城區電纜管廊防破壞監測系統研究

方 明

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴州 貴陽 550081)

電纜隧道屬于地下隱蔽設備，因為市政建設需要，大型機械會在電纜隧道周邊持續、頻繁施工，對電纜隧道結構造成極大的影響，嚴重時還會導致地表坍塌等重大事故，基于光纖傳感技術的電纜防破壞監測系統逐漸被應用到重點電力管線運維中[1]。20世紀末，澳大利亞FFT公司推出基于Mach-Zehnder干涉的光纖震動傳感器系統，美國Fiber Sensys公司推出基于薩格納克干涉技術的周界入侵報警系統[2-3]。本文運用分布式光纖傳感器對城區電纜管廊進行監控，將檢測到的信號進行分類識別，在降低外力破壞誤判率的同時，明確造成震動的事件源，建立電纜管廊防外力破壞的智能預警機制，實現危險實時監測和預警[4]。本文研究的防破壞監測系統能夠提升風險定位準確率，其算法具有通用性，可以在其他行業和領域推廣。

1 城區電纜管廊防破壞監測系統模型

1.1 系統工作思路

城區電纜管廊防破壞監測系統采用了光纖傳感技術原理，傳輸介質折射率的不均勻會導致光在光纖中傳輸時發生瑞利散射，利用瑞利散射光探測光纖中的擾動信息，就可實現對光纖周圍干擾的檢測，確定外界干擾的位置[5]。將地下管廊內壁鋪設的傳感光纜作為震動檢測傳感器，在管廊遭受到外部安全威脅但未造成實際影響后果(泄漏、斷裂等)時，對可能危害管廊安全的破壞事件進行預警識別和定位[6]。圖1所示為系統工作示意圖。

圖1 系統工作示意圖

1.2 光纖傳感器結構及原理

采用分布式光纖系統采集到入侵震動信號后，需要先進行光電信號轉換，通過預處理消除外部噪聲帶來的影響，判斷震動信號，篩選有效信號片段[7]。震動信號的檢測機制如圖2所示。

圖2 震動信號的檢測機制

光纖傳感器包括激光源、入射和出射光纖、光電探測器、解調器等部分。當光源發射的光通過入射光纖進入調制區，光和溫度、震動、壓力等外界測量參數相互作用，使其光學特性發生變化，形成被調制的信號光，然后通過出射光纖傳輸到光電探測器和調節器以完成物理量監測。

假設光纖長度為L，出射光波相位φ表示為：

(1)

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

Δφ=βΔL+ΔβL

(2)

ΔL=εZL

(3)

式中：βΔL為縱向應變效應導致光纖長度變化而造成的相位滯后量；εZ為光纖縱向應變量；Δβ包含彈光效應導致光纖芯折射率變化帶來的相位延遲，以及泊松效應導致光纖直徑D變化帶來的相位延遲。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β=nk0，其中k0表示真空中光的傳播常數。由于泊松效應帶來的相位延遲非常小，因此Δφ可表示為：

Δφ=βεZL+Lk0Δn

(5)

(6)

式中:Pij為彈光系數張量矩陣；εj為應變張量。

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，P表示外部作用力，則：

(8)

(9)

(10)

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

1.3 電纜防破壞監測系統

城區電纜管廊防破壞監測系統包括6個部分，分別是光傳感模塊、信號處理模塊、系統管理與通信模塊、監控模塊、電源模塊、機箱平臺。為預防線路破壞事故的發生，保證管廊安全穩定運行，對設施運行情況進行感知和識別，通過對信號的分析和數據挖掘，實現故障精準定位和風險準確評估。圖3為系統結構示意圖。

圖3 系統結構示意圖

監控模塊放置在機房中，傳感光纜鋪設在現場需要檢測的位置。如果外界發生震動，那么瑞利散射光相位發生變化，攜帶外界信號的信號光反射到系統主機時，通過光纖干涉儀的處理，即使是微弱的相位變化也會轉變為光強度的變化。通過光電轉換和數據采集后，就可以通過信號識別和處理判斷破壞威脅。

2 外力破壞入侵信號檢測及處理

2.1 入侵震動信號的預處理

考慮系統分析實時性和準確性等問題，一次信號處理的時間長度要合理，以確保實時預警能力符合要求。本文選擇的數據段時長為2 s，將該段時間內的信息作為待分析數據段。正常信號的波形是在0點上下漂移變化的，風鎬信號是利用高沖擊作用破碎堅硬物體時采集到的信號，信號震動非常劇烈，頻率比較高。打樁機信號震動幅值變化明顯，部分頻率增加；挖掘機經過時，信號的變化具有一定的周期性，幅度、頻率也會發生變化。為突出真實信號，消除無效偏移和干擾量帶來的影響，預處理時對信號進行差分，對差分后信號進行下一步處理。

