基于邁克爾遜干涉和圖像識別的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

電力電纜因其不占用地面空間、市容市貌友好、隱蔽性高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在城市電力網(wǎng)建設(shè)中逐漸取代架空線，扮演著越來越重要的角色。目前杭州主城區(qū)35 kV 及以上電壓等級電纜體量已達(dá)到1 100 km，遍布市區(qū)大街小巷。而城市快速發(fā)展過程中大型市政建設(shè)全面鋪開，涉及大量電纜通道周邊開挖、打樁等多種形式施工，對電纜安全運(yùn)行帶來極大的外破壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司2006—2016 年間高壓電纜本體故障75 起，其中盲目施工引起的外力破壞占比高達(dá)70.67%，為故障主要原因[1]；杭州供電公司電纜運(yùn)維數(shù)據(jù)也表明，在2014—2018 年電纜外破事件中，未經(jīng)備案的臨時(shí)性施工占比84.21%，為外破事件的主要原因。傳統(tǒng)以人巡和發(fā)放保護(hù)告知書為主的運(yùn)維方式在空間和時(shí)間上存在盲區(qū)，無法實(shí)現(xiàn)24 h 不間斷監(jiān)測，因此研究自動(dòng)化防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有重大意義。

目前，電纜防外破監(jiān)測裝置主要通過捕捉振動(dòng)信號來實(shí)現(xiàn)對信號源的識別，信號捕捉有基于壓電傳感器[2]、聲音傳感器[3-4]和光纖傳感器等不同方式。光纖傳感器相對于其他電學(xué)傳感器具有無源、測量精度高、抗電磁干擾強(qiáng)、長距離、連續(xù)分布式等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于管道監(jiān)測、周界安防等領(lǐng)域[5]。而工程中常見的分布式光纖傳感系統(tǒng)按原理主要分為OTDR（光時(shí)域反射）[5-8]、馬赫澤德干涉[9-12]和邁克爾遜干涉[13-15]3 種類型，其中OTDR 型定位精度高，但頻率響應(yīng)較低且系統(tǒng)噪聲大；而干涉型具有光路簡單、高頻率響應(yīng)等特點(diǎn)，特別適用于振動(dòng)信號的傳感，但無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

另一方面，在高壓電纜通道上采用視頻監(jiān)控的方法可以通過圖像識別、視覺定位有效彌補(bǔ)干涉型光纖傳感系統(tǒng)無法定位的不足。目前，電力系統(tǒng)中圖像識別技術(shù)主要應(yīng)用于架空線巡檢[16-17]和防外破監(jiān)測[18]領(lǐng)域，而電纜防外破和架空線防外破在施工機(jī)具的圖像識別上類似，具有一定的通用性。

本文基于邁克爾遜干涉原理和圖像識別技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建一套光纖振動(dòng)源防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以長約500 m 的電纜段為一個(gè)防區(qū)，隨電纜通道敷設(shè)光纖，防區(qū)兩側(cè)利用智能接地箱安裝光纖監(jiān)測主機(jī)和立桿式監(jiān)控球機(jī)。利用光纖的高靈敏傳感特性探測防區(qū)內(nèi)施工機(jī)具入侵事件，同時(shí)聯(lián)動(dòng)球機(jī)進(jìn)行監(jiān)控并通過圖像識別機(jī)具類型，實(shí)現(xiàn)高壓電纜通道潛在外破源的高靈敏度、低誤判率的外破預(yù)警和視覺定位。

1 邁克爾遜干涉光纖振動(dòng)傳感原理

邁克爾遜干涉光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，光纖既是信號傳輸裝置又是傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其工作原理為：窄線寬激光器發(fā)出強(qiáng)干涉光，首先經(jīng)過隔離器避免回波反射對激光器造成影響；然后經(jīng)過3 dB 耦合器被分成等光強(qiáng)的2 束光分別進(jìn)入傳感臂和參考臂，光纖末端安裝有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，光信號經(jīng)反射后原路返回至3 dB耦合器中發(fā)生干涉。當(dāng)振動(dòng)信號發(fā)生時(shí)，相當(dāng)于施加應(yīng)力于傳感光纖，傳感臂的折射率和幾何形狀被改變，進(jìn)而導(dǎo)致2 路光纖的光程差不斷變化，而干涉光強(qiáng)隨之同步變化，這一步相當(dāng)于信號調(diào)制。監(jiān)測主機(jī)正是通過光電探測器探測干涉光強(qiáng)，然后通過信號采集和處理系統(tǒng)解調(diào)出原始振動(dòng)信號以實(shí)現(xiàn)對防區(qū)內(nèi)振動(dòng)源的監(jiān)測識別。

