方 明

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴州 貴陽(yáng) 550081)

電纜隧道屬于地下隱蔽設(shè)備，因?yàn)槭姓ㄔO(shè)需要，大型機(jī)械會(huì)在電纜隧道周邊持續(xù)、頻繁施工，對(duì)電纜隧道結(jié)構(gòu)造成極大的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致地表坍塌等重大事故，基于光纖傳感技術(shù)的電纜防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到重點(diǎn)電力管線運(yùn)維中[1]。20世紀(jì)末，澳大利亞FFT公司推出基于Mach-Zehnder干涉的光纖震動(dòng)傳感器系統(tǒng)，美國(guó)Fiber Sensys公司推出基于薩格納克干涉技術(shù)的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)[2-3]。本文運(yùn)用分布式光纖傳感器對(duì)城區(qū)電纜管廊進(jìn)行監(jiān)控，將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，在降低外力破壞誤判率的同時(shí)，明確造成震動(dòng)的事件源，建立電纜管廊防外力破壞的智能預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警[4]。本文研究的防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提升風(fēng)險(xiǎn)定位準(zhǔn)確率，其算法具有通用性，可以在其他行業(yè)和領(lǐng)域推廣。

1 城區(qū)電纜管廊防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)工作思路

城區(qū)電纜管廊防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了光纖傳感技術(shù)原理，傳輸介質(zhì)折射率的不均勻會(huì)導(dǎo)致光在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利散射，利用瑞利散射光探測(cè)光纖中的擾動(dòng)信息，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖周?chē)蓴_的檢測(cè)，確定外界干擾的位置[5]。將地下管廊內(nèi)壁鋪設(shè)的傳感光纜作為震動(dòng)檢測(cè)傳感器，在管廊遭受到外部安全威脅但未造成實(shí)際影響后果(泄漏、斷裂等)時(shí)，對(duì)可能危害管廊安全的破壞事件進(jìn)行預(yù)警識(shí)別和定位[6]。圖1所示為系統(tǒng)工作示意圖。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

1.2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)及原理

采用分布式光纖系統(tǒng)采集到入侵震動(dòng)信號(hào)后，需要先進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)預(yù)處理消除外部噪聲帶來(lái)的影響，判斷震動(dòng)信號(hào)，篩選有效信號(hào)片段[7]。震動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)機(jī)制如圖2所示。

圖2 震動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)機(jī)制

光纖傳感器包括激光源、入射和出射光纖、光電探測(cè)器、解調(diào)器等部分。當(dāng)光源發(fā)射的光通過(guò)入射光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，光和溫度、震動(dòng)、壓力等外界測(cè)量參數(shù)相互作用，使其光學(xué)特性發(fā)生變化，形成被調(diào)制的信號(hào)光，然后通過(guò)出射光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器和調(diào)節(jié)器以完成物理量監(jiān)測(cè)。

假設(shè)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，出射光波相位φ表示為：

(1)

式中：t為時(shí)間；c為光速；n為光纖折射率；λ0為光在真空中傳播的波長(zhǎng)；β為傳播常數(shù)。如果有外力作用在光纖上，那么出射光波相位將發(fā)生改變，相位改變量Δφ和光纖長(zhǎng)度改變量ΔL分別為：

Δφ=βΔL+ΔβL

(2)

ΔL=εZL

(3)

式中：βΔL為縱向應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致光纖長(zhǎng)度變化而造成的相位滯后量；εZ為光纖縱向應(yīng)變量；Δβ包含彈光效應(yīng)導(dǎo)致光纖芯折射率變化帶來(lái)的相位延遲，以及泊松效應(yīng)導(dǎo)致光纖直徑D變化帶來(lái)的相位延遲。總相位變化LΔβ表示為：

(4)

式中：Δn為光纖折射率變化量；ΔD為光纖直徑變化量。

傳播常數(shù)β=nk0，其中k0表示真空中光的傳播常數(shù)。由于泊松效應(yīng)帶來(lái)的相位延遲非常小，因此Δφ可表示為：

Δφ=βεZL+Lk0Δn

(5)

(6)

式中:Pij為彈光系數(shù)張量矩陣；εj為應(yīng)變張量。

如果光纖上有外力作用，那么在X,Y,Z軸方向的正應(yīng)變矢量ε可以表示為：

(7)

用E表示光纖楊氏模量，μ表示泊松系數(shù)，P表示外部作用力，則：

(8)

