CN111445671A - 基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，包括相互通信连接的用于在监测区域采集实时数据的应力光缆传感器、用于传输信号且与输电线路架空线同设计安装的OPGW光缆以及位于输电线路机房内用于接收和解析信号的监控服务器；所述应力光缆传感器具有光纤应变解析功能，包括相互通信连接的布里渊光时域散射监测设备和作为传感单元的应力光缆；所述布里渊光时域散射监测设备能够采集监测区域范围内地质状态的三维立体的光散射监测参量，所述监控服务器内预存有关于地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型以及地质灾害分析模型。
Description
技术领域
本发明属于电力系统智能运检技术领域，具体涉及基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法与系统。
背景技术
输电线路作为电力系统中的重要组成部分，由于城市的发展，输电线路建设可使用的空间也逐步受到约束，建设地点不可能完全规避掉恶劣的地质环境因素，留下了一定的安全隐患，特别是地理条件特殊，地质环境脆弱的地质灾害易发区，在输电线路的建设地点可能发生滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝等地质灾害的。输电线路地质灾害风险的发生会导致输电线路设备损毁、停运、供电中断，直接给社会与人民的生产生活造成巨大的灾害和经济损失。因此研究地质灾害风险对输电线路的影响，并对重点区域的地质变化进行实时监测和预警，对于输电线路的建设与安全运行具有重要的意义。
目前输电线路的地质灾害监测方法主要有人工巡线观测、卫星遥感、视频图像、地质监测仪监测等，主要监控输电线路的地质灾害风险状况。人工巡线观测主要是通过人工巡视有地质灾害风险的输电线路，对于发现的地质灾害风险现象如地表开裂、地质灾害开裂、倾斜、沉降鼓包等地质特征，上报并进行灾害处理。该方式可对地质灾害风险区域的特征进行直观的判断，观测盲区较小，但是监测的实时性较差，现象特征不明显时较难判断，难以实现缓变型地质灾害风险的预警和突发型灾害的及时处理。卫星遥感技术主要是利用卫星遥感技术监控输电线路与重点观测区域，通过对比不同时期的遥感数据，通过相关分析实现地质灾害风险的发生于演化趋势，实现对地质灾害风险的预警。该方式的监测面较广，可实现对整个输电线路的监测，但是该监测方式容易受到天气的影响，遥感数据的精度较差，且对于外部特征不明显的地质灾害风险无法做到有效识别与预警。视频监控通过在有地质灾害风险的输电线路上加装旋转式摄像头，通过视频图像传回现场的地质状况。该检测方式可以迅速的获取突发地质灾害风险状况如洪水、滑坡等，但是对于外部特征不明显的缓变型地质灾害风险则无法进行监测。环境地质灾害风险监测通过在输电线路周围安装表面位移（裂缝）监测仪、深部位移（测斜）监测仪等环境地质监测仪器监测输电线路附近的地质变化。该方式监测了输电线路重点区域的地质变化，但是无法判断其对输电线路是否造成影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统与方法，对输电线路重点区域的地质灾害风险的相关参数与状态实现准确监测，降低输电线路的运行维护难度，同时可实现对输电线路重点区域的地址灾害风险演变的动态监测，能够对缓变型地址灾害风险提供有效的预警。
本发明的技术方案如下：
基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，包括相互通信连接的用于在监测区域采集实时数据的应力光缆传感器、用于传输信号且与输电线路架空线同设计安装的OPGW光缆以及位于输电线路机房内用于接收和解析信号的监控服务器；所述应力光缆传感器具有光纤应变解析功能，包括相互通信连接的布里渊光时域散射监测设备和作为传感单元的应力光缆；所述布里渊光时域散射监测设备能够采集监测区域范围内地质状态的三维立体的光散射监测参量，所述监控服务器内预存有关于地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型以及地质灾害分析模型。
进一步地，所述地质灾害风险特征监测参量由发生不同地质灾害时特殊的地质状况变化数据的提取、汇总和分析获得；所述地质状况数据包括发生地质灾害时的温度、应变、振动、电流或位移中的至少一种。
进一步地，所述地质灾害分析模型为固定点位的降水量阈值模型，由收集到的地质灾害信息通过数理统计或非线性系统理论模型建立；所述地质灾害信息包括地质灾害风险特征监测参量、气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据；所述灾害数据包括灾害发生的时间、强度、频率和作用机理。
