基于分布式光纖振動(dòng)的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

唐文娟,白 謀,王玲容

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2022年年底,廣西高速公路通車(chē)總里程突破8 000 km,在建和建成總里程近1.5×104km[1],為廣西帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,但是諸多交通安全相關(guān)問(wèn)題接踵而來(lái),如擁堵、交通事故等。各種突發(fā)交通安全事件的產(chǎn)生不但影響高速公路的運(yùn)行效率和通行能力,還造成社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失、甚至人身傷亡等嚴(yán)重后果。現(xiàn)階段廣西高速公路車(chē)輛檢測(cè)主要依賴(lài)視頻監(jiān)控相機(jī),但相機(jī)鏡頭易受污染,在夜晚和異常天氣車(chē)輛檢測(cè)效果欠佳。此外,由于其作為一種分立式、點(diǎn)式固定傳感裝置,只能監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)的公路,需要設(shè)置非常多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高速公路車(chē)輛全程檢測(cè)監(jiān)控,成本高昂。

為提升高速公路運(yùn)行的安全性和可靠性,并節(jié)約建設(shè)和維護(hù)成本,現(xiàn)提出基于分布式光纖振動(dòng)的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用沿路側(cè)敷設(shè)的光纖感知由車(chē)輛所引起的振動(dòng),通過(guò)相干光電檢測(cè)系統(tǒng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),解調(diào)包含車(chē)輛振動(dòng)的電信號(hào)后,再利用特征識(shí)別算法進(jìn)行學(xué)習(xí)和識(shí)別,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全路段運(yùn)行車(chē)輛進(jìn)行全時(shí)空感知以及相關(guān)公路事件的智能認(rèn)知,建立光纜通信沿線(xiàn)的整體交通連續(xù)監(jiān)測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)諸如車(chē)輛位置、車(chē)速檢測(cè)、擁堵檢測(cè)、交通流量和通行能力等一系列遠(yuǎn)程、全天候的監(jiān)測(cè)。

1 分布式光纖技術(shù)簡(jiǎn)介

分布式光纖傳感技術(shù)是一種融合光通信和集成光學(xué)的新型傳感技術(shù),基于光反射、光散射等原理,利用光纖自身作為傳感介質(zhì)和傳感單元,探測(cè)周?chē)駝?dòng)信號(hào),成本較低,且一次鋪設(shè),可長(zhǎng)久重復(fù)利用,具有極高的市場(chǎng)價(jià)值。相較于點(diǎn)式光纖傳感技術(shù),其可實(shí)現(xiàn)10 km以上的長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè),在國(guó)內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于石化管道監(jiān)測(cè)[2]、安防監(jiān)測(cè)[3]、結(jié)構(gòu)物檢測(cè)[4]等領(lǐng)域并取得良好效果,而該技術(shù)在高速公路領(lǐng)域應(yīng)用也引發(fā)了各大高校的研究熱潮[5-6]。

2 分布式光纖車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)原理及組成

分布式光纖車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)是在道路兩側(cè)敷設(shè)傳感光纖,其原理為窄線(xiàn)寬激光器發(fā)出連續(xù)激光經(jīng)過(guò)耦合器、聲光調(diào)制器形成脈沖光后,再經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入到分布式傳感光纖中,車(chē)輛行駛經(jīng)過(guò)時(shí),車(chē)輪碾壓路面以及車(chē)輛自身噪聲引起路面振動(dòng),并傳導(dǎo)到路側(cè)敷設(shè)的光纖上,引發(fā)光纖線(xiàn)路上發(fā)生擾動(dòng);彈光效應(yīng)使光纖相應(yīng)位置的折射率發(fā)生變化,將兩個(gè)時(shí)刻的后向散射光強(qiáng)曲線(xiàn)相減就能得出車(chē)輛的位置信息,并利用算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。Φ-OTDR車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 Φ-OTDR車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖

3 分布式光纖車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ),系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了分布式光纖振動(dòng)傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、工控機(jī)、微控制器、供電模塊等五大模塊。此外,還有位于前面板的指示燈和位于后面板的探測(cè)光纖接口。系統(tǒng)硬件組成與連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 基于Φ-OTDR車(chē)輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成框圖

光纖振動(dòng)傳感模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心,考慮到系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)范圍需要比較大的入射光功率,且系統(tǒng)的靈敏度主要受限于后端信號(hào)的處理,因此模塊采用了摻鉺放大器加分布式拉曼放大技術(shù)雙放大方案,實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離靈敏探測(cè)。具體為該模塊產(chǎn)生雙通道的探測(cè)光脈沖通過(guò)摻鉺光纖放大器將峰值功率放大后注入待測(cè)光纖中,待測(cè)光纖中激發(fā)出的后向瑞利散射光經(jīng)過(guò)分布式拉曼放大技術(shù)后又從光纖接口返回至該模塊,并在模塊內(nèi)完成對(duì)后向瑞利散射光的探測(cè)與調(diào)理,完成一系列模擬信號(hào)的處理,最終輸出電壓信號(hào)供后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集光纖振動(dòng)傳感模塊輸出的兩通道信號(hào),同時(shí)產(chǎn)生指定寬度的電脈沖信號(hào),用于光纖振動(dòng)傳感模塊光脈沖產(chǎn)生,使脈沖產(chǎn)生與數(shù)據(jù)采集的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)得更精確。

