水利工程中光纖在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉 毅，郭江濤，劉 震

（1.武漢長飛智慧網(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 光纖在線檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

圖1 光纖在線檢測系統(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)點構(gòu)成數(shù)據(jù)采集環(huán)的拓撲結(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系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多路傳輸和多端雙向詢問技術(shù)，構(gòu)成一個用于多路采集數(shù)據(jù)的光纖傳感環(huán)網(wǎng)。如此一來，即便是環(huán)狀光纖傳感器中的某個節(jié)點被破壞或斷裂，也不會對測量點的光纖傳感器產(chǎn)生影響，同時，由于其他的光纖傳感和測量系統(tǒng)仍然能夠工作，因此，該冗余度的特點極大地改善了整個監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，這對水利工程中的應(yīng)變分布、實時監(jiān)測具有重要意義。

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，在一定程度上都會對水利工程產(chǎn)生影響，采集水利工程結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，以確定從每個監(jiān)測點傳回的數(shù)據(jù)，并依據(jù)監(jiān)測的內(nèi)容，設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊。在實際鋪設(shè)中，光纖傳感接頭可能會出現(xiàn)損壞、斷裂等問題。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)來實現(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)測是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在水利工程施工過程中，將光纖傳感器嵌入到受監(jiān)控的重要位置。當(dāng)監(jiān)測點的被測參數(shù)發(fā)生突變或存在安全隱患時，通過光纖傳感系統(tǒng)，將測量到的參數(shù)快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)發(fā)送至計算機軟件應(yīng)用平臺，由中央處理器對其進行智能分析和監(jiān)控。警報程序會對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)逐行掃描和分析。在異常情況下，通過手機短信、自動語音等方式實現(xiàn)報警功能；若為正常，報警程序?qū)⒉贿M行處理，并繼續(xù)進行下一次輪詢掃描。輪詢程序定期掃描氣象網(wǎng)絡(luò)鏈路中的所有節(jié)點，及時獲得水利工程中壩體各段的狀態(tài)信息，實現(xiàn)了光纖數(shù)據(jù)智能監(jiān)控的目的。

2 光纖在線檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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，采用光纖對其進行檢測。但光纖檢測到的音波會隨著時間的推移逐漸減弱，即表示音波逐漸減弱的時間；表示音頻音譜；表示聲子頻譜中的傳播時間。在這種情況下，光纖感應(yīng)器檢測的聲波需要被增益，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 告警識別

為了對這些數(shù)據(jù)進行識別，建立了一個用于實時預(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，對報警信息進行匹配，最后，根據(jù)最優(yōu)匹配和相應(yīng)的故障作為報警信號的輸出，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的報警識別[3]。

第1步：計算匹配度

匹配度是對告警信息進行分析，并根據(jù)不同的屬性進行權(quán)重計算。配準的公式為

第2步：智能告警的匹配程度分級

警報等級屬性表示失效的程度，較低的警報等級表示故障的嚴重程度。為了對監(jiān)控系統(tǒng)的失效程度進行定量，將其分為四個級別。從失效和告警之間的關(guān)系上來看，低級別告警的失效將不再導(dǎo)致高級別的警報。因此，不同類型的警報級別差異越大，兩級間的失效關(guān)聯(lián)概率越低，對應(yīng)的對應(yīng)程度也就越低。

第3步：優(yōu)化告警閾值

人工設(shè)置初始化的門限，用來與告警信息相匹配。智能監(jiān)測告警信息權(quán)重的計算公式為

以歷史資料為輸入，計算出最優(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)的總體匹配情況進行對比，當(dāng)監(jiān)控目標與檢測目標的匹配度超過閾值時，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，就被稱作虛假告警。

3 仿真實驗

為了驗證文中光纖在線檢測系統(tǒng)的可靠性與優(yōu)越性，分別對其進行仿真分析。

3.1 實驗準備

本文取某水庫為檢測對象，在機房裝置2臺8通道光纜監(jiān)測設(shè)備（RTU），共設(shè)18個檢測節(jié)點。本文利用三維實時仿真軟件MultiGen Vega，仿真模擬大壩結(jié)構(gòu)，進行仿真實驗。

3.2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文設(shè)計系統(tǒng)的準確性，分別使用文獻[1]的基于激光雷達的水利工程質(zhì)量安全檢測方法、文獻[2]的基于探地雷達的水利工程質(zhì)量檢測以及本文所設(shè)計的光纖在線檢測系統(tǒng)進行檢測，將三種不同程度故障數(shù)量，在壩體結(jié)構(gòu)監(jiān)測節(jié)點上設(shè)置為1，分別檢測三種故障程度支撐節(jié)點，在水壩模擬圖象中標記位置，為了便于對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，在不同部位使用了18個字母，分別對三種故障檢測方法進行了檢測，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比，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)點故障位置的檢測

如圖2所示，文獻[1]系統(tǒng)在檢測輕微故障位置時出現(xiàn)錯誤，文獻[2]系統(tǒng)在檢測輕微故障以及嚴重故障位置上都出現(xiàn)了錯誤，只有本文介紹的系統(tǒng)沒有發(fā)生故障定位誤差的問題，具有較高的準確性。

在此基礎(chǔ)上，為進一步驗證本文所提方法的有效性，測試不同系統(tǒng)的告警反應(yīng)耗時，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)告警反應(yīng)耗時對比

分析圖3可知，隨著實驗迭代次數(shù)的不斷增加，不同系統(tǒng)告警反應(yīng)耗時也在不斷變化。但本文所提的水利工程中光纖在線檢測系統(tǒng)的告警反應(yīng)耗時始終在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)的報警響應(yīng)速度較快。這是由于光纖在線檢測系統(tǒng)的分析過程計算速度快、能夠迅速地檢測到異常信息，從而大大節(jié)省了告警處理時間。

4 結(jié)束語

由于多年的運行，水利工程的結(jié)構(gòu)會逐漸老化，產(chǎn)生裂縫、損壞等，這種裂縫和損壞會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，就需要對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、損壞等進行檢測。本文所設(shè)計的光纖在線檢測系統(tǒng)，可以精確地記錄裂縫、損壞的發(fā)生和發(fā)展，具有較高的精準度，對水利工程施工、維護工作具有參考意義，可以簡化維護流程，提高維護工作的效率，具有一定的使用價值?！?/p>