(9)

(10)

由式(10)可知，如果光纖的各項(xiàng)參數(shù)維持不變，那么只有外部作用力P的變化會(huì)影響相位變化，通過(guò)檢測(cè)相位變化值就能夠判斷光纖的受力情況。

1.3 電纜防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

城區(qū)電纜管廊防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括6個(gè)部分，分別是光傳感模塊、信號(hào)處理模塊、系統(tǒng)管理與通信模塊、監(jiān)控模塊、電源模塊、機(jī)箱平臺(tái)。為預(yù)防線路破壞事故的發(fā)生，保證管廊安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行感知和識(shí)別，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析和數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位和風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)確評(píng)估。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控模塊放置在機(jī)房中，傳感光纜鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)需要檢測(cè)的位置。如果外界發(fā)生震動(dòng)，那么瑞利散射光相位發(fā)生變化，攜帶外界信號(hào)的信號(hào)光反射到系統(tǒng)主機(jī)時(shí)，通過(guò)光纖干涉儀的處理，即使是微弱的相位變化也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)度的變化。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集后，就可以通過(guò)信號(hào)識(shí)別和處理判斷破壞威脅。

2 外力破壞入侵信號(hào)檢測(cè)及處理

2.1 入侵震動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理

考慮系統(tǒng)分析實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等問(wèn)題，一次信號(hào)處理的時(shí)間長(zhǎng)度要合理，以確保實(shí)時(shí)預(yù)警能力符合要求。本文選擇的數(shù)據(jù)段時(shí)長(zhǎng)為2 s，將該段時(shí)間內(nèi)的信息作為待分析數(shù)據(jù)段。正常信號(hào)的波形是在0點(diǎn)上下漂移變化的，風(fēng)鎬信號(hào)是利用高沖擊作用破碎堅(jiān)硬物體時(shí)采集到的信號(hào)，信號(hào)震動(dòng)非常劇烈，頻率比較高。打樁機(jī)信號(hào)震動(dòng)幅值變化明顯，部分頻率增加；挖掘機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)，信號(hào)的變化具有一定的周期性，幅度、頻率也會(huì)發(fā)生變化。為突出真實(shí)信號(hào)，消除無(wú)效偏移和干擾量帶來(lái)的影響，預(yù)處理時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分，對(duì)差分后信號(hào)進(jìn)行下一步處理。

針對(duì)錯(cuò)點(diǎn)信號(hào)，本文采用拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行信號(hào)錯(cuò)點(diǎn)的剔除。為了降低信噪比，采取小波降噪技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

2.2 入侵震動(dòng)信號(hào)的特征提取

入侵震動(dòng)信號(hào)的特征主要包括頻域特征、時(shí)域特征、能量特征、梅爾頻率倒譜系數(shù)(Mel-frequency cepstral coefficients，MFCC)特征等。采用短時(shí)能量方法從入侵信號(hào)中提取入侵信號(hào)片段，利用窗函數(shù)對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行分割，然后計(jì)算每一幀的短時(shí)能量，提取入侵的信號(hào)片段。采用窗長(zhǎng)為L(zhǎng)1的矩形窗函數(shù)w(n)對(duì)信號(hào)分幀處理，截取到的第j幀入侵信號(hào)xj(n)可以表示為：

(11)

式中：m為數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度；x(n)為信號(hào)時(shí)間序列。

第j幀入侵信號(hào)的短時(shí)能量Ej可表示為：

(12)

信號(hào)的最大幅值A(chǔ)peak可表示為：

Apeak=max(|x(n)|)

(13)

過(guò)零率Z可表示為：

(14)

(15)

式中:λ為任意參數(shù)。

2.3 入侵震動(dòng)信號(hào)的識(shí)別

完成入侵震動(dòng)信號(hào)特征提取之后，選擇基于支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)的分類(lèi)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別。基于支持向量機(jī)的分類(lèi)是將信號(hào)的特征向量映射到一個(gè)高維向量空間中，利用結(jié)構(gòu)化風(fēng)險(xiǎn)最小化原則進(jìn)行信號(hào)分類(lèi)。利用SVM模式識(shí)別與回歸的軟件包LIBSVM提供的分類(lèi)器進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，常用函數(shù)有線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、高斯核函數(shù)：

