基于光纖測(cè)振與視頻監(jiān)測(cè)的區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)

陳太藝，曾繁祎，周 川，趙 耀，孟慶銘

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司三亞供電局，海南 三亞 572000；2.杭州巨騏信息科技股份有限公司，浙江 杭州 311411）

電力電纜的外力破壞（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“外破”）故障是惡意偷盜或者城市建設(shè)過(guò)程中帶來(lái)的偶然性破壞，會(huì)影響到供電可靠性和供電安全性［1］。目前多采用人工定期巡檢方式來(lái)預(yù)防外破，但這種方法存在較多弊端，無(wú)法從根本上預(yù)防外破的發(fā)生，因此必須采用更加科學(xué)與便捷的手段來(lái)防止外破的發(fā)生。本文為此建立一套既能完成電纜防盜，同時(shí)又能完成電纜狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)場(chǎng)電纜實(shí)時(shí)運(yùn)行中出現(xiàn)的安全問(wèn)題。

1 區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和原則

1.1 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)階段的電力電纜防護(hù)存在著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變的情形，經(jīng)常伴有施工作業(yè)、人流車(chē)流等不確定因素。為滿(mǎn)足市區(qū)、近郊電纜布設(shè)密集區(qū)域的電纜防護(hù)，對(duì)電纜監(jiān)控系統(tǒng)提出了全敷設(shè)段靈敏觸發(fā)、精確解析入侵事件的要求。針對(duì)這些要求，確定區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)采用分布式光纖淺層敷設(shè)與廣角視頻范圍入侵事件自動(dòng)識(shí)別的方案，達(dá)到振動(dòng)光纖靈敏觸發(fā)、視頻智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別并報(bào)警的目的［2］。

1.2 設(shè)計(jì)原則

針對(duì)利用光纖傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并能聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)獲取電纜入侵事件現(xiàn)場(chǎng)有效信息的情況，本文提出將基于目標(biāo)檢測(cè)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)應(yīng)用于獲得的有效信息的后續(xù)處理，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別和分類(lèi)的效果。根據(jù)這一設(shè)計(jì)原則，基于光纖測(cè)振與視頻監(jiān)測(cè)的區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下。

1.2.1 外破振動(dòng)事件信息的檢測(cè)與采集

外破振動(dòng)事件信息的采集與檢測(cè)模塊，也就是振動(dòng)光纖報(bào)警系統(tǒng)，主要包含振動(dòng)探測(cè)部分、入侵報(bào)警部分、模式識(shí)別部分、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)部分、模式切換部分、防拆保護(hù)部分、報(bào)警存儲(chǔ)部分、故障報(bào)警部分及在線升級(jí)部分等。

（1）振動(dòng)探測(cè)功能實(shí)現(xiàn)光纜敷設(shè)沿途發(fā)生的振動(dòng)信號(hào)探測(cè)。

（2）入侵報(bào)警功能可以完成當(dāng)有不同形式的外部侵入行為時(shí)，能夠及時(shí)檢測(cè)并反饋產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

（3）模式識(shí)別功能的主要作用是準(zhǔn)確識(shí)別入侵行為與干擾行為，減少系統(tǒng)的誤觸發(fā)與漏報(bào)行為的發(fā)生。

（4）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能是通過(guò)開(kāi)關(guān)量、RJ45 接口輸出報(bào)警信號(hào)并自由擴(kuò)展聲光報(bào)警儀等報(bào)警設(shè)備。

（5）模式切換功能具有布防模式、撤防模式兩種探測(cè)模式。

（6）防拆保護(hù)功能具有開(kāi)蓋報(bào)警功能，可防止設(shè)備被惡意破壞。

（7）報(bào)警存儲(chǔ)功能具有報(bào)警信息存儲(chǔ)能力，最多可存儲(chǔ)30 000 條。

（8）故障管理功能能夠?qū)ο到y(tǒng)的各種故障進(jìn)行解析管理。

（9）在線升級(jí)功能能夠通過(guò)RJ45 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能升級(jí)［3］。

1.2.2 光纖-視頻智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)

光纖-視頻智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和信息分析兩大功能。在線監(jiān)控功能又分為電子地圖、防區(qū)畫(huà)線、報(bào)警信息列表、平臺(tái)報(bào)警4 個(gè)部分，而視頻監(jiān)控包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)置位管理2 個(gè)部分，并且可以根據(jù)獲取的視頻或者照片信息自動(dòng)識(shí)別出可疑對(duì)象。

