CN112781711B - 基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，包含步骤：实时采集光纤光栅振动传感光缆的振动数据，选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业特征频率点；选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；统计当前计算时窗内作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；选取一定时长监测时窗，完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值个数；计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；根据各传感测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

Description

基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法

技术领域

本发明涉及光纤监测领域，尤其涉及一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法。

背景技术

城市地铁作为一种十分便利的交通工具近年来在国内大中城市得到快速发展。由于地铁修建在地下几十米深，属于隐蔽性工程，其上方的地面旋挖钻孔作业往往对地铁隧道和设备造成破坏，引发安全事故。这种具有破坏性的地铁外部入侵事件近年来在国内外屡有发生，是危害地铁线路安全运营的重大隐患。因此，实现对地铁旋挖钻孔设备作业的实时有效的监测报警和定位对保障地铁线路的安全至关重要。

现阶段预防地铁上方旋挖钻孔设备作业方法主要依赖于人员沿线巡查。但由于地铁线路长、分布广，人员巡查方式工作量大、及时性差，晚间巡查质量往往难以保证。采用无人机沿线巡航拍摄定位报警的方式，易受到气候，建筑物遮挡等影响，且基于图像识别的定位报警实时性差。

阵列光纤光栅振动传感器是近年来新发展的基于低反射率弱/超弱光纤光栅的振动信息感知系统。该系统不仅具有常规光纤的耐高温、抗腐蚀、本质安全等特性，而且具有大容量、高精度、传输的能力，可以满足对地铁全线路开展全时全域安全监测的需求。在地铁隧道洞壁内沿线布设光纤传感光缆，可以感知旋挖钻孔设备地面违法作业时产生的振动信号，通过识别和解译设备信号，能够达到监测的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，准确实时监测地铁沿线旋挖钻机入侵作业，并确定设备所处位置。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，包含如下步骤：

S1、实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅振动传感光缆的振动数据，选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；

S2、选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业特征频率点；

S3、选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；

S4、统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；

S5、选取一定时长监测时窗，按照上述步骤完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数；

S6、计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

S7、根据各测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

接上述技术方案，光纤光栅振动传感光缆的振动数据通过振动信号解调仪进行信号解调，并以固定的采样频率采集振动数据。

接上述技术方案，步骤S2中，利用选取的频谱分析窗口，对频谱数据从低频率点至高频率点滑动，计算窗口内振幅的平均值，并比较平均值和窗口中心值。

接上述技术方案，计算窗口内振幅的平均值

选取一个倍数n，如果窗口中心值A_c大于n倍平均值/>

即/>

则输出窗口振幅值，否则输出为0。

根据权利要求1所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，步骤S3中，利用选取的频率点限窗，对输出的振幅序列从低频点至高频点滑动，寻找窗口内最大振幅，如果窗口中心点幅值与最大幅值相等，则输出窗口振幅值。

接上述技术方案，步骤S6中，计算监测窗口内标记值的个数所占比例，设置一个预警值和一个报警值，如果比例小于预警值，则对当前监测时窗推出正常提示；如果比例大于预警值且不大于报警值，则推出预警提示；如果比例大于报警值,则推出报警提示。

接上述技术方案，步骤S7中，根据各传感测区报警状态，确定报警传感测区范围及中心点，中心点为旋挖钻孔设备作业位置。

本发明还提供一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警系统，包括：

采集模块，用于实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅振动传感光缆的振动数据；

频谱变换模块，用于选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各传感测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；

作业频率点筛选模块，用于选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业频率点；选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；

作业频率点标记模块，用于统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；选取一定时长监测时窗，完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数；

报警模块，用于计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

定位模块，用于根据各传感测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

本发明还提供一种存储介质，其可被处理器执行，其内存储有计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法。

本发明产生的有益效果是：本发明基于光纤振动传感器采集信号，将时域信号转换到频域进行钻孔设备振动的特征频率的识别，克服了地铁隧道接收的钻机时域信号弱而无法识别的缺点；采用滑动窗进行钻机作业频率点查找，有效解决同一钻机存在多个特征频率及不同类型钻机特征频率不同的问题；本发明基于钻机作业在固定位置一般具有持续工作等特点，提出采用一定时长监测时窗统计钻机事件的标记个数以对钻机作业持续性进行判断，有效避免了地铁列车过车以及路面车辆产生的噪声干扰引起的系统误报；本发明能够有效地、准确地、实时地对地铁上方钻孔设备入侵进行监测和定位。

