CN114323248A - 一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法及系统，方法包括：通过光纤实时采集管道沿线振动数据；所采集的管道沿线振动数据经切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器处理后得到预处理数据；预置两种探测模式和四种应用场景，根据不同的探测模式和应用场景对预处理数据进行计算得到最终数据；记录使用不同机械工具在检测范围内的振动数据，并标注破坏等级，通过检测振动数据轮廓点特征判断是否满足预警要求；若满足预警要求，则选取振动数据的特征值入库形成数据集训练神经网络模型择优入库；突发性振动事件发生时，振动数据经由神经网络模型判断振动破坏等级，业务层根据有限状态机相关条件执行对应联动操作。
Description
技术领域
本发明属于地埋管道振动等级监测划分领域，具体涉及一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法及系统。
背景技术
地埋管道在城市环境中大量存在，如水利管道、油气管道、热力管道等，是整个城市得以正常运转的关键部分。特别是随着经济和社会的快速发展，在城市建设中，管道安全监测越来越受到施工人员以及管道维护人员的重视。管道安全关乎到民生安全、社会公共资产安全，越来越多的管道使用单位意识到其重要性。管道一旦出现安全事故，会造成巨大的财产，甚至是人员生命损失。对于地埋管道安全防护需求，传统检测方式多为人员定期巡检，难免出现安全监测不及时甚至忽视危险振源。其次，多数场景都会出现多条管道交汇，多个管道延展方向需要同时检测的场景。此外，传统的检测方式通过人工智能方法识别处振动源模式，而实际应用场景中振源模式会远多于预制项，且结合实际，最终用户只需要监测预知振源对管道的破坏程度来做相应决策。针对以上问题，亟需一种多通道长距离监测管网振动预警方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法及系统，该方法针对地埋管道实际应用检测环境，结合应用部门实际监测需求，通过设计四通道分布式光纤振动传感光路，实时监测多检测四个方向的管道振动状况。具备直接探测模式和联合探测模式，有效利用多通道在管道振动检测的优势，灵活可调，振动数据通过轮廓检测方法可以有效分析振动源位置和对应时间，并将振动数据转化为管道破坏程度等级以供最终使用方查看分析，且可以通过有限状态机机制自动做出相应对策。
本发明第一方面提供了一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，包括：
(1)将8芯单模G.652.D光缆敷设在地埋管道上方或侧方监测区域，搭建四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路，通过光纤实时采集管道沿线振动数据；
(2)所采集的管道沿线振动数据经切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器处理后得到预处理数据；
(3)预置两种探测模式和四种应用场景，根据不同的探测模式和应用场景对预处理数据进行计算得到最终数据；
(4)记录使用不同机械工具在检测范围内的振动数据，并标注破坏等级，通过检测振动数据轮廓点特征判断是否满足预警要求；
(5)若满足预警要求，则选取振动数据的特征值入库形成数据集，以数据集为基础通过卷积神经网络建立振动数据与破坏等级链接，训练神经网络模型择优入库；
(6)突发性振动事件发生时，振动数据经由神经网络模型判断振动破坏等级，再将判断结果送入云服务平台业务层，业务层根据有限状态机相关条件执行对应联动操作。
基于上述，将8芯单模G.652.D光缆敷设在地埋管道上方或侧方10cm处监测区域；每个方向探测光缆需至少预留两芯光纤；光纤振动传感光路中，光源包括1550nm激光源和1455nm拉曼泵浦光；激光源生成相参光，经声光调制器移频200MHz并生成脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器、耦合器分光组将相参光分为四路脉冲光，各自经环形器、带通滤光片注入单模振动探测光纤；拉曼泵浦光经耦合器分光组分成四路，分别与脉冲相参光一并通过带通滤光片注入探测光纤；四路探测光纤后向散射光进入光电转换器生成四路经模数转换器生成原始振动数据。
基于上述，对于不同通道、不同区域设计对应切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器。
基于上述，四种应用场景包括：四通道分散场景、四通道三路场景、四通道双路场景、四通道单路场景；
两种探测模式包括：
直接探测模式，一个探测通道对应一个检测方向；
联合探测模式，两个探测通道对应一个检测方向，该情况下，同一检测方向在过对应数字滤波器后有两组数据矩阵取算术平均值作为最终振动数据。
基于上述，将管道破坏等级分为危害、严重、轻微、正常四个等级，使用不同机械工具模拟不同破坏等级振动事件，通过四通道光纤传感振动探测设备采集振动数据，并标注破坏等级；
振动数据矩阵生成振动时空图，记录图像轮廓点；
通过计算轮廓点高度、宽度、面积以及平均强度，达到报警阈值的情况下，提取振动信号能量、均值、方差、三阶中心矩、四阶中心矩、轮廓高度、宽度以及面积作为特征值入库。
基于上述，使用14层卷积神经网络构建振动图像与4种破坏等级链接，其中softmax层为4个输出，对应于4种破坏等级，输入为64×64信号矩阵；使用随机梯度下降SGD对训练集数据进行训练。
基于上述，当地埋管道附近发生振动事件时，采集的振动数据经轮廓检测振动数据过报警阈值后，通过确认得到对应振动破坏等级并将振动特征以及振动等级传送之业务层，更新数据库和模型。