光纖對振動(dòng)信號的傳感實(shí)質(zhì)上是對機(jī)械應(yīng)力的傳感，光程差的變化來源于機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的光彈效應(yīng)和光纖幾何應(yīng)變。光程差引起的相位變化可表示為：

圖1 邁克爾遜干涉光纖傳感系統(tǒng)

式中：λ0為真空光波波長；n 為光纖折射率；Δn為光纖折射率變化量；L 為光纖長度；ΔL 為光纖長度變化量；λ 為光波在光纖中傳輸?shù)牟ㄩL；d為光纖直徑[15]；Δd 為光纖直徑變化量。

式（1）右邊三項(xiàng)分別代表光彈效應(yīng)、光纖應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和泊松效應(yīng)對傳輸光信號所產(chǎn)生的相位變化。可以看出，光彈效應(yīng)通過影響光纖折射率進(jìn)而產(chǎn)生相位變化，而應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和泊松效應(yīng)分別影響光纖長度和光纖直徑。在光纖中前兩項(xiàng)的影響占據(jù)主導(dǎo)，泊松效應(yīng)的影響通常忽略不計(jì)。

進(jìn)一步的，相位變化同機(jī)械應(yīng)力f（t）的關(guān)系可表示為：

式中：μ 為光纖泊松比；E 為光纖楊氏模量；P11和P12為光纖的彈光系數(shù)[14]。

當(dāng)光纖敷設(shè)完畢后，光纖的各項(xiàng)參數(shù)都確定了，則式（2）右邊可以用一個(gè)常數(shù)表示，即相位變化和機(jī)械應(yīng)力成正比。

通過光的干涉原理，可以得到輸出干涉光強(qiáng)為：

式中：I0為初始入射光強(qiáng)；K 為光衰減系數(shù)；φ（t）為外界振動(dòng)信號產(chǎn)生的相位變化。

光纖監(jiān)測主機(jī)通過測量輸出干涉光強(qiáng)并采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電纜通道保護(hù)區(qū)范圍振動(dòng)信號的監(jiān)測。

2 高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邁克爾遜干涉振動(dòng)傳感系統(tǒng)雖然具有靈敏度高、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但受其原理限制，無法實(shí)現(xiàn)高分辨率的振動(dòng)源定位功能。本文在光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像識別技術(shù)，當(dāng)光纖檢測到振動(dòng)信號后，根據(jù)信號特征識別入侵類型，同時(shí)聯(lián)動(dòng)攝像頭進(jìn)行施工捕捉，應(yīng)用圖像識別技術(shù)再次確認(rèn)是否存在可疑人員、機(jī)械作業(yè)，將捕捉到的圖像推送至運(yùn)維人員，及時(shí)制止外破事件的發(fā)生，以確保電力電纜安全運(yùn)行。

設(shè)備安裝如圖2 所示，單模光纖隨電纜同通道敷設(shè)，以長約500 m 的電纜段長為一個(gè)防區(qū)，利用防區(qū)兩端的智能接地箱安裝光纖監(jiān)測主機(jī)和邊緣計(jì)算主機(jī)，解調(diào)出的振動(dòng)信號送入邊緣計(jì)算主機(jī)以分析判斷振動(dòng)類型和施工機(jī)具，同時(shí)根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用監(jiān)控球機(jī)靶向拍照識別。