針對錯點信號，本文采用拉依達準則進行信號錯點的剔除。為了降低信噪比，采取小波降噪技術對信號進行降噪處理。

2.2 入侵震動信號的特征提取

入侵震動信號的特征主要包括頻域特征、時域特征、能量特征、梅爾頻率倒譜系數(Mel-frequency cepstral coefficients，MFCC)特征等。采用短時能量方法從入侵信號中提取入侵信號片段，利用窗函數對入侵信號進行分割，然后計算每一幀的短時能量，提取入侵的信號片段。采用窗長為L1的矩形窗函數w(n)對信號分幀處理，截取到的第j幀入侵信號xj(n)可以表示為：

(11)

式中：m為數據段長度；x(n)為信號時間序列。

第j幀入侵信號的短時能量Ej可表示為：

(12)

信號的最大幅值Apeak可表示為：

Apeak=max(|x(n)|)

(13)

過零率Z可表示為：

(14)

(15)

式中:λ為任意參數。

2.3 入侵震動信號的識別

完成入侵震動信號特征提取之后，選擇基于支持向量機(support vector machine，SVM)的分類算法對信號進行模式識別?；谥С窒蛄繖C的分類是將信號的特征向量映射到一個高維向量空間中，利用結構化風險最小化原則進行信號分類。利用SVM模式識別與回歸的軟件包LIBSVM提供的分類器進行信號識別，常用函數有線性核函數、多項式核函數、高斯核函數：

3 城區電纜管廊防破壞監測現場應用

3.1 系統總體設計

系統包括硬件部分和軟件部分。硬件系統主要包括信號采集器、光纖信號采集設備、光源、防區等;軟件系統主要包括破壞入侵預警系統和網絡接口等。本系統的上位機部分選用GUI框架作為開發設計架構，采用Mysql數據庫進行數據存儲與管理。

3.2 軟件流程設計

為有效提升入侵系統準確率，降低信號識別誤報率，設計入侵信號算法識別機制。首先利用數據采集卡采集單幀信號，計算采集數據段的短時能量，如果小于預設的閾值則視為正常信號，如果大于預設的閾值，則將數據進行緩存，繼續進行下一步判斷。如果緩存數據量達到確定數量，系統對信號進行預處理，剔除壞點，進行差分運算，突出震動的信號片段。圖4所示為入侵信號識別算法流程圖。

圖4 入侵信號的識別算法流程圖

由于距離鋪設光纖較遠位置的入侵信號震動最大幅值較低，過零率比較高，距離鋪設光纖較近位置的信號震動幅值較高，過零率也比較高，因此如果震動片段的震動最大幅值、過零率都小于閾值，則視為正常的干擾信號，結束信號識別；如果過零率大于閾值，最大幅值小于閾值，則認為在距離光纖位置較遠處發生破壞事件，系統發出報警，結束信號識別；如果震動最大幅值、過零率都大于閾值，則進行具體特征提取、分類分析。

3.3 現場應用效果

系統應用過程中，預警單元能夠實現40 km長度范圍內震動信號的拾取和分析。由服務器對下轄的多個預警單元所上傳的報警信號進行綜合處理與顯示，同時實現對各預警單元的遠程參數控制等功能?，F場維護人員主要通過服務器軟件實時掌握管道線路上的報警信號，一旦出現施工預警，可以指揮線路巡查人員快速到達現場協調及處理，避免造成事故或重大損失。圖5所示為系統預警單元構成。

圖5 系統預警單元設備

利用通信光纖作為傳感系統，實現對震動信號的實時、分布式檢測和識別，占用纖芯資源少，施工簡便。本文提出的防破壞監測方法具有高靈敏度特點，能監測到30 m機械施工、15 m車輛碾壓、5 m以內的人為活動等。系統針對管道量體設計，在系統拾取震動事件后可以進行信號的復原和類型識別，利用SVM等理論知識，對常見的破壞、非破壞事件進行有效分類、識別預警。管理系統將地理信息系統GIS、電子地圖、衛星導航等功能集成于一體，實現故障預警、故障精準定位、現場路線指引的一體化服務。

4 結束語

因市政建設引發的電纜被破壞事件近年來越來越多，并且不可避免，可能造成嚴重后果。本文利用干涉光纖傳感器探測光纖中的擾動信息，搭建城區電纜管廊破壞預警模型，通過信號采集、信號預處理、破壞入侵信號識別等環節，實現破壞預警。城區電纜管廊防破壞監測系統的應用能夠在電纜被破壞前及時制止或者提前采取相關預案，有利于維護電網公司的利益，并保障社會生產及人們的生活用電，減少安全事故的發生。