光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別技術(shù)的研究

王敏， 鄭堅(jiān)濤， 周騰

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

城市改造步伐不斷加快，地埋電力電纜正向高密度，大長(zhǎng)度發(fā)展。地鐵、高架等工程全面展開，淺埋在城市道路兩旁的電力管線，易遭各種外力破壞，給生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大威脅。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)入侵事件類型進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷，系統(tǒng)誤報(bào)率居高不下，對(duì)地埋管廊防外力入侵帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1-3]。

本文應(yīng)用基于M-Z光纖干涉原理的光纖振動(dòng)傳感儀，檢測(cè)地埋電力管廊沿途的異常振動(dòng)信號(hào)，采用相干光拍頻技術(shù)，利用振動(dòng)識(shí)別算法，采集、處理相關(guān)異常信號(hào)，對(duì)信號(hào)的時(shí)域、頻域圖譜進(jìn)行研究，提取特征信號(hào)值，建立入侵事件識(shí)別模型，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提升光纖振動(dòng)傳感儀對(duì)物理振動(dòng)入侵行為的識(shí)別能力[4-5]。

1 光纖振動(dòng)傳感儀的組成和原理

光纖振動(dòng)傳感儀利用電纜沿線同溝敷設(shè)的光纜中的3根單模光纖作為光纖振動(dòng)傳感儀的傳感器[9]，其中光纖1和光纖2用于測(cè)試光纖振動(dòng)信號(hào)，光纖3用于信號(hào)的傳輸。當(dāng)外界發(fā)生振動(dòng)時(shí)，會(huì)引起光纖纖芯折射率和長(zhǎng)度的變化，從而引起光纖中相位發(fā)生變化。通過對(duì)入侵事件振動(dòng)信號(hào)的采集、處理，提取特征參數(shù)，建立振動(dòng)事件數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)光纖振動(dòng)傳感儀對(duì)物理振動(dòng)入侵行為的模式識(shí)別。原理如圖1所示。

圖1 光纖振動(dòng)傳感儀原理圖

激光源發(fā)出兩束光，當(dāng)兩束光在傳輸過程中受到外部沖擊力或振動(dòng)，振動(dòng)點(diǎn)的光纖的折射率發(fā)生改變，引起光波相位的改變。由于空間位置不同，相位調(diào)制會(huì)有差異，兩束光的相位差會(huì)發(fā)生變化。兩束光到達(dá)耦合器2時(shí)發(fā)生干涉，相位差會(huì)導(dǎo)致干涉條紋的光強(qiáng)發(fā)生變化，通過光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理便可檢測(cè)到此信號(hào)。光探測(cè)器解調(diào)后，還原振動(dòng)波的信號(hào)，此信號(hào)基本上是體現(xiàn)了事件的波形，經(jīng)過與已有事件庫(kù)的波形對(duì)比，可分辨出振動(dòng)源的類型。

2 拍頻相干技術(shù)

當(dāng)波長(zhǎng)差遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)量級(jí)(頻率相差極小)的兩束光同方向共線傳播時(shí)，波長(zhǎng)短的光會(huì)對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光進(jìn)行調(diào)制，形成光強(qiáng)變化的包絡(luò)，這種現(xiàn)象稱為光拍頻，如圖2所示。

圖2 光拍頻產(chǎn)生原理

光纖振動(dòng)傳感儀采用了拍頻相干技術(shù)。也就是用2個(gè)近似波長(zhǎng)的激光器產(chǎn)生相干，利用微小改變下面的激光器波長(zhǎng)差來(lái)控制拍頻波長(zhǎng)從而很容易控制相干靈敏度，達(dá)到大動(dòng)態(tài)范圍不飽和探測(cè)。探測(cè)信號(hào)統(tǒng)一，從而得到微弱機(jī)械振動(dòng)波形的線性還原。通過光相位調(diào)制及相干檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)極小信號(hào)的檢測(cè)[6-7]。

3 數(shù)據(jù)的采集與分析

光纖振動(dòng)傳感儀的采集模塊采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)小波濾波抑制光纖振動(dòng)傳感儀的背景噪聲，上位機(jī)通過算法處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過閾值設(shè)定，判定是否報(bào)警。當(dāng)數(shù)據(jù)值大于閾值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警;當(dāng)數(shù)據(jù)值小于閾值時(shí)，系統(tǒng)不報(bào)警。

4 特征信號(hào)值的提取

入侵行為的振動(dòng)信號(hào)在“時(shí)間域”下，即x軸是時(shí)間(秒或分鐘)，而y軸是測(cè)量的振動(dòng)幅度(位移、速度、加速度)。在該概念下，顯示振動(dòng)波形是很精確的方法，可以顯示出入侵行為的實(shí)際振動(dòng)形態(tài)，并對(duì)其各種振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析。相對(duì)“頻率域”采集到的振動(dòng)頻譜圖，振動(dòng)波形圖能更精確定位某入侵振動(dòng)行為的持續(xù)時(shí)間、振動(dòng)幅度、同一時(shí)間段的振動(dòng)行為數(shù)量等，且無(wú)需在圖譜的高頻部分由系統(tǒng)取平均值，再與事件庫(kù)的數(shù)據(jù)對(duì)比，從而做出判定[8-10]。

振動(dòng)波形圖是通過波形幅度、幅度門限、持續(xù)時(shí)間等多種參數(shù)，進(jìn)行分析以區(qū)分是誤報(bào)，還是具有威脅的入侵行為。相對(duì)于樹枝、鳥類、小動(dòng)物、冰雹、風(fēng)雨等偶然性事件而引起的敲擊振動(dòng)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和AI識(shí)別系統(tǒng)校驗(yàn)分析后，雖然和某些威脅行為如人為入侵所引起的波形是一個(gè)類似的波形，但無(wú)論是從整體的波形幅度、持續(xù)時(shí)間、同一時(shí)間產(chǎn)生的事件數(shù)量上，都是和人為入侵所引起的波形是不同的。

