水利工程中光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 毅，郭江濤，劉 震

（1.武漢長(zhǎng)飛智慧網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000；2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東 廣州 510000）

1 光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括光纖傳感器多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集、光纖傳感信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)智能分析控制三大子系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1可知，其核心技術(shù)是將光纖傳感器作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將光纖傳感器制成嵌入型或貼片型，并與水利工程結(jié)構(gòu)完全相適應(yīng)。本文采用了光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多路傳輸和多端雙向詢(xún)問(wèn)技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)用于多路采集數(shù)據(jù)的光纖傳感環(huán)網(wǎng)。如此一來(lái)，即便是環(huán)狀光纖傳感器中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)被破壞或斷裂，也不會(huì)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的光纖傳感器產(chǎn)生影響，同時(shí)，由于其他的光纖傳感和測(cè)量系統(tǒng)仍然能夠工作，因此，該冗余度的特點(diǎn)極大地改善了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，這對(duì)水利工程中的應(yīng)變分布、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于大壩受到外界環(huán)境和其內(nèi)部物理特性的影響，在一定程度上都會(huì)對(duì)水利工程產(chǎn)生影響，采集水利工程結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，以確定從每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊。在實(shí)際鋪設(shè)中，光纖傳感接頭可能會(huì)出現(xiàn)損壞、斷裂等問(wèn)題。為避免因某一分支的感應(yīng)器與系統(tǒng)發(fā)生脫節(jié)而造成整體故障，在鋪設(shè)過(guò)程中，大多采取多路復(fù)用技術(shù)，構(gòu)成環(huán)狀傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)

在水利水電工程中，光纖在線監(jiān)測(cè)是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在水利工程施工過(guò)程中，將光纖傳感器嵌入到受監(jiān)控的重要位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的被測(cè)參數(shù)發(fā)生突變或存在安全隱患時(shí)，通過(guò)光纖傳感系統(tǒng)，將測(cè)量到的參數(shù)快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用平臺(tái)，由中央處理器對(duì)其進(jìn)行智能分析和監(jiān)控。警報(bào)程序會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)逐行掃描和分析。在異常情況下，通過(guò)手機(jī)短信、自動(dòng)語(yǔ)音等方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；若為正常，報(bào)警程序?qū)⒉贿M(jìn)行處理，并繼續(xù)進(jìn)行下一次輪詢(xún)掃描。輪詢(xún)程序定期掃描氣象網(wǎng)絡(luò)鏈路中的所有節(jié)點(diǎn)，及時(shí)獲得水利工程中壩體各段的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了光纖數(shù)據(jù)智能監(jiān)控的目的。

2 光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建光纖在線數(shù)據(jù)采集模型

在水利工程的故障診斷中，采用光纖對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。但光纖檢測(cè)到的音波會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱，即表示音波逐漸減弱的時(shí)間；表示音頻音譜；表示聲子頻譜中的傳播時(shí)間。在這種情況下，光纖感應(yīng)器檢測(cè)的聲波需要被增益，所以，設(shè)置頻譜中的峰值增益為 ；反射率為 ；聲波速度頻移為；頻譜的半峰全寬度為，則有

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.3 告警識(shí)別

為了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，建立了一個(gè)用于實(shí)時(shí)預(yù)警與歷史預(yù)警信息匹配的關(guān)聯(lián)模型，利用相關(guān)規(guī)則，對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行匹配，最后，根據(jù)最優(yōu)匹配和相應(yīng)的故障作為報(bào)警信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的報(bào)警識(shí)別[3]。

第1步：計(jì)算匹配度

匹配度是對(duì)告警信息進(jìn)行分析，并根據(jù)不同的屬性進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。配準(zhǔn)的公式為

第2步：智能告警的匹配程度分級(jí)

警報(bào)等級(jí)屬性表示失效的程度，較低的警報(bào)等級(jí)表示故障的嚴(yán)重程度。為了對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的失效程度進(jìn)行定量，將其分為四個(gè)級(jí)別。從失效和告警之間的關(guān)系上來(lái)看，低級(jí)別告警的失效將不再導(dǎo)致高級(jí)別的警報(bào)。因此，不同類(lèi)型的警報(bào)級(jí)別差異越大，兩級(jí)間的失效關(guān)聯(lián)概率越低，對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)程度也就越低。

第3步：優(yōu)化告警閾值

人工設(shè)置初始化的門(mén)限，用來(lái)與告警信息相匹配。智能監(jiān)測(cè)告警信息權(quán)重的計(jì)算公式為

以歷史資料為輸入，計(jì)算出最優(yōu)的告警匹配因子，并確定告警閾值。根據(jù)閾值，將各告警系統(tǒng)的總體匹配情況進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)與檢測(cè)目標(biāo)的匹配度超過(guò)閾值時(shí)，即為成功告警，并將告警信息輸出；當(dāng)整體的匹配程度小于閾值時(shí)，就被稱(chēng)作虛假告警。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與優(yōu)越性，分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文取某水庫(kù)為檢測(cè)對(duì)象，在機(jī)房裝置2臺(tái)8通道光纜監(jiān)測(cè)設(shè)備（RTU），共設(shè)18個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。本文利用三維實(shí)時(shí)仿真軟件MultiGen Vega，仿真模擬大壩結(jié)構(gòu)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，分別使用文獻(xiàn)[1]的基于激光雷達(dá)的水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法、文獻(xiàn)[2]的基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測(cè)以及本文所設(shè)計(jì)的光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，將三種不同程度故障數(shù)量，在壩體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置為1，分別檢測(cè)三種故障程度支撐節(jié)點(diǎn)，在水壩模擬圖象中標(biāo)記位置，為了便于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在不同部位使用了18個(gè)字母，分別對(duì)三種故障檢測(cè)方法進(jìn)行了檢測(cè)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同程度的壩體結(jié)構(gòu)支承節(jié)點(diǎn)故障位置的檢測(cè)

如圖2所示，文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)在檢測(cè)輕微故障位置時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)在檢測(cè)輕微故障以及嚴(yán)重故障位置上都出現(xiàn)了錯(cuò)誤，只有本文介紹的系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生故障定位誤差的問(wèn)題，具有較高的準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的有效性，測(cè)試不同系統(tǒng)的告警反應(yīng)耗時(shí)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)告警反應(yīng)耗時(shí)對(duì)比

分析圖3可知，隨著實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)的不斷增加，不同系統(tǒng)告警反應(yīng)耗時(shí)也在不斷變化。但本文所提的水利工程中光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的告警反應(yīng)耗時(shí)始終在3種方法中保持最少狀態(tài)，且基本維持在2 s以下。以上結(jié)果表明，該系統(tǒng)的報(bào)警響應(yīng)速度較快。這是由于光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)的分析過(guò)程計(jì)算速度快、能夠迅速地檢測(cè)到異常信息，從而大大節(jié)省了告警處理時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于多年的運(yùn)行，水利工程的結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸老化，產(chǎn)生裂縫、損壞等，這種裂縫和損壞會(huì)使混凝土壩的安全性能下降，甚至有可能發(fā)生坍塌，因此，要防止這種情況發(fā)生，就需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、損壞等進(jìn)行檢測(cè)。本文所設(shè)計(jì)的光纖在線檢測(cè)系統(tǒng)，可以精確地記錄裂縫、損壞的發(fā)生和發(fā)展，具有較高的精準(zhǔn)度，對(duì)水利工程施工、維護(hù)工作具有參考意義，可以簡(jiǎn)化維護(hù)流程，提高維護(hù)工作的效率，具有一定的使用價(jià)值?！?/p>