本发明第二方面提供一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警系统，包括四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路和云服务平台，四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路与云服务平台通信连接，用以实现所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法。
本发明技术方案针对地埋管道实际应用检测环境，结合应用部门实际监测需求，通过设计四通道分布式光纤振动传感光路，实时监测四个方向的管道振动状况。具备直接探测模式和联合探测模式，有效利用多通道在管道振动检测的优势，灵活可调，振动数据通过轮廓检测方法可以有效分析振动源位置和对应时间，并将振动数据转化为管道破坏程度等级以供最终使用方查看分析，且可以通过有限状态机机制自动做出相应对策。
本发明技术方案能够实时监控地埋管道状态现状和异常振动预警，并生成风险等级描述图，进而结合多硬件设备和流程处理方法实现联动功能，该方法在地埋振动监测中具有适用性。
附图说明
图1为本发明四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路采集振动数据原理框图。
图2为本发明方法流程框图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，如图1和图2所示，包括：
第一步，地埋光纤铺设。四通道振动光缆传感适用于四路光纤监测区域、三路光纤监测区域、双路光纤监测区域以及单路光纤监测区域。根据实际应用场景，将8芯单模G.652.D光缆敷设在地埋管道上方或侧方10cm处监测区域，每个方向探测光缆需至少预留两芯光纤，搭建四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路，通过光纤实时采集管道沿线振动数据。
第二步，使用四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路探测四路振动信号。光纤振动传感光路中，光源包括1550nm激光源和1455nm拉曼泵浦光；激光源生成相参光，经声光调制器移频200MHz并生成脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器、耦合器分光组将相参光分为四路脉冲光，各自经环形器、带通滤光片注入单模振动探测光纤；
拉曼泵浦光经耦合器分光组分成四路，分别与脉冲相参光一并通过带通滤光片注入探测光纤以提高光回波功率，增加探测距离；四路探测光纤后向散射光进入光电转换器生成四路与光强度相对应的模拟信号，模数转换器向波形生成器发送同步信号以控制声光调制器驱动，进而在对应时间采集模拟信号并转换为数字信号传至信号处理模块。
第三步，对于不同通道、不同区域设计对应切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器，通过设置通带边界频率ωp、阻带边界频率ωs、通带最大衰减Ap、阻带最大衰减As，得到相应数字滤波器h(t)k。其中，四通道数据Bi(i＝1，2，3，4)可表示为：
通道数据行表示光纤对应距离域回波强度，列表示对应距离点随时间波动变化值，通道数据Bi根据实际应用场景分为不同区域数据经相应数字滤波器h(t)k滤波处理后得到最终振动数据。
第四步，四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路包括两种探测模式和四种应用场景：直接探测模式和联合探测模式，直接探测模式适用于四通道分散场景、四通道三路场景、四通道双路场景、四通道单路场景；联合探测模式适用于四通道双路场景、四通道单路场景。直接探测模式中一个探测通道对应一个检测方向，每个通道最终振动数据如第三步所述获得。联合探测模式中两个探测通道对应一个检测方向，即同一根光缆中两芯光纤与对应通道相连接，同时检测该方向振动情况。联合探测模式在损失检测范围的情况下，可以有效避免光纤后向散射光相干衰落噪声，降低误报率。该情况下，同一检测方向在过对应数字滤波器h(t)k后有两组数据矩阵：
最终数据矩阵可表示为：
其中，Akdij＝(A1c1ij+A2c2ij)/2。
第五步，将管道破坏等级分为危害、严重、轻微、正常四个等级，针对地埋管道应用场景，使用打夯机、机械车辆、电锤等对管道极易造成破坏的不同机械工具在垂直于管道的不同距离施工并记录振动事件，数据由上述第三、第四步获得，同时对应标注破坏等级。由振动数据矩阵生成伪色彩图像，检测图像中所有外轮廓并记录轮廓点。计算轮廓点高度、宽度、面积以及平均强度，在所有参数都达到报警阈值的情况下，提取振动信号特征，包括能量、均值、方差、三阶中心矩、四阶中心矩、轮廓高度、宽度以及面积作为特征值入库。进一步地，提取该区域以振动点为中心的64×64信号矩阵，矩阵边界无数据情况下以最接近振动中心的临界点为边界提取64×64信号矩阵。提取振动点信号矩阵入库，并对应标注为4种破坏等级，形成数据集，再将数据集分为训练集和测试集。
第六步，使用14层卷积神经网络，其中softmax层为4个输出，对应于4种破坏等级，输入为64×64信号矩阵。使用随机梯度下降SGD对训练集数据进行训练，通过测试集得到模型查准率、查全率以及4种破坏等级的平均准确率，并选取性能最优的模型入库作为训练好的神经网络模型。
第七步，突发性振动事件发生时，振动数据经由神经网络模型判断振动破坏等级，再将判断结果送入云服务平台业务层，业务层根据有限状态机相关条件执行对应联动操作。根据不同破坏等级选取对应防控措施，如摄像机、无人机、声光报警器、检查车辆、业务人员移动终端；