光纖振動(dòng)傳感儀采用時(shí)域/頻域混合分析法,結(jié)合人工智能識(shí)別技術(shù)，對(duì)相干信號(hào)相位分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)振源信號(hào)的精確分類、識(shí)別，大幅度提高振源識(shí)別準(zhǔn)確率。

本方法基于分布式光纖振動(dòng)傳感信號(hào)的線性還原及振動(dòng)源類型識(shí)別的研究。將光纖振動(dòng)傳感儀設(shè)備接入的電力通信光纜作為長(zhǎng)距離傳感器，感知沿線的振動(dòng)信號(hào)，采集線路沿線的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，繪制線路(若干條)GIS電子地圖。

通過采集到的多種振動(dòng)源的信號(hào)如手工工具鉆探電力纜線及管道、大型機(jī)器作業(yè)電力纜線及管道、管井蓋掀開等，基于光纖微振動(dòng)分布信號(hào)的線性還原及振動(dòng)源類型的振動(dòng)事件數(shù)據(jù)(波形圖)，建立并豐富電力纜線及管道的振動(dòng)事件數(shù)據(jù)庫(kù)，形成對(duì)不同振動(dòng)事件的分類和數(shù)據(jù)歸檔。

5 識(shí)別模型的建立及機(jī)器學(xué)習(xí)

任何復(fù)雜的信號(hào)均由多個(gè)復(fù)雜算法的短時(shí)簡(jiǎn)單信號(hào)組成，將其與時(shí)間相關(guān)的幅度進(jìn)行展寬與壓縮。

(1)依據(jù)數(shù)據(jù)、識(shí)別效果、選取分段數(shù)目，選取該段信號(hào)的最大值和最小值，通過信號(hào)最大值和最小值構(gòu)建數(shù)據(jù)模型；

(2)計(jì)算數(shù)據(jù)與模型間最短歐氏距離的模型，作為最優(yōu)的數(shù)據(jù)模型；

(3)將所有最優(yōu)模型的參數(shù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的判定和學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)，輸入系統(tǒng)；

(4)利用已經(jīng)建立好的數(shù)據(jù)模型對(duì)多種類型的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；

(5)對(duì)輸入信號(hào)和期望輸出信號(hào)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)訓(xùn)練后的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的最小方差滿足要求，停止訓(xùn)練。

通過系統(tǒng)采集到物理入侵事件的振動(dòng)信號(hào)，將光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的振動(dòng)事件波形圖。通過分析研究，模擬典型環(huán)境下各種入侵事件，并采集對(duì)應(yīng)的振動(dòng)波形圖，通過大數(shù)據(jù)分析原理，對(duì)入侵事件的振動(dòng)波形圖進(jìn)行定義和分類，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)功能。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

于2019年7月12日上午，我司在廣州花都區(qū)，分別對(duì)田心變電站至公益站的110 kV和10 kV，以及田心站至平石站的輸電光纜線路進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)輸電線路受到外力，如人工挖掘、機(jī)器挖掘，伴隨輸電線的光纜將振動(dòng)信號(hào)提供給機(jī)房的主機(jī)，發(fā)出告警信息。讓工作人員能及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)制止破壞行為。

對(duì)于光纖振動(dòng)傳感儀監(jiān)測(cè)到的開井蓋、手工工具挖掘、重型機(jī)械作業(yè)、下雨信號(hào)，進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)后，可得到波形圖如圖3—圖6所示。

分析圖3—圖6可發(fā)現(xiàn)，不同原因引起的振動(dòng)幅度存在著較大差異，通過波形幅度、幅度門限、持續(xù)時(shí)間、波形密度等多種參數(shù)，進(jìn)行分析以區(qū)分是誤報(bào)，還是具有威脅的入侵行為，同時(shí)將相關(guān)參數(shù)作為模式分類的依據(jù)。

圖3 開井蓋的波形圖

圖4 手工挖掘的波形圖

圖5 重型機(jī)械作業(yè)的波形圖

圖6 滂沱大雨的波形圖

為了驗(yàn)證以上分析，分別對(duì)開井蓋、手工工具挖掘、重型機(jī)械作業(yè)、滂沱大雨的入侵行為進(jìn)行100次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同入侵行為模式識(shí)別的識(shí)別率分析

從表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于M-Z光纖干涉原理的光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別技術(shù)的識(shí)別率大于96%，相關(guān)模式識(shí)別的算法、模型和特征值、入侵事件的波形判別標(biāo)準(zhǔn)滿足光纖振動(dòng)傳感儀的需要，可以作為光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別的依據(jù)。

7 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于M-Z光纖干涉原理的光纖振動(dòng)傳感儀,以直埋單模通訊光纜作為光纖振動(dòng)傳感儀的檢測(cè)傳感器,采用相干拍頻技術(shù)，對(duì)光纖振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行算法分析，對(duì)不同振動(dòng)信號(hào)的頻域圖和時(shí)域圖進(jìn)行分析判斷，提取波形幅度、持續(xù)時(shí)間、波形密度等特征值，從而將不同入侵事件進(jìn)行區(qū)分。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于M-Z光纖干涉原理的光纖振動(dòng)傳感儀對(duì)電力地埋管廊入侵事件模式識(shí)別率達(dá)到96%以上，滿足光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別的要求，相關(guān)技術(shù)可以作為光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別的依據(jù)。基于M-Z光纖干涉原理的光纖振動(dòng)傳感儀模式識(shí)別技術(shù)為降低地埋管廊防外力破壞的誤報(bào)率提供了有效手段和方法。