此外，本发明通过基于分布式光纤光栅测振光缆进行振动信号采集和处理，其中分布式光缆具有大容量，长距离监测的优点，能够实现地铁沿线全区域钻机作业实时监测；而且分布式振动传感光缆具有结构简单，成本低，易维护的特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法流程图；

图2是本发明实施例分布式光纤光栅测振光缆在地铁隧道洞壁敷设示意图；

图3是本发明实施例光缆振动传感数据；

图4是本发明实施例第160传感测区580s-585s时域信号及频谱计算窗口；

图5是图4中频谱计算时窗内信号的频谱及滑动窗；

图6是本发明实施例识别出的频率点及频率点限窗；

图7是本发明实施例识别出的旋钻设备频率点；

图8是本发明实施例第160传感测区报警状态；

图9是本发明实施例第132至第182传感测区报警状态；

图10是本发明实施例基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法包括以下步骤：

S1、实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅传感光缆振动数据，选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各传感测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据。

本发明实施例的测振光缆采用的是分布式光纤光栅阵列传感器，每根光纤上刻有大数量光栅，每两个相邻光栅之间的光纤段构成一个独立的信号传感测区。测振光缆具有大容量、长距离以及高精度信号采集能力，能够实现隧道全区域监测。测振光缆沿着隧道洞壁进行敷设，以保证地铁上方的钻孔设备作业信号能够有效检测。

由于隧道距离地面有几十米深，传感器接收到的来自隧道上方的钻孔设备振动信号较弱，时域信号难以有效识别钻机作业信号。因此本发明提出将时域信号转换到频域进行处理，以克服时域无法识别的缺点。

S2、选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业特征频率点。

钻机作业时，其发动机产生的振动近似为多个正弦扰动的叠加，在频谱表现出多个可以区分的近似脉冲振幅，即钻机作业的特征频率。设置频谱分析窗口对整个频谱进行分析，在一定的频带范围内从低频点向高频点逐个频率点滑动计算，寻找钻孔设备作业特征频率点。

S3、选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点。

通过频谱分析得到的钻机频率点可能有多个，且存在频率连续点。为避免频率连续点产生的错误的识别结果，可通过频率点限窗进行提取，保证限窗内只有一个幅值最大的频率点。

S4、统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，如果存在设备作业频率则对当前时窗进行标记。

当前计算时窗一般选取的时间较短，可近似看做当前时刻。如果该时窗被标记，则表明当前时刻存在钻机作业事件。

S5、选取一定时长监测时窗，按照上述步骤完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数。

由于地铁沿线存在地铁列车过车以及路面车辆产生的噪声干扰，可能在某一时刻存在与钻机相同频率特征的信号。如果仅仅识别瞬时频率无法区分钻机和干扰振动，容易导致较为严重的误报率。钻机作业往往在固定位置连续作业一段时间，因而其特征频率具有持续性，而噪声干扰的频率一般是随机的。因此本发明设置一定长度的监测时窗，在此监测时窗内按S1-S4的步骤识别钻机特征频率，并统计监测时窗内标记数目，以确定钻机在该监测时窗内的作业的频率是否具有连续性。

S6、计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

监测时窗内标记的个数所占比例表明了该监测窗口内存在钻机作业事件可能性的大小，根据比例可以确定当前时刻报警状态。

S7、根据各传感测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

因为测振光缆是沿隧道洞壁分布式多点监测，本发明同时计算了整条光缆所有传感测区的报警状态。由于钻机作业振动具有一定的影响范围，可能导致连续多个测区出现报警，因此可以根据报警的传感测区范围确定报警中心点，中心点即对应钻机作业的位置。

本发明一个实施例中，如图2所示，为地铁隧道监测旋钻挖机设备入侵的分布式测振光缆沿隧道洞壁敷设示意图，其中传感测区间距5米，传感光缆连接到测振解调仪。数据采集频率为1kHz。图3显示整条光缆第132-182传感测区的1000s振动信号。

具体实施方式为，对实时采集的各传感测区振动信号依次进行处理。针对单传感测区数据，步骤S1中选取的频谱计算窗口为5s，如图4所示。对窗口中的振动信号做傅里叶变换，得到信号频谱，如图5所示。

步骤S2中确定需要分析的旋挖钻孔设备作业频率寻找范围为2.5Hz-40Hz，选取的滑动窗口为2Hz(如图5)，计算窗口振幅的平均值

选取的倍数n为3，如果窗口中心值A_c大于3倍平均值/>

即/>

则输出窗口振幅值，否则输出为0。

在步骤S3中选取的频率点限窗为1Hz，如图6所示。对步骤S2中输出的振幅值利用频率点限窗从低频点向高频点滑动，寻找窗口内最大值，如果窗口中心点幅值与最大值相等，则输出窗口幅值，否则输出为0。

