平位移、靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量垂直位移，特點(diǎn)是精度較高mm級(jí)別，但造價(jià)高，維護(hù)要求高，容易雷擊、老化、容易損壞，限于費(fèi)用和管理技術(shù)水平難以大規(guī)模推廣。滲漏監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方式是在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)建設(shè)滲壓管，由安裝在滲壓管中的滲壓計(jì)測(cè)量滲透壓力。目前國(guó)產(chǎn)滲壓計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳、易損壞，進(jìn)口設(shè)備較昂貴，滲壓計(jì)損壞是目前水利工程運(yùn)行管理中普遍存在的問(wèn)題。

光纖光柵傳感技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無(wú)源傳感技術(shù)。光纖光柵是一種衍射光柵，光信號(hào)傳播時(shí)，光纖光柵有選擇性地將光波進(jìn)行反射，而其他光波不受影響。光纖光柵的返回光波長(zhǎng)受外界參量狀態(tài)變化的影響，借助光器件實(shí)現(xiàn)返回光信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的監(jiān)測(cè)。

2 光纖預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)

利用光纖對(duì)變形、溫度敏感的特點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用研究，可用于及時(shí)判斷堤防變形和滲漏點(diǎn)位置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形和滲漏發(fā)展過(guò)程，變形滲漏發(fā)生時(shí)能及時(shí)預(yù)警。有了預(yù)警數(shù)據(jù)后，通過(guò)大數(shù)據(jù)及智能分析技術(shù)，在警情發(fā)展初期預(yù)測(cè)滲漏的發(fā)展，快速準(zhǔn)確地定位堤防變形和滲漏的發(fā)生位置、判斷發(fā)展程度，在堤防管理、河湖管理中均能起到重要的作用。

預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光纖光柵感知設(shè)備、光纖光柵信號(hào)處理器、智能分析和伺服系統(tǒng)等。在預(yù)警系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的變形、滲透檢測(cè)的感知設(shè)備主要包括光纖光柵單點(diǎn)位移計(jì)、光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器、光纖光柵滲壓計(jì)、光纖光柵傾斜計(jì)等。

2.1 框架數(shù)據(jù)流程

光纖光柵感知設(shè)備在感知到遠(yuǎn)端被測(cè)量變化時(shí)，將引起波長(zhǎng)的變化，波長(zhǎng)變化傳遞給光纖光柵信號(hào)處理器;光纖光柵信號(hào)處理器是系統(tǒng)的核心部件，主要對(duì)傳感器返回的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、物理量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算;智能分析模塊含有AI智能芯片，進(jìn)行目標(biāo)智能檢測(cè)和識(shí)別，并將檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對(duì)智能分析結(jié)果進(jìn)行信息疊加和處理工作，根據(jù)預(yù)警規(guī)則參數(shù)對(duì)檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警識(shí)別判定，并將檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)、光纖信息數(shù)據(jù)、預(yù)警信息數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置信息等進(jìn)行信息合成疊加處理，發(fā)送給數(shù)據(jù)通信模塊;數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)信息以及控制指令進(jìn)行通訊傳輸。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)變形、滲漏的智能化、精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)性檢測(cè)和識(shí)別，其設(shè)計(jì)主要集中在光纖光柵感知模塊和光纖光柵信號(hào)處理模塊。

（1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如下：

a.光纖光柵感知：由發(fā)光源產(chǎn)生入射光，進(jìn)入光纖光柵傳感器，由于光纖光柵的波長(zhǎng)選擇性作用，滿(mǎn)足反射條件的光將被反射回到光柵解調(diào)模塊。光纖光柵傳感器置于監(jiān)測(cè)區(qū)域中，當(dāng)被測(cè)量（溫度、壓力或應(yīng)力等）發(fā)生變化時(shí)，光柵自身的柵距隨之發(fā)生變化，從而引起反射波長(zhǎng)的變化，被測(cè)量變化與波長(zhǎng)呈線性關(guān)系。

b.光纖光柵解調(diào)：包括光柵解調(diào)模塊及其驅(qū)動(dòng)電路。光纖光柵解調(diào)模塊可提供光纖光柵傳感器的實(shí)時(shí)光譜檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的變化推導(dǎo)出外界溫度、壓力或應(yīng)力。

c.智能分析：解調(diào)后數(shù)據(jù)傳輸至智能分析模塊，目標(biāo)智能識(shí)別算法部署在AI智能芯片上;通過(guò)智能分析技術(shù)得出光纖光柵傳感器采集到的結(jié)果類(lèi)型、數(shù)值、位置等信息。

d.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)預(yù)警規(guī)則參數(shù)對(duì)檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警識(shí)別判定，并將檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)、光纖信息數(shù)據(jù)、預(yù)警信息數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置信息等進(jìn)行信息合成疊加處理。若監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閥值，則通過(guò)各種方式及時(shí)通知相關(guān)的管理機(jī)構(gòu)。