进一步地，所述基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统还包括与监控服务器通信连接的预警展示系统；所述预警展示系统内预存有不同形式和不同等级地质灾害发生时的相应影像和发生时的地质状况数据。
进一步地，基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统应用于输电线路重点区域的地质基础沉降灾害监测和预警。
基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法，将上述基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统布设在输电线路上需要监测的灾害易发区域采集和接收实时地质数据进而分析地质灾害发生概率并进行预警。
进一步地，基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法的具体步骤如下：
S1、将应力光缆传感器安装在输电线路重点监测区域的地基中，利用应力光缆传感器中的布里渊光时域散射监测设备获得待监测区域范围内地基中三维空间的光散射监测参量；
S2、获得的光散射监测参量由应力光缆传感器转换成信号后通过OPGW光缆传输至监控服务器后，由预存在监控服务器内的地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型测算得到地质灾害风险特征监测参量；
S3、根据测算得到的地质灾害风险特征监测参量以及输入到监控服务器中气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据，利用固定点位的降水量阈值模型进行拟合计算得到的数值与预存在监控服务器内的警报阈值进行比对后获得对应的地质灾害分析结果；
S4、将计算得到的地质灾害分析结果传输到与监控服务器通信连接的预警展示系统，通过所述预警展示系统展示对应形式和等级灾害发生时的历史影像信息和地质状况数据供用户查询。
进一步地，所述步骤S4中地质灾害分析结果包括地质灾害发生概率及对应的灾害等级。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明提供的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统和方法，可对输电线路重点区域的地质灾害风险的相关参数与状态实现准确监测，同时降低输电线路的运行维护难度，掌握地质灾害风险对输电线路的影响规律，可为输电线路的大修、技改、反措和灾害防御等提供辅助决策；同时可实现对输电线路重点区域的地质灾害风险演变的动态监测，能够对缓变型地质灾害风险提供有效的预警，对突发型地质灾害风险进行快速灾后评估。
、本发明提供的分布式光传感的输电线路地质灾害监测系统和方法中设置应力光缆传感器，应力光缆传感器铺设在重点区域能够灵敏地感知区域的地质变化，应力光缆传感器主要利用布里渊光时域散射监测设备进行数据采集，布里渊光时域散射监测设备利用先进的光纤分布式传感技术实现输电线路重点区域的突发型、缓变型地质灾害风险的多参数、多种状态的三维立体实时监测，应力光缆作为传感单元具有无源、抗腐蚀、抗老化、抗辐射等优点，可塑性强，适合野外复杂地形地貌的部署，同时信号通过OPGW光缆内部光纤传回至输电线路机房内的监控主机，使电子系统不受外界恶劣环境的干扰，信号更稳定，维护更方便。
附图说明
图1为本发明中基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统的交互示意图。
附图中的标号表示为：
1、应力光缆传感器；11、布里渊光时域散射监测设备；12、应力光缆；2、OPGW光缆；3、监控服务器；4、预警展示系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
参见图1，基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，包括相互通信连接的用于在监测区域采集实时数据的应力光缆传感器1、用于传输信号且与输电线路架空线同设计安装的OPGW光缆2以及位于输电线路机房内用于接收和解析信号的监控服务器3；通信连接方式可采用LoRa无线通信连接；所述监控服务器3可以是，但不限于Web服务器、数据库服务器或ftp服务器等；所述应力光缆传感器1具有光纤应变解析功能，包括相互通信连接的布里渊光时域散射监测设备11和作为传感单元的应力光缆12；所述布里渊光时域散射监测设备11能够采集监测区域范围内地质状态的三维立体的光散射监测参量；所述监控服务器3内预存有关于地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型以及地质灾害分析模型；所述监控服务器3内的组件可以是由具有存储程序的存储器、具有信号处理功能的处理器和用于构建监