基于高速光纤光栅解调系统的高速公路路况监控系统研究

黄 斌

(莆田学院 电子信息工程系, 福建 莆田 351100)

基于高速光纤光栅解调系统的高速公路路况监控系统研究

黄 斌

(莆田学院 电子信息工程系, 福建 莆田 351100)

针对目前高速公路路况监测存在的问题,结合光纤光栅的特点将高速光纤光栅传感技术应用于高速公路路况监控中,并将数据挖掘应用到采集数据处理，使用聚类结合关联分析的方法对混合型数据进行聚类分析,降低了误报率．

光纤光栅; 高速公路; 数据采集; 聚类算法

0 引言

高速公路是社会经济发展的必然产物,它与汽车工业发展和国家政治经济发展紧密相联．伴随着国家经济实力的日益增强,高速公路建设与运输职能也在快速发展,目前己经成为支撑我国经济更快更好发展的大动脉,极大地推动了整个国民经济的发展[1]．同时,随着高速公路行车里程的大量增加,高速公路上车流量不断增多,迫切需要有效的管理手段来维护高速公路的畅通与安全．实际上高速公路上发生的事故往往是严重的、致命的,还会引起可怕的连锁反应.如何有效减低高速公路的事故发生率、以及如何及时处理与预防人为或自然状况造成的危险因素是急需解决的问题．

高速公路路况越来越受到人们的重视．高速公路如果出现破坏则会造成极大的危害，特别是因为我国地形复杂、地域广阔,在高速公路的系统设施中包含有大量桥梁、隧道、涵洞等[2]．而这些设施通常是在复杂气候环境下运作的,因此需要高可靠性、易维护、易安装的高速公路监测设备来完成安全管理和完善预防工作．

1 光纤光栅传感器技术

光纤Bragg 光栅传感的基本原理:当光纤中的光波通过Bragg光栅时,波长符合条件(λB=2neffΛ) 的光被反射回来,成为反射光;其余的光成为透射光. 当外界参量变化的时候,会引起反射光波长的漂移,而针对波长的漂移量进行检测能得到外界参量的变化量．

根据光纤光栅传感的基本方程, 光栅中心波长的漂移量决定于其有效折射率和光栅周期, 任何改变这两个参量的变化都将引起波长的漂移. 在外界应变(或应力)的作用下, 光栅周期会发生变化,同时产生的光弹效应会使光栅有效折射率发生变化; 当光栅受到外界温度影响时, 热膨胀会使光栅周期发生变化, 同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化, 因此, 外界的应变(或应力)和温度是最能直接显著改变光栅波长的物理量. 各种光纤光栅传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长, 达到测试被测物理量的目的. 不考虑温度影响,均匀轴向应力作用下光纤光栅传感原理如图1所示．

图1 轴向应力作用下的光纤光栅传感原理

由光纤光栅基本方程进行推导,得出轴向应力作用下的基本传感方程为：

(1)

式(1)即为光纤光栅在仅受轴向应力时由于弹光效应引起的波长与应变关系的数学表达式．由式(1)可以看出,对于敏感度系数Pe来说,其数值大小决定于光前的有效折射率、弹光系数和泊松比．拿某一种具体的光纤光栅来说,因为其材料的特性已先确定了,所以Pe为常数．这表示当光纤光栅在受单纯的轴向应力时,轴向应变和波长漂移量会呈线性变化关系．

因为光纤光栅传感器本身架构简单、易维护、稳定性高,对气候耐受性强,所以可应用于对高速公路及其他关键区域如大坝、隧道、桥梁、矿山等的实时在线检测．由于分布式光纤光栅传感器技术不断的成熟与完善,可以更有效的应用于高速公路上的公路、桥梁、隧道的监测．由于自身可以布点多,进行长距离多点连续部署的特点能够更精确更方便的实现对各类危险点进行监测,从而大幅减少事故或者安全隐患所带来的危害[3,4]．

2 系统整体设计

图2 系统设计路线图

本文系统涉及前端高速光纤光栅信号解调、现场测量数据获取存储与传输、监控数据智能分类及低错误率健康状态获取等内容．高速光纤光栅解调系统关键核心是解调中心单元[5]．它主要包括高分辨率衍射光栅分光计平台、光谱分析处理模块高速数字信号缓冲及控制处理模块、数字信号算法处理模块等．实际设计中,拟把光源及其它光学单元、解调中心单元集成到一块(称为“光纤光栅解调仪”)外接传感系统和通信接口,这样形成结构紧凑的解调系统．系统拟通过现场嵌入式系统、远程PC监测平台以及高速公路网现有通信网络实现现场测量数据获取、存储与传输的实现．系统设计基于聚类算法结合关联规则修正来解决数据挖掘过程中单纯用聚类算法无法处理字符型属性数据的问题,提高检测正确率,降低误报率．同时也会引入主成分分析方法来有效降低数据维度,提高检测效率．具体技术路线如图2所示.图2中整个解调系统包括传感器单元、光源单元、其他光学单元、远程交换及PC机软件单元、解调中心单元．关键核心是解调中心单元．解调中心单元主要包括高分辨率衍射光栅分光计平台、光谱分析处理模块高速数字信号缓冲及控制处理模块、数字信号算法处理模块、标准PC机接口单元．系统中把光源及其它光学单元、解调中心单元集成到一块(称为“光纤光栅解调仪”)外接传感系统和交换机,这样形成结构紧凑的解调系统如图3所示.