工控機(jī)通過(guò)PCI-E接口從數(shù)據(jù)采集模塊高速獲取采集得到的后向瑞利散射信號(hào),工控機(jī)內(nèi)的軟件算法完成這些數(shù)據(jù)的處理、分析、顯示,同時(shí)工控機(jī)還將通過(guò)微控制器對(duì)光纖振動(dòng)傳輸模塊的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

微控制器基于簡(jiǎn)單的單片機(jī),便于工控機(jī)與光纖振動(dòng)傳感模塊的通信,同時(shí)提供GPIO接口,控制試驗(yàn)樣機(jī)前面板的LED指示燈,通過(guò)這些指示燈可以直觀(guān)地了解到系統(tǒng)目前的工作狀態(tài)。

供電模塊由市電AC220V轉(zhuǎn)換出需要的各種直流電壓,包括DC24V、DC12V、DC5V、DC3.3V等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高速公路周?chē)厥猸h(huán)境、外界溫度以及光纜的敷設(shè)方式都會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變,必須采取增敏、降噪技術(shù)以提高傳感光纜的檢測(cè)靈敏度,降低外界干擾的影響,提高信號(hào)的信噪比、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍和定位識(shí)別的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)主要包括振動(dòng)信號(hào)采集與預(yù)處理、振動(dòng)信號(hào)降噪、定位和智能認(rèn)知。

4.1 振動(dòng)信號(hào)采集與預(yù)處理

振動(dòng)信號(hào)的采集是整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的前提。本系統(tǒng)通過(guò)采集卡提供的SDK,將由每個(gè)光脈沖激發(fā)的后向瑞利散射光的探測(cè)數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。此外,由于高速公路環(huán)境復(fù)雜,存在各種干擾以及光纖傳感器自身固有漂移等,導(dǎo)致系統(tǒng)的光相位緩慢變化,從而引起光纖回傳的信號(hào)強(qiáng)度漂移,信號(hào)的整體幅值變化較大,一些有用的振動(dòng)信號(hào)被淹沒(méi),進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)的情況。為此,采用預(yù)加重對(duì)信號(hào)的高頻成分進(jìn)行加重,提高信號(hào)的高頻分辨率,使信號(hào)中的細(xì)節(jié)信息得以凸顯,同時(shí)降低幅度漂移信號(hào)的低頻部分,有利于信號(hào)后續(xù)的分析和處理。

4.2 信號(hào)降噪

經(jīng)過(guò)預(yù)處理輸出的振動(dòng)時(shí)間序列信號(hào)依然包含大量的噪聲,而常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等算法針對(duì)信號(hào)間斷性造成的模態(tài)混疊現(xiàn)象沒(méi)法解決。本文提出使用變分模態(tài)分解方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪,且在求解變分問(wèn)題過(guò)程使用交替方向乘子法,分解得到信號(hào)所有模態(tài),再將含有主要信號(hào)的模態(tài)進(jìn)行重新構(gòu)造,得到有效的信號(hào)。圖3是經(jīng)過(guò)該算法處理后得到的信號(hào)瀑布圖。

圖3 變分模態(tài)分解處理后的光纖振動(dòng)信號(hào)瀑布圖

4.3 振動(dòng)信號(hào)定位

為滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求,并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行有效、針對(duì)性處理,需對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定位認(rèn)知。本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置幅度閾值進(jìn)行判斷,當(dāng)光纖上某個(gè)位置的信號(hào)振動(dòng)幅度超過(guò)該值,就認(rèn)為光纖在該處發(fā)生了振動(dòng)事件,得到真正的車(chē)輛振動(dòng)片段,進(jìn)行下一步處理,可以縮短處理時(shí)效,增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.4 振動(dòng)信號(hào)智能認(rèn)知

通過(guò)振動(dòng)信號(hào)定位算法,系統(tǒng)可知光纖振動(dòng)的位置,但還需要對(duì)引起振動(dòng)的事件類(lèi)型進(jìn)行認(rèn)知判定,以便用戶(hù)選擇對(duì)應(yīng)的處置措施。振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別的方法計(jì)算量偏大,不利于實(shí)時(shí)識(shí)別。因此,本系統(tǒng)選擇使用多尺度一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,直接將振動(dòng)信號(hào)作為輸入并平衡好信號(hào)時(shí)間分辨率和頻率分辨率的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確魯棒的識(shí)別,同時(shí)設(shè)計(jì)增量學(xué)習(xí)機(jī)制,以滿(mǎn)足系統(tǒng)自適應(yīng)的需求。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

在河百高速公路選點(diǎn)實(shí)施了光纖敷設(shè)、水泥包封等施工,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如后頁(yè)圖4所示。由圖4可知,本系統(tǒng)振動(dòng)波形跟隨著車(chē)輛行駛移動(dòng),車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)效果良好,基本實(shí)現(xiàn)了該路段車(chē)輛全分布式測(cè)量。

圖4 車(chē)輛振動(dòng)差分曲線(xiàn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析高速公路車(chē)輛檢測(cè)實(shí)際情況,結(jié)合新型光纖傳感技術(shù),提供基于分布式傳感技術(shù)的車(chē)輛檢測(cè)解決方法。該方法利用光纖作為傳感和感知單元,敷設(shè)方便不會(huì)對(duì)路基造成損害,具有極高的市場(chǎng)利用價(jià)值,相較于布設(shè)全程視頻監(jiān)控更節(jié)約成本,并且檢測(cè)效果良好,達(dá)到交通管理需求,尤其適合應(yīng)用在山區(qū)車(chē)流量較少但路線(xiàn)較長(zhǎng)的高速公路。