3 城區(qū)電纜管廊防破壞監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集器、光纖信號(hào)采集設(shè)備、光源、防區(qū)等;軟件系統(tǒng)主要包括破壞入侵預(yù)警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口等。本系統(tǒng)的上位機(jī)部分選用GUI框架作為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

為有效提升入侵系統(tǒng)準(zhǔn)確率，降低信號(hào)識(shí)別誤報(bào)率，設(shè)計(jì)入侵信號(hào)算法識(shí)別機(jī)制。首先利用數(shù)據(jù)采集卡采集單幀信號(hào)，計(jì)算采集數(shù)據(jù)段的短時(shí)能量，如果小于預(yù)設(shè)的閾值則視為正常信號(hào)，如果大于預(yù)設(shè)的閾值，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷。如果緩存數(shù)據(jù)量達(dá)到確定數(shù)量，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，剔除壞點(diǎn)，進(jìn)行差分運(yùn)算，突出震動(dòng)的信號(hào)片段。圖4所示為入侵信號(hào)識(shí)別算法流程圖。

圖4 入侵信號(hào)的識(shí)別算法流程圖

由于距離鋪設(shè)光纖較遠(yuǎn)位置的入侵信號(hào)震動(dòng)最大幅值較低，過(guò)零率比較高，距離鋪設(shè)光纖較近位置的信號(hào)震動(dòng)幅值較高，過(guò)零率也比較高，因此如果震動(dòng)片段的震動(dòng)最大幅值、過(guò)零率都小于閾值，則視為正常的干擾信號(hào)，結(jié)束信號(hào)識(shí)別；如果過(guò)零率大于閾值，最大幅值小于閾值，則認(rèn)為在距離光纖位置較遠(yuǎn)處發(fā)生破壞事件，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，結(jié)束信號(hào)識(shí)別；如果震動(dòng)最大幅值、過(guò)零率都大于閾值，則進(jìn)行具體特征提取、分類(lèi)分析。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，預(yù)警單元能夠?qū)崿F(xiàn)40 km長(zhǎng)度范圍內(nèi)震動(dòng)信號(hào)的拾取和分析。由服務(wù)器對(duì)下轄的多個(gè)預(yù)警單元所上傳的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行綜合處理與顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各預(yù)警單元的遠(yuǎn)程參數(shù)控制等功能?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員主要通過(guò)服務(wù)器軟件實(shí)時(shí)掌握管道線路上的報(bào)警信號(hào)，一旦出現(xiàn)施工預(yù)警，可以指揮線路巡查人員快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)及處理，避免造成事故或重大損失。圖5所示為系統(tǒng)預(yù)警單元構(gòu)成。

圖5 系統(tǒng)預(yù)警單元設(shè)備

利用通信光纖作為傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)、分布式檢測(cè)和識(shí)別，占用纖芯資源少，施工簡(jiǎn)便。本文提出的防破壞監(jiān)測(cè)方法具有高靈敏度特點(diǎn)，能監(jiān)測(cè)到30 m機(jī)械施工、15 m車(chē)輛碾壓、5 m以內(nèi)的人為活動(dòng)等。系統(tǒng)針對(duì)管道量體設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)拾取震動(dòng)事件后可以進(jìn)行信號(hào)的復(fù)原和類(lèi)型識(shí)別，利用SVM等理論知識(shí)，對(duì)常見(jiàn)的破壞、非破壞事件進(jìn)行有效分類(lèi)、識(shí)別預(yù)警。管理系統(tǒng)將地理信息系統(tǒng)GIS、電子地圖、衛(wèi)星導(dǎo)航等功能集成于一體，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、故障精準(zhǔn)定位、現(xiàn)場(chǎng)路線指引的一體化服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

因市政建設(shè)引發(fā)的電纜被破壞事件近年來(lái)越來(lái)越多，并且不可避免，可能造成嚴(yán)重后果。本文利用干涉光纖傳感器探測(cè)光纖中的擾動(dòng)信息，搭建城區(qū)電纜管廊破壞預(yù)警模型，通過(guò)信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、破壞入侵信號(hào)識(shí)別等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)破壞預(yù)警。城區(qū)電纜管廊防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠在電纜被破壞前及時(shí)制止或者提前采取相關(guān)預(yù)案，有利于維護(hù)電網(wǎng)公司的利益，并保障社會(huì)生產(chǎn)及人們的生活用電，減少安全事故的發(fā)生。