在步骤S4中，对存在设备频率的时窗标记1，否则标记0。

在步骤S5中选取的监测窗口长度为2分钟，对监测窗口统计标记值为1的时窗个数进行统计并计算所占比例P。

在步骤S6中，设置预警值为0.4，报警值为0.6，根据式(1)推送监测窗口的报警状态。

对单传感测区振动数据所有时刻实施步骤S1至S5即可得到单传感测区报警状态，如图8所示，本实施例中，报警起始于100s左右，指示有旋挖设备作业，在980s左右报警停止，指示旋挖设备关停。对所有传感测区振动数据实施步骤S1至S5即可得到整个传感测区报警状态，如图9所示。根据传感测区报警状态判断，报警中心传感测区位置在160 传感测区附近，指示旋钻设备位于第160传感测区附近。

如图10所示，本发明还提供一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警系统，该系统用于执行上述实施例的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，该系统包括：

采集模块，用于实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅振动传感光缆的振动数据；

频谱变换模块，用于选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各传感测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；

作业频率点筛选模块，用于选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业频率点；选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；

作业频率点标记模块，用于统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；选取一定时长监测时窗，完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数；

报警模块，用于计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

定位模块，用于根据各传感测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

该系统的模块主要用于执行上述方法的各个步骤，重复部分在此不一一赘述。

本发明实施例的存储介质，其可被处理器执行，其内存储有计算机程序，该计算机程序执行上述实施例的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1、实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅振动传感光缆的振动数据，选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；

S2、选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业特征频率点；具体利用选取的频谱分析窗口，对频谱数据从低频率点至高频率点滑动，计算窗口内振幅的平均值，并比较平均值和窗口中心值；

S3、选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；具体利用选取的频率点限窗，对输出的振幅序列从低频点至高频点滑动，寻找窗口内最大振幅，如果窗口中心点幅值与最大幅值相等，则输出窗口振幅值；

S4、统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；

S5、选取一定时长监测时窗，按照上述步骤完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数；

S6、计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

S7、根据各测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

2.根据权利要求1所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，光纤光栅振动传感光缆的振动数据通过振动信号解调仪进行信号解调，并以固定的采样频率采集振动数据。

3.根据权利要求1所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，计算窗口内振幅的平均值

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，则输出窗口振幅值，否则输出为0。

4.根据权利要求1所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，步骤S6中，计算监测窗口内标记值的个数所占比例，设置一个预警值和一个报警值，如果比例小于预警值，则对当前监测时窗推出正常提示；如果比例大于预警值且不大于报警值，则推出预警提示；如果比例大于报警值,则推出报警提示。

5.根据权利要求1所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法，其特征在于，步骤S7中，根据各测区报警状态，确定报警测区范围及中心点，中心点为旋挖钻孔设备作业位置。

6.一种基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集沿地铁隧道洞壁进行敷设的光纤光栅振动传感光缆的振动数据；

频谱变换模块，用于选取一定时长的频谱计算时窗，对时窗内各测区信号进行实时短时傅里叶变换，得到频谱数据；

作业频率点筛选模块，用于选取一定宽度的频谱分析窗口，对频谱数据进行筛选，寻找旋挖钻孔设备作业频率点；选取一定宽度的频率点限窗，对筛选的旋挖钻孔设备作业频率点进行滑动提取，确保频率点限窗内仅有一个频率点；具体利用选取的频谱分析窗口，对频谱数据从低频率点至高频率点滑动，计算窗口内振幅的平均值，并比较平均值和窗口中心值；利用选取的频率点限窗，对输出的振幅序列从低频点至高频点滑动，寻找窗口内最大振幅，如果窗口中心点幅值与最大幅值相等，则输出窗口振幅值；

作业频率点标记模块，用于统计当前计算时窗内旋挖钻孔设备作业频率点个数，若大于零，则对当前时窗进行标记；选取一定时长监测时窗，完成监测时窗内的窗口标记，并统计标记值的个数；

报警模块，用于计算监测窗口内标记值个数所占的比例，确定当前时刻报警状态；

定位模块，用于根据各测区报警状态，确定旋挖钻孔设备作业位置。

7.一种存储介质，其特征在于，其可被处理器执行，其内存储有计算机程序，该计算机程序执行权利要求1-5中任一项所述的基于光纤振动传感的地铁上方钻孔设备入侵定位报警方法。

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