控服务器3与应力光缆传感器1通信连接的通信单元构成的现有技术中常用的服务器组成组件；所述布里渊光时域散射监测设备11利用光纤应变解析技术原理，从光纤的一端输入一束脉冲光，光脉冲在光纤中传播时，会在其经过的光纤中的每个位置产生反方向的散射光并依次返回到信号发射端，包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射；通过不断的输入脉冲光并连续监测背向散射光脉冲信号，可以感知光纤中每个位置的背向散射光的状态变化；布里渊散射光的布里渊频移与光纤的温度和应变呈线性变化的关系，因此可以通过测量背向布里渊散射光的布里渊频移，可以实现光纤温度应变的分布式监测，同理也能实现振动、位移或电流应变的分布式监测；在光纤应变解析的基础上使用布里渊光纤应变解析,只需在光纤一端测量散射光的布里渊频移，应用范围广；布里渊光纤应变解析具备提取大范围测量场的分布信息的能力，可以同时测量所有空间位置上的信号；通过封装工艺可实现同一根光纤上不同应变敏感程度的应变测量，可以应用于不同地质环境、不同地质灾害风险状态的监测；传感距离远，可实现分布在大范围、多点的远程监测，且便于组网进行实时在线监测。
进一步地，所述地质灾害风险特征监测参量由发生不同地质灾害时特殊的地质状况变化数据的提取、汇总和分析获得，由于地质灾害风险的种类较多，表现特征各不相同，因此需要对不同地质灾害风险发生时的地质状况数据进行收集汇总，作出分析后才能提取获得不同地质灾害时特殊的地质状况变化数据作为监测的基准值，也就是地质灾害风险特征监测参量；所述地质状况数据包括发生地质灾害时的温度、应变、振动、电流或位移中的至少一种。
进一步地，所述地质灾害分析模型为固定点位的降水量阈值模型，由收集到的地质灾害信息通过数理统计或非线性系统理论模型建立；所述地质灾害信息包括地质灾害风险特征监测参量、气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据；所述灾害数据包括灾害发生的时间、强度、频率和作用机理。
进一步地，所述基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统还包括与监控服务器3通信连接的预警展示系统4；所述预警展示系统4内预存有不同形式和不同等级地质灾害发生时的相应影像和发生时的地质状况数据；所述预警展示系统4接收到监控服务器3的信号后，可根据通过监控服务器3获得的地质灾害风险评估的结果进行相关的风险预测展示，用于提示其地质灾害的相关信息和危险性；所述预警展示系统4主要起提示和展示的作用，可以但不限于智能手机、个人电脑、移动上网设备等；所述预警展示系统4内具有存储程序的存储器、具有信号处理功能的处理器、通信单元和显示器，通信单元能够接收来自监控服务器3的信号，通信单元将各种输入/输入装置耦合至处理器、存储器和显示器，处理器接收信号并执行，与预先存储在存储器内的不同形式和不同等级地质灾害发生时的相应影像和发生时的地质状况数据进行比对后筛选出相对应的数据传输到显示器进行展示。
其中，所述监控服务器3和预警展示系统4中的处理器为通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等。还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
进一步地，基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统应用于输电线路重点区域的地质基础沉降灾害监测和预警。
基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法，将上述基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统布设在输电线路上需要监测的灾害易发区域采集和接收实时地质数据进而分析地质灾害发生概率并进行预警。
进一步地，采用基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统来进行监测的方法具体步骤如下：
S1、将应力光缆传感器1安装在输电线路重点监测区域的地基中，利用应力光缆传感器1中的布里渊光时域散射监测设备11获得待监测区域范围内地基中三维空间的光散射监测参量；
S2、获得的光散射监测参量由应力光缆传感器1转换成信号后通过OPGW光缆2传输至监控服务器3后，由预存在监控服务器3内的地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型测算得到地质灾害风险特征监测参量；