图3 解调系统图

3 数据处理技术

由于监测现场地质结构多变、易受外界强风强荷载等因素影响,可能导致公路网健康状态检测的误报率偏高,故寻求一种可靠性良好、误报率低的现场参数模式分类与智能识别方法,是监测系统得于实用的重要因素．

图4 聚类结合关联分析方法的异常情况监测流程

模式识别与机器学习的方法已被广泛用于感知信号以外的数据分析问题,并形成了数据挖掘领域．聚类和关联规则是数据挖掘中重要的方法[6,7],本项目要处理的数据将会是高维大型混合属性数据,因此本系统将设计基于聚类算法结合关联规则修正来解决数据挖掘过程中单纯用聚类算法无法处理字符型属性数据的问题,提高检测正确率,降低误报率．首先利用聚类进行异常检测是基于以下基于两个事实[8]: 1) 异常情况和正常情况的数据差异大; 2) 现实应用中的异常情况数据的数量要远低于正常情况的数量．

首先我们对传感器传回来的数据进行聚类,再对数值型属性进行标准化,然后利用聚类算法(如K-Means)得到一个聚类集．根据上面所提的两个事实可知,数据中正常情况数据的数量会比异常情况数据多很多并且两者数据之间存在明显的差别,所以可以把聚类集中的类别标记起来,定义其中数量较多的聚类,判定其中的数据是正常的并标记归为正常集．在实际数据检测过程中,对一条新的数据计算其与聚类集中的各个聚类之间的相似度,分析出与其相似度最大的聚类,检查这个聚类的标记,如果该聚类的标记是正常集,那么这条新数据就认为属于正常数据,反过来则判断其是异常数据．聚类结合关联分析方法的异常情况监测流程如图4所示.

通过实验验证使用聚类分析结合关联规则的方法,在聚类结果的基础上再使用符号型属性的关联规则挖掘结果进行修正,能够有效降低由于监测现场地质结构多变、易受外界强风强荷载等因素影响所导致的误报,可以更有效地异常情况的同时使得误检率大为降低．

4 总结

本文将光纤光栅传感器技术应用于高速公路路况监控中,所设计的系统能实现对高速公路上桥梁、隧道等交通设施的荷载、温度等关键参数的检测分析、存储、传输与自动报警处理．并将数据挖掘方法引入对系统所采集数据的异常检测分析中,提高了检测率，降低了误报率,使得该系统更具有实用性．

[1] 王大恒. 基于WebGIS的高速公路突发事件处理系统设计[J]. 中国交通信息化,2011(2):22-28.

[2] 温亚娟, 高玉斌. 公路工程中路基施工技术综述[J]. 黑龙江科技信息,2011(4):5-9..

[3] Paterno A S, Haramoni N, Silva J C C, et al. Highly reliable strain-tuning of an Erbium-doped fiber laser for the interrogation of multiplexed Bragg grating sensors[J]. Optics Communications, 2007, 273(1): 187-192.

[4] Yang X, Zhao C L, Peng Q, et al. FBG sensor interrogation with high temperature insensitivity by using a HiBi-PCF Sagnac loop filter[J]. Opt Commun, 2005, 250(1-3): 63-68.

[5] Wu Q, Rajan G, Wang P, et al. Optimum design for maximum wavelength resolution for an edge filter-based ratiometric system[J]. Optics & Laser Technology, 2010, 135(2): 311-314.

[6] Kwedlo W. A clustering method combining differential evo-lution with the K-means algorithm[J]. Pattern Recognition Lett, 2011, 32(12):1613-1621.

[7] Zhou C Y, Huang L J. The improvement of initial point selection method for fuzzy K-prototype clustering algorithm[J]. International Conference on Edu-cation Technology and Compute (rICETC), 2010,22: 549-552.

[8] Grudzinski K. Selection of prototypes with the EKP sys-tem[J]. Control and Cybernetics, 2010, 39(2):487-503.

AnHighwayTrafficMonitoringSystemBasedonHigh-speedFiberGratingDemodulationSystem

HUANG Bin

(Electronic Information Engineering Department, Putian University, Putian Fujian 351100, China)

This article analyse the existing problems of the current highway traffice monitoring, and we suggest to use fiber grating sensing technology to solve these problems. In the data processing we use association rule into clustering analyzes to reduce the false-detection rate in our algorithm.

FBG; highway; data acquisition; clustering

2012-11-22

国家重点实验室开放基金资助项目(SKLST201113); 福建星火科技基金资助项目(2010S0017); 莆田市科技基金资助项目(2011G04-2)

黄斌(1981-), 男, 福建莆田人, 讲师, CCF会员, 研究方向为数据挖掘、信息安全等.

TN2

A

1671-6876(2013)01-0062-04

[责任编辑蒋海龙]