水利工程中光纖在線檢測系統設計

劉 毅，郭江濤，劉 震

（1.武漢長飛智慧網絡技術有限公司，湖北 武漢 430000；2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東 廣州 510000）

1 光纖在線檢測系統的硬件設計

光纖在線檢測系統的硬件包括光纖傳感器多路復用數據采集、光纖傳感信號數據傳輸、計算機智能分析控制三大子系統。整個系統硬件結構如圖1所示。

圖1 光纖在線檢測系統硬件結構圖

根據圖1可知，其核心技術是將光纖傳感器作為節點構成數據采集環的拓撲結構，將光纖傳感器制成嵌入型或貼片型，并與水利工程結構完全相適應。本文采用了光纖在線檢測系統，該系統采用多路傳輸和多端雙向詢問技術，構成一個用于多路采集數據的光纖傳感環網。如此一來，即便是環狀光纖傳感器中的某個節點被破壞或斷裂，也不會對測量點的光纖傳感器產生影響，同時，由于其他的光纖傳感和測量系統仍然能夠工作，因此，該冗余度的特點極大地改善了整個監控系統的可靠性，這對水利工程中的應變分布、實時監測具有重要意義。

1.1 數據采集系統

由于大壩受到外界環境和其內部物理特性的影響，在一定程度上都會對水利工程產生影響，采集水利工程結構相關數據，以確定從每個監測點傳回的數據，并依據監測的內容，設計了相應的數據采集模塊。在實際鋪設中，光纖傳感接頭可能會出現損壞、斷裂等問題。為避免因某一分支的感應器與系統發生脫節而造成整體故障，在鋪設過程中，大多采取多路復用技術，構成環狀傳感網絡來實現多路數據的采集。

1.2 監控系統

在水利水電工程中，光纖在線監測是一個非常關鍵的環節。在水利工程施工過程中，將光纖傳感器嵌入到受監控的重要位置。當監測點的被測參數發生突變或存在安全隱患時，通過光纖傳感系統，將測量到的參數快速轉化為數字信號，并通過數據傳送系統發送至計算機軟件應用平臺，由中央處理器對其進行智能分析和監控。警報程序會對數據庫中的數據逐行掃描和分析。在異常情況下，通過手機短信、自動語音等方式實現報警功能；若為正常，報警程序將不進行處理，并繼續進行下一次輪詢掃描。輪詢程序定期掃描氣象網絡鏈路中的所有節點，及時獲得水利工程中壩體各段的狀態信息，實現了光纖數據智能監控的目的。

2 光纖在線檢測系統的軟件設計

2.1 構建光纖在線數據采集模型

在水利工程的故障診斷中，采用光纖對其進行檢測。但光纖檢測到的音波會隨著時間的推移逐漸減弱，即表示音波逐漸減弱的時間；表示音頻音譜；表示聲子頻譜中的傳播時間。在這種情況下，光纖感應器檢測的聲波需要被增益，所以，設置頻譜中的峰值增益為 ；反射率為 ；聲波速度頻移為；頻譜的半峰全寬度為，則有

2.2 數據處理

2.3 告警識別

為了對這些數據進行識別，建立了一個用于實時預警與歷史預警信息匹配的關聯模型，利用相關規則，對報警信息進行匹配，最后，根據最優匹配和相應的故障作為報警信號的輸出，實現了對數據的報警識別[3]。

第1步：計算匹配度

匹配度是對告警信息進行分析，并根據不同的屬性進行權重計算。配準的公式為

第2步：智能告警的匹配程度分級

警報等級屬性表示失效的程度，較低的警報等級表示故障的嚴重程度。為了對監控系統的失效程度進行定量，將其分為四個級別。從失效和告警之間的關系上來看，低級別告警的失效將不再導致高級別的警報。因此，不同類型的警報級別差異越大，兩級間的失效關聯概率越低，對應的對應程度也就越低。

第3步：優化告警閾值

人工設置初始化的門限，用來與告警信息相匹配。智能監測告警信息權重的計算公式為

以歷史資料為輸入，計算出最優的告警匹配因子，并確定告警閾值。根據閾值，將各告警系統的總體匹配情況進行對比，當監控目標與檢測目標的匹配度超過閾值時，即為成功告警，并將告警信息輸出；當整體的匹配程度小于閾值時，就被稱作虛假告警。

3 仿真實驗

為了驗證文中光纖在線檢測系統的可靠性與優越性，分別對其進行仿真分析。

3.1 實驗準備

本文取某水庫為檢測對象，在機房裝置2臺8通道光纜監測設備（RTU），共設18個檢測節點。本文利用三維實時仿真軟件MultiGen Vega，仿真模擬大壩結構，進行仿真實驗。

3.2 實驗結果與分析

為了驗證本文設計系統的準確性，分別使用文獻[1]的基于激光雷達的水利工程質量安全檢測方法、文獻[2]的基于探地雷達的水利工程質量檢測以及本文所設計的光纖在線檢測系統進行檢測，將三種不同程度故障數量，在壩體結構監測節點上設置為1，分別檢測三種故障程度支撐節點，在水壩模擬圖象中標記位置，為了便于對實驗數據進行記錄，在不同部位使用了18個字母，分別對三種故障檢測方法進行了檢測，并與實測數據進行了對比，結果如圖2所示。

圖2 不同程度的壩體結構支承節點故障位置的檢測

如圖2所示，文獻[1]系統在檢測輕微故障位置時出現錯誤，文獻[2]系統在檢測輕微故障以及嚴重故障位置上都出現了錯誤，只有本文介紹的系統沒有發生故障定位誤差的問題，具有較高的準確性。

在此基礎上，為進一步驗證本文所提方法的有效性，測試不同系統的告警反應耗時，結果如圖3所示。

圖3 不同系統告警反應耗時對比

分析圖3可知，隨著實驗迭代次數的不斷增加，不同系統告警反應耗時也在不斷變化。但本文所提的水利工程中光纖在線檢測系統的告警反應耗時始終在3種方法中保持最少狀態，且基本維持在2 s以下。以上結果表明，該系統的報警響應速度較快。這是由于光纖在線檢測系統的分析過程計算速度快、能夠迅速地檢測到異常信息，從而大大節省了告警處理時間。

4 結束語

由于多年的運行，水利工程的結構會逐漸老化，產生裂縫、損壞等，這種裂縫和損壞會使混凝土壩的安全性能下降，甚至有可能發生坍塌，因此，要防止這種情況發生，就需要對混凝土結構的裂縫、損壞等進行檢測。本文所設計的光纖在線檢測系統，可以精確地記錄裂縫、損壞的發生和發展，具有較高的精準度，對水利工程施工、維護工作具有參考意義，可以簡化維護流程，提高維護工作的效率，具有一定的使用價值。■