S3、根据测算得到的地质灾害风险特征监测参量以及输入到监控服务器3中气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据，利用固定点位的降水量阈值模型进行拟合计算得到的数值与预存在监控服务器3内的警报阈值进行比对后获得对应的地质灾害分析结果；地质灾害分析结果包括地质灾害发生概率及对应的灾害等级；所述地质灾害发生概率可以确定为0-10%、10-20%、20-50%和50-90%四级，对应的地质灾害等级为蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警警报；
S4、将计算得到的地质灾害分析结果传输到与监控服务器3通信连接的预警展示系统4，能够通过地质灾害分析结果提取相对应的历史上曾发生过的等级类似的地质灾害的具体地质数据和可能造成风险的影响资料供用户查询。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，其特征在于：包括相互通信连接的用于在监测区域采集实时数据的应力光缆传感器（1）、用于传输信号且与输电线路架空线同设计安装的OPGW光缆（2）以及位于输电线路机房内用于接收和解析信号的监控服务器（3）；所述应力光缆传感器（1）具有光纤应变解析功能，包括相互通信连接的布里渊光时域散射监测设备（11）和作为传感单元的应力光缆（12）；所述布里渊光时域散射监测设备（11）能够采集监测区域范围内地质状态的三维立体的光散射监测参量，所述监控服务器（3）内预存有关于地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型以及地质灾害分析模型。
2.如权利要求1所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，其特征在于：所述地质灾害风险特征监测参量由发生不同地质灾害时特殊的地质状况变化数据的提取、汇总和分析获得；所述地质状况数据包括发生地质灾害时的温度、应变、振动、电流或位移中的至少一种。
3.如权利要求2所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，其特征在于：所述地质灾害分析模型为固定点位的降水量阈值模型，由收集到的地质灾害信息通过数理统计或非线性系统理论模型建立；所述地质灾害信息包括地质灾害风险特征监测参量、气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据；所述灾害数据包括灾害发生的时间、强度、频率和作用机理。
4.如权利要求2所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统，其特征在于：所述基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统还包括与监控服务器（3）通信连接的预警展示系统（4）；所述预警展示系统（4）内预存有不同形式和不同等级地质灾害发生时的相应影像和发生时的地质状况数据。
5.如权利要求1至4任一所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统应用于输电线路重点区域的地质基础沉降灾害监测和预警。
6.基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法，其特征在于：将如权利要求1至4任一所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测系统布设在输电线路上需要监测的灾害易发区域采集和接收实时地质数据进而分析地质灾害发生概率并进行预警。
7.如权利要求4所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、将应力光缆传感器（1）安装在输电线路重点监测区域的地基中，利用应力光缆传感器（1）中的布里渊光时域散射监测设备（11）获得待监测区域范围内地基中三维空间的光散射监测参量；
S2、获得的光散射监测参量由应力光缆传感器转换成信号后通过OPGW光缆（2）传输至监控服务器（3）后，由预存在监控服务器（3）内的地质灾害风险特征监测参量与光散射监测参量对应的关系模型测算得到地质灾害风险特征监测参量；
S3、根据测算得到的地质灾害风险特征监测参量以及输入到监控服务器（3）中气象预报数据、历史降雨量数据和灾害数据，利用固定点位的降水量阈值模型进行拟合计算得到的数值与预存在监控服务器（3）内的警报阈值进行比对后获得对应的地质灾害分析结果；
S4、将计算得到的地质灾害分析结果传输到与监控服务器（3）通信连接的预警展示系统（4），通过所述预警展示系统（4）展示对应形式和等级灾害发生时的历史影像信息和地质状况数据供用户查询。
8.如权利要求7所述的基于光纤应变解析的输电线路地质灾害监测方法，其特征在于：所述步骤S4中地质灾害分析结果包括地质灾害发生概率及对应的灾害等级。
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