城区电缆管廊防破坏监测系统研究

方 明

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550081)

电缆隧道属于地下隐蔽设备，因为市政建设需要，大型机械会在电缆隧道周边持续、频繁施工，对电缆隧道结构造成极大的影响，严重时还会导致地表坍塌等重大事故，基于光纤传感技术的电缆防破坏监测系统逐渐被应用到重点电力管线运维中[1]。20世纪末，澳大利亚FFT公司推出基于Mach-Zehnder干涉的光纤震动传感器系统，美国Fiber Sensys公司推出基于萨格纳克干涉技术的周界入侵报警系统[2-3]。本文运用分布式光纤传感器对城区电缆管廊进行监控，将检测到的信号进行分类识别，在降低外力破坏误判率的同时，明确造成震动的事件源，建立电缆管廊防外力破坏的智能预警机制，实现危险实时监测和预警[4]。本文研究的防破坏监测系统能够提升风险定位准确率，其算法具有通用性，可以在其他行业和领域推广。

1 城区电缆管廊防破坏监测系统模型

1.1 系统工作思路

城区电缆管廊防破坏监测系统采用了光纤传感技术原理，传输介质折射率的不均匀会导致光在光纤中传输时发生瑞利散射，利用瑞利散射光探测光纤中的扰动信息，就可实现对光纤周围干扰的检测，确定外界干扰的位置[5]。将地下管廊内壁铺设的传感光缆作为震动检测传感器，在管廊遭受到外部安全威胁但未造成实际影响后果(泄漏、断裂等)时，对可能危害管廊安全的破坏事件进行预警识别和定位[6]。图1所示为系统工作示意图。

图1 系统工作示意图

1.2 光纤传感器结构及原理

采用分布式光纤系统采集到入侵震动信号后，需要先进行光电信号转换，通过预处理消除外部噪声带来的影响，判断震动信号，筛选有效信号片段[7]。震动信号的检测机制如图2所示。

图2 震动信号的检测机制

光纤传感器包括激光源、入射和出射光纤、光电探测器、解调器等部分。当光源发射的光通过入射光纤进入调制区，光和温度、震动、压力等外界测量参数相互作用，使其光学特性发生变化，形成被调制的信号光，然后通过出射光纤传输到光电探测器和调节器以完成物理量监测。

假设光纤长度为L，出射光波相位φ表示为：

(1)

式中：t为时间；c为光速；n为光纤折射率；λ0为光在真空中传播的波长；β为传播常数。如果有外力作用在光纤上，那么出射光波相位将发生改变，相位改变量Δφ和光纤长度改变量ΔL分别为：

Δφ=βΔL+ΔβL

(2)

ΔL=εZL

(3)

式中：βΔL为纵向应变效应导致光纤长度变化而造成的相位滞后量；εZ为光纤纵向应变量；Δβ包含弹光效应导致光纤芯折射率变化带来的相位延迟，以及泊松效应导致光纤直径D变化带来的相位延迟。总相位变化LΔβ表示为：

(4)

式中：Δn为光纤折射率变化量；ΔD为光纤直径变化量。

传播常数β=nk0，其中k0表示真空中光的传播常数。由于泊松效应带来的相位延迟非常小，因此Δφ可表示为：

Δφ=βεZL+Lk0Δn

(5)

(6)

式中:Pij为弹光系数张量矩阵；εj为应变张量。

如果光纤上有外力作用，那么在X,Y,Z轴方向的正应变矢量ε可以表示为：

(7)

用E表示光纤杨氏模量，μ表示泊松系数，P表示外部作用力，则：

(8)

(9)

(10)

由式(10)可知，如果光纤的各项参数维持不变，那么只有外部作用力P的变化会影响相位变化，通过检测相位变化值就能够判断光纤的受力情况。

1.3 电缆防破坏监测系统

城区电缆管廊防破坏监测系统包括6个部分，分别是光传感模块、信号处理模块、系统管理与通信模块、监控模块、电源模块、机箱平台。为预防线路破坏事故的发生，保证管廊安全稳定运行，对设施运行情况进行感知和识别，通过对信号的分析和数据挖掘，实现故障精准定位和风险准确评估。图3为系统结构示意图。

图3 系统结构示意图

监控模块放置在机房中，传感光缆铺设在现场需要检测的位置。如果外界发生震动，那么瑞利散射光相位发生变化，携带外界信号的信号光反射到系统主机时，通过光纤干涉仪的处理，即使是微弱的相位变化也会转变为光强度的变化。通过光电转换和数据采集后，就可以通过信号识别和处理判断破坏威胁。