兩部主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，與其他在線監(jiān)測類裝置共享通信單元，采用雙太陽能板（智能接地箱加太陽能立桿）結(jié)合蓄電池的方式取電。振動(dòng)信號分析處理和圖像識別均利用邊緣計(jì)算主機(jī)就地完成，只需將結(jié)果上傳至服務(wù)器，降低占用帶寬，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖2 設(shè)備安裝示意

防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)高度智能化、集成化，系統(tǒng)服務(wù)器集成為高壓電纜精益化管理平臺中一監(jiān)測子模塊，并配套人性化的人機(jī)交互界面。對于被監(jiān)測區(qū)域無需人工巡查，通過監(jiān)控大廳屏幕即可顯示監(jiān)測區(qū)域電纜整條線路的振動(dòng)信息，并能夠通過綜合分析監(jiān)測振動(dòng)信號在時(shí)間、空間和頻率上的特征，與特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，可對電纜受到外力破壞情況進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和定位報(bào)警，結(jié)合圖像識別更加直觀科學(xué)地呈現(xiàn)外破行為。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。振動(dòng)信號和監(jiān)控圖像經(jīng)識別處理后通過4G/5G 方式傳入采集服務(wù)器，進(jìn)而通過監(jiān)控大屏展示。為方便運(yùn)維人員查看，同時(shí)開發(fā)了電腦和手機(jī)客戶端，客戶端軟件主界面分在線監(jiān)控展示和信息分析區(qū)，可以電子地圖形式展示各防區(qū)的報(bào)警狀態(tài)，以列表形式展示報(bào)警信息歷史記錄，還可查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。

2.2 光纖振動(dòng)信號識別

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

振動(dòng)信號采集環(huán)節(jié)通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集的門限閾值來判定對電纜及通道外力入侵破壞事件進(jìn)行持續(xù)采集并存儲。信號識別算法流程如圖4 所示，算法針對典型施工機(jī)具各自的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的分類器，每種施工機(jī)具具有不同特點(diǎn)，如電鎬和液壓沖擊錘信號具有明顯的周期性，挖掘機(jī)信號具有不規(guī)則性，切割機(jī)信號具有持續(xù)穩(wěn)定性。振動(dòng)信號識別算法設(shè)計(jì)了3 層分類器，通過對一秒信號的有效采樣點(diǎn)數(shù)占比分類出噪聲和施工機(jī)具，通過時(shí)域信號分類為持續(xù)信號和脈沖信號，最后通過頻譜特征分類器識別出施工機(jī)具類型，共可識別汽車、切割機(jī)、手鎬、液壓沖擊錘、挖掘機(jī)5 種典型施工機(jī)具。

圖4 識別算法流程

圖5—7 分別為切割機(jī)距離電纜通道10 m 施工時(shí)、挖掘機(jī)50 m 施工時(shí)和液壓沖擊錘18 m 施工時(shí)的時(shí)域信號和頻譜圖。可以看出，切割機(jī)信號與白噪聲相似，不具備周期性，頻譜圖中幅值在7 500 Hz 以內(nèi)相差不大；挖掘機(jī)信號沒有周期性，信號波形很大程度上與操作人員的操作有關(guān)，其每個(gè)時(shí)刻的頻譜有的相似，而有的又差別很大；液壓沖擊錘信號具有明顯周期性，但每一周期間頻譜有不同程度的差別，且頻譜很寬，屬于帶寬信號，因此液壓沖擊錘的振動(dòng)信號是非平穩(wěn)的周期性帶寬信號。

2.3 圖像識別

振動(dòng)波形只能通過分類器識別有限的5 種施工機(jī)具，且振動(dòng)信號受外界多種因素干擾，邁克爾遜干涉原理上也難以實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)源的準(zhǔn)確定位和距離判別，因此需結(jié)合圖像識別技術(shù)對現(xiàn)場振動(dòng)源進(jìn)行視覺定位和圖像識別。圖像識別技術(shù)采用開源神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法YOLOv2，該算法的模型訓(xùn)練如圖8 所示。首先將ImageNet 分類數(shù)據(jù)集用于分類模型的預(yù)訓(xùn)練；接著利用Pascal VOC 和Ms COCO 物體檢測數(shù)據(jù)集進(jìn)行微調(diào)完成檢測模型預(yù)訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的模型遷移至施工機(jī)具識別問題上進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)。遷移學(xué)習(xí)采用自建的施工機(jī)械圖像識別庫，現(xiàn)場采集1.1 萬張各類施工機(jī)械圖片，其中1 萬張圖片用于訓(xùn)練集，1 千張用于測試集。為了使模型更具魯棒性，訓(xùn)練集的圖片經(jīng)縮放、裁剪、旋轉(zhuǎn)等操作使其具有更高分辨率和更多角度。