（2）在系統(tǒng)中涉及到的智能分析較多，例如水平位移、垂直位移、裂縫、滲漏等，都以智能分析技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合多種智能分析算法，達(dá)到智能化功能的目的。對(duì)于光纖光柵的智能化分析主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)智能識(shí)別單元。主要方法是分析應(yīng)變目標(biāo)造成的光波長(zhǎng)變化特征，例如：應(yīng)變-溫度耦合，長(zhǎng)距離傳輸光衰問(wèn)題，精準(zhǔn)特征不明顯等。光纖光柵作為應(yīng)變傳感器應(yīng)用時(shí)，其應(yīng)變一溫度耦合作用必須考慮，系統(tǒng)在光纖光柵應(yīng)變傳感器相同的溫度場(chǎng)內(nèi)布設(shè)光纖光柵溫度傳感器，用該溫度傳感器來(lái)對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)預(yù)處理后的信息進(jìn)行分析，先由光纖光柵傳感模塊進(jìn)行物理量檢測(cè)，可以快速檢測(cè)出要識(shí)別的目標(biāo)，然后將目標(biāo)信息發(fā)送給目標(biāo)識(shí)別單元，加載智能分析網(wǎng)絡(luò)模塊，準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)信息。該方法不僅提升了目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的速度，保證了實(shí)時(shí)性，還縮小了目標(biāo)信息范圍，使準(zhǔn)確性也得到了保障。

目標(biāo)智能識(shí)別單元基于智能分析算法實(shí)現(xiàn)，智能分析網(wǎng)絡(luò)框架部署在AI芯片上，可以加載智能分析目標(biāo)智能識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種目標(biāo)的智能分類(lèi)和識(shí)別，例如：水平位移、垂直位移、裂縫、滲漏等。

模式識(shí)別主要應(yīng)用隨機(jī)森林算法實(shí)現(xiàn)，流程如下：a.選取堤防實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集。b.比較不同參數(shù)下的OOB誤差，選取OOB誤差最小時(shí)的mtry和ntree值作為模型最優(yōu)參數(shù)值。c.根據(jù)最優(yōu)

mtry和ntree參數(shù)值利用訓(xùn)練樣本構(gòu)建模型，訓(xùn)練完成后對(duì)測(cè)試集進(jìn)行預(yù)測(cè)。

其中實(shí)現(xiàn)方式如下：第一是對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)集進(jìn)行目標(biāo)分類(lèi)提取，從數(shù)據(jù)集中移除不需要的目標(biāo)，只留下已標(biāo)注好的目標(biāo)數(shù)據(jù)集，并將數(shù)據(jù)集按照7：3比例生成新的訓(xùn)練集和測(cè)試集;第二是利用分類(lèi)數(shù)據(jù)集和分類(lèi)訓(xùn)練模型進(jìn)行訓(xùn)練：a.加載Imagenet上預(yù)先訓(xùn)練好的權(quán)重作為初始化參數(shù)

值;b.修改配置文件中目標(biāo)類(lèi)別數(shù)、訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集路

徑、目標(biāo)對(duì)應(yīng)類(lèi)別名;c.通過(guò)前向傳播獲取目標(biāo)分類(lèi)結(jié)果，然后對(duì)比實(shí)際樣本值計(jì)算損失，再根據(jù)誤差值和設(shè)定的學(xué)習(xí)率進(jìn)行反向傳播來(lái)更新模型參數(shù)，以此種方式進(jìn)行迭代訓(xùn)練，直到網(wǎng)絡(luò)收斂或達(dá)到設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)，得到目標(biāo)的分類(lèi)模型。

本發(fā)明有效地解決了水利工程中堤防變形、滲漏的預(yù)警、監(jiān)測(cè)問(wèn)題。光纖光柵傳感技術(shù)的大容量、多參量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍匦钥烧嬲龑?shí)現(xiàn)廣域分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能有效定量監(jiān)測(cè)堤防邊坡的滑移、受力、滲漏等影響安全狀態(tài)的參數(shù)。它不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警、報(bào)警堤防安全隱患，還可以全程記錄堤防危害發(fā)生、發(fā)展的整個(gè)孕育變化過(guò)程，為科技技術(shù)人員理解堤防病害成因、對(duì)堤防固化防治提供更直觀的數(shù)據(jù)支持。

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