2 外力破坏入侵信号检测及处理

2.1 入侵震动信号的预处理

考虑系统分析实时性和准确性等问题，一次信号处理的时间长度要合理，以确保实时预警能力符合要求。本文选择的数据段时长为2 s，将该段时间内的信息作为待分析数据段。正常信号的波形是在0点上下漂移变化的，风镐信号是利用高冲击作用破碎坚硬物体时采集到的信号，信号震动非常剧烈，频率比较高。打桩机信号震动幅值变化明显，部分频率增加；挖掘机经过时，信号的变化具有一定的周期性，幅度、频率也会发生变化。为突出真实信号，消除无效偏移和干扰量带来的影响，预处理时对信号进行差分，对差分后信号进行下一步处理。

针对错点信号，本文采用拉依达准则进行信号错点的剔除。为了降低信噪比，采取小波降噪技术对信号进行降噪处理。

2.2 入侵震动信号的特征提取

入侵震动信号的特征主要包括频域特征、时域特征、能量特征、梅尔频率倒谱系数(Mel-frequency cepstral coefficients，MFCC)特征等。采用短时能量方法从入侵信号中提取入侵信号片段，利用窗函数对入侵信号进行分割，然后计算每一帧的短时能量，提取入侵的信号片段。采用窗长为L1的矩形窗函数w(n)对信号分帧处理，截取到的第j帧入侵信号xj(n)可以表示为：

(11)

式中：m为数据段长度；x(n)为信号时间序列。

第j帧入侵信号的短时能量Ej可表示为：

(12)

信号的最大幅值Apeak可表示为：

Apeak=max(|x(n)|)

(13)

过零率Z可表示为：

(14)

(15)

式中:λ为任意参数。

2.3 入侵震动信号的识别

完成入侵震动信号特征提取之后，选择基于支持向量机(support vector machine，SVM)的分类算法对信号进行模式识别。基于支持向量机的分类是将信号的特征向量映射到一个高维向量空间中，利用结构化风险最小化原则进行信号分类。利用SVM模式识别与回归的软件包LIBSVM提供的分类器进行信号识别，常用函数有线性核函数、多项式核函数、高斯核函数：

3 城区电缆管廊防破坏监测现场应用

3.1 系统总体设计

系统包括硬件部分和软件部分。硬件系统主要包括信号采集器、光纤信号采集设备、光源、防区等;软件系统主要包括破坏入侵预警系统和网络接口等。本系统的上位机部分选用GUI框架作为开发设计架构，采用Mysql数据库进行数据存储与管理。

3.2 软件流程设计

为有效提升入侵系统准确率，降低信号识别误报率，设计入侵信号算法识别机制。首先利用数据采集卡采集单帧信号，计算采集数据段的短时能量，如果小于预设的阈值则视为正常信号，如果大于预设的阈值，则将数据进行缓存，继续进行下一步判断。如果缓存数据量达到确定数量，系统对信号进行预处理，剔除坏点，进行差分运算，突出震动的信号片段。图4所示为入侵信号识别算法流程图。

图4 入侵信号的识别算法流程图

由于距离铺设光纤较远位置的入侵信号震动最大幅值较低，过零率比较高，距离铺设光纤较近位置的信号震动幅值较高，过零率也比较高，因此如果震动片段的震动最大幅值、过零率都小于阈值，则视为正常的干扰信号，结束信号识别；如果过零率大于阈值，最大幅值小于阈值，则认为在距离光纤位置较远处发生破坏事件，系统发出报警，结束信号识别；如果震动最大幅值、过零率都大于阈值，则进行具体特征提取、分类分析。

3.3 现场应用效果

系统应用过程中，预警单元能够实现40 km长度范围内震动信号的拾取和分析。由服务器对下辖的多个预警单元所上传的报警信号进行综合处理与显示，同时实现对各预警单元的远程参数控制等功能。现场维护人员主要通过服务器软件实时掌握管道线路上的报警信号，一旦出现施工预警，可以指挥线路巡查人员快速到达现场协调及处理，避免造成事故或重大损失。图5所示为系统预警单元构成。

图5 系统预警单元设备

利用通信光纤作为传感系统，实现对震动信号的实时、分布式检测和识别，占用纤芯资源少，施工简便。本文提出的防破坏监测方法具有高灵敏度特点，能监测到30 m机械施工、15 m车辆碾压、5 m以内的人为活动等。系统针对管道量体设计，在系统拾取震动事件后可以进行信号的复原和类型识别，利用SVM等理论知识，对常见的破坏、非破坏事件进行有效分类、识别预警。管理系统将地理信息系统GIS、电子地图、卫星导航等功能集成于一体，实现故障预警、故障精准定位、现场路线指引的一体化服务。

4 结束语

因市政建设引发的电缆被破坏事件近年来越来越多，并且不可避免，可能造成严重后果。本文利用干涉光纤传感器探测光纤中的扰动信息，搭建城区电缆管廊破坏预警模型，通过信号采集、信号预处理、破坏入侵信号识别等环节，实现破坏预警。城区电缆管廊防破坏监测系统的应用能够在电缆被破坏前及时制止或者提前采取相关预案，有利于维护电网公司的利益，并保障社会生产及人们的生活用电，减少安全事故的发生。