圖5 切割機(jī)10 m 信號波形

圖6 挖掘機(jī)50 m 信號波形

圖7 液壓沖擊錘18 m 信號波形

圖8 圖像識別算法訓(xùn)練流程

圖像識別模型經(jīng)多次訓(xùn)練后準(zhǔn)確率高達(dá)96.6%，與光纖振動(dòng)監(jiān)測識別模塊高度融合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別效果如圖9 所示。

圖9 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別效果

3 防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場驗(yàn)證

運(yùn)維人員在施工沿線涉及的一回220 kV 電纜通道上試點(diǎn)部署了該系統(tǒng)，設(shè)置500 m 通道范圍防區(qū)（如圖10 所示），以驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測效果。

在該系統(tǒng)試點(diǎn)運(yùn)行的5 個(gè)月內(nèi)，共收到23起光纖外破報(bào)警，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)圖像識別和人工驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，汽車和手鎬信號報(bào)警各出現(xiàn)3 次誤警，光纖振動(dòng)報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)74%，而圖像識別結(jié)果與人工判別結(jié)果均一致。某日傍晚，監(jiān)測裝置收到入侵報(bào)警信號，通過平臺推送的系統(tǒng)監(jiān)測振動(dòng)信號波形和對應(yīng)圖像識別結(jié)果分別如圖11、圖12 所示，發(fā)現(xiàn)在電纜通道保護(hù)區(qū)存在挖掘機(jī)施工和可疑人員入侵，經(jīng)與施工單位現(xiàn)場對接，成功阻止了一起外破事件，確保了線路安全運(yùn)行。

圖10 系統(tǒng)安裝示意

表1 試點(diǎn)應(yīng)用5 個(gè)月內(nèi)報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)

圖11 客戶端振動(dòng)波形

圖12 觸發(fā)報(bào)警球機(jī)圖像識別

4 結(jié)語

本文介紹了邁克爾遜干涉光纖振動(dòng)傳感原理，并基于傳感原理結(jié)合圖像識別技術(shù)設(shè)計(jì)搭建了一套光纖振動(dòng)源防外破監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光纖作為傳感器監(jiān)測振動(dòng)信號，同時(shí)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控球機(jī)拍攝現(xiàn)場照片進(jìn)行圖像識別，實(shí)現(xiàn)了對電纜通道保護(hù)范圍振動(dòng)源的高靈敏度、高準(zhǔn)確率外破預(yù)警和視覺定位。該系統(tǒng)已在電纜生產(chǎn)運(yùn)維中試點(diǎn)應(yīng)用并取得良好效果。

（1）該系統(tǒng)以長約500 m 的電纜段作為一個(gè)防區(qū)，光纖隨通道敷設(shè)，結(jié)合智能接地箱安裝監(jiān)測主機(jī)等設(shè)備，使用邊緣計(jì)算設(shè)備提高系統(tǒng)響應(yīng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)接入電纜精益化管理平臺。

（2）振動(dòng)信號監(jiān)測識別模塊針對施工機(jī)具特點(diǎn)設(shè)計(jì)3 層分類器，可實(shí)現(xiàn)對汽車、切割機(jī)、手鎬、液壓沖擊錘、挖掘機(jī)5 種典型施工機(jī)具的監(jiān)測識別。

（3）圖像識別模塊采用YOLOv2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，經(jīng)訓(xùn)練后可準(zhǔn)確識別人和機(jī)械等多種常見可疑對象，準(zhǔn)確率達(dá)96.6%。