当地埋管道附近发生振动事件时，还可以进行更新数据库和模型：采集的振动数据经轮廓检测振动数据过报警阈值后，通过确认得到对应振动破坏等级并将振动特征以及振动等级传送之业务层，更新数据库和模型。
本实施例方法能够实时监控四个方向地埋管网状态现状和异常振动预警，并生成风险等级描述特征图。在单路场景或双路场景探测情况下，可以有效降低相干衰落情况发生。能够同时有效监测多管道振动破坏等级，适用于地埋管道安全监测，减少人员巡检压力。
实施例2
本实施例提供一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警系统，包括四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路和云服务平台，四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路与云服务平台通信连接，用以实现实施例1所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于，包括：
（1）将8芯单模G.652.D光缆敷设在地埋管道上方或侧方监测区域，搭建四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路，通过光纤实时采集管道沿线振动数据；
（2）所采集的管道沿线振动数据经切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器处理后得到预处理数据；
（3）预置两种探测模式和四种应用场景，根据不同的探测模式和应用场景对预处理数据进行计算得到最终数据；
（4）记录使用不同机械工具在检测范围内的振动数据，并标注破坏等级，通过检测振动数据轮廓点特征判断是否满足预警要求；
（5）若满足预警要求，则选取振动数据的特征值入库形成数据集，以数据集为基础通过卷积神经网络建立振动数据与破坏等级链接，训练神经网络模型择优入库；
（6）突发性振动事件发生时，振动数据经由神经网络模型判断振动破坏等级，再将判断结果送入云服务平台业务层，业务层根据有限状态机相关条件执行对应联动操作。
2.根据权利要求1所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：
将8芯单模G.652.D光缆敷设在地埋管道上方或侧方10cm处监测区域；每个方向探测光缆需至少预留两芯光纤；
光纤振动传感光路中，光源包括1550nm激光源和1455nm拉曼泵浦光；激光源生成相参光，经声光调制器移频200MHz并生成脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器、耦合器分光组将相参光分为四路脉冲光，各自经环形器、带通滤光片注入单模振动探测光纤；
拉曼泵浦光经耦合器分光组分成四路，分别与脉冲相参光一并通过带通滤光片注入探测光纤；四路探测光纤后向散射光进入光电转换器生成四路经模数转换器生成原始振动数据。
3.根据权利要求2所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：
对于不同通道、不同区域设计对应切比雪夫Ⅰ型数字带通滤波器。
4.根据权利要求3所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：
四种应用场景包括：四通道分散场景、四通道三路场景、四通道双路场景、四通道单路场景；
两种探测模式包括：
直接探测模式，一个探测通道对应一个检测方向；
联合探测模式，两个探测通道对应一个检测方向，该情况下，同一检测方向在过对应数字滤波器后有两组数据矩阵取算术平均值作为最终振动数据。
5.根据权利要求4所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：
将管道破坏等级分为危害、严重、轻微、正常四个等级，使用不同机械工具模拟不同破坏等级振动事件，通过四通道光纤传感振动探测设备采集振动数据，并标注破坏等级；
振动数据矩阵生成振动时空图，记录图像轮廓点；
通过计算轮廓点高度、宽度、面积以及平均强度，达到报警阈值的情况下，提取振动信号能量、均值、方差、三阶中心矩、四阶中心矩、轮廓高度、宽度以及面积作为特征值入库。
6.根据权利要求5所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：使用14层卷积神经网络构建振动图像与4种破坏等级链接，其中softmax层为4个输出，对应于4种破坏等级，输入为64×64信号矩阵；使用随机梯度下降SGD对训练集数据进行训练。
7.根据权利要求1所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法，其特征在于：
当地埋管道附近发生振动事件时，采集的振动数据经轮廓检测振动数据过报警阈值后，通过确认得到对应振动破坏等级并将振动特征以及振动等级传送之业务层，更新数据库和模型。
8.一种四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警系统，其特征在于：包括四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路和云服务平台，四通道地埋光缆分布式光纤振动传感光路与云服务平台通信连接，用以实现权利要求1-7任一项所述的四通道地埋光缆分布式光纤振动传感预警方法。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114323248B (zh) | 2024-08-06 |
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