此外，本文設(shè)計(jì)的光纖-視頻智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)擁有很好的容錯(cuò)性，識(shí)別精度和識(shí)別準(zhǔn)確度相對(duì)較高，還具備優(yōu)秀的抗干擾能力和可維護(hù)性。如果系統(tǒng)中軟、硬件或者通信組件出錯(cuò)，以及由于操作人員或應(yīng)用工程師在操作使用時(shí)發(fā)生了一般性操作錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)立刻喪失主體功能或影響主體系統(tǒng)的正常工作，另外在振動(dòng)信息采集、照片信息傳輸、存儲(chǔ)以及分析等環(huán)節(jié)上均采取相應(yīng)措施確保分析的準(zhǔn)確性。

2 區(qū)間電纜防外破系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分布式光纖測(cè)振技術(shù)

分布式光纖測(cè)振技術(shù)是組成振動(dòng)光纖報(bào)警系統(tǒng)的最核心技術(shù)。由于光纖的不均勻性，光會(huì)發(fā)生散射。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化并影響到傳感光纖時(shí)，光纖自身的特性會(huì)發(fā)生變化，其光纖折射率、光纖長(zhǎng)度等將會(huì)發(fā)生微小變化，最終影響光纖內(nèi)部散射信號(hào)的變化。鑒于該技術(shù)的應(yīng)用背景以及成本方面的考慮，振動(dòng)光纖探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用原理相對(duì)簡(jiǎn)單的Michelson 光纖干涉回路搭建，其原理示意如圖1 所示。

圖1 Michelson 光纖干涉原理示意

Michelson 光纖干涉的基本原理是一束光被分成兩束相同強(qiáng)度的光，這兩束光經(jīng)過(guò)不同的光路被反射回來(lái)之后相遇并發(fā)生干涉，屬于雙光束干涉儀。由激光器輸出的相干光被1 個(gè)3 dB 光耦合器分成兩束連續(xù)光，并分別注入傳感光纖和參考光纖兩根單模光纖中，如圖2 所示。傳感光纖放置在監(jiān)測(cè)環(huán)境中感應(yīng)外部振動(dòng)信號(hào)，外部振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生引起傳感光纖中光波的相位角變化。在兩根單模光纖的尾端加入高反射率的反射鏡，傳感光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)經(jīng)反射鏡回到光耦合器處發(fā)生干涉，形成Michelson 干涉現(xiàn)象。

圖2 光纖入侵探測(cè)示意

在無(wú)入侵信號(hào)時(shí)，傳感光纖狀態(tài)是比較穩(wěn)定的，接收器也會(huì)收到較為穩(wěn)定的信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有外部行為入侵時(shí)，光纖上會(huì)受到外界壓力和振動(dòng)，此時(shí)傳感光纖內(nèi)部激光相位就會(huì)發(fā)生變化，接收器接收到的干涉信號(hào)也隨之變化。因?yàn)榭梢园呀邮掌魇盏降母缮嫘盘?hào)作為探測(cè)信號(hào)，所以可以對(duì)入侵動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2 視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)

視頻聯(lián)動(dòng)部分由聯(lián)動(dòng)報(bào)警繼電器、球機(jī)攝像頭、服務(wù)器等構(gòu)成。其中聯(lián)動(dòng)報(bào)警繼電器采用干接點(diǎn)常開(kāi)方式，外接5 V 直流電源，當(dāng)探測(cè)到的干涉光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，就會(huì)接通，給球機(jī)攝像頭+5 V 電平，將球機(jī)攝像頭從休眠狀態(tài)喚醒。球機(jī)攝像頭內(nèi)置有4G 模塊，用于對(duì)所監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行拍攝照片和獲取現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，并通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將拍攝的照片和獲取到的視頻信息發(fā)送到服務(wù)器主機(jī)，存儲(chǔ)到指定文件夾。

2.3 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)主要由計(jì)算機(jī)視覺(jué)部分和圖像處理部分構(gòu)成，主要目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域包括人臉檢測(cè)和行人檢測(cè)。

視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)整體示意如圖3 所示。首先對(duì)視頻信息或者圖片進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)整合適的圖片尺寸，然后將其傳入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出眾多候選結(jié)果，最后使用非極大值抑制算法（局部最優(yōu)）得出最終結(jié)果。智能視頻檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能是將目標(biāo)檢測(cè)中的每個(gè)部分統(tǒng)一到一個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取整幅圖像的特征來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)邊界框的位置參數(shù)及其所屬目標(biāo)類(lèi)別。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，該網(wǎng)絡(luò)可以一次性地將圖片中的所有目標(biāo)都預(yù)測(cè)出來(lái)，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)在保證處理速度的同時(shí)，依舊能夠滿(mǎn)足較高的平均準(zhǔn)確精度［4-9］。

圖3 視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)整體示意

3 系統(tǒng)實(shí)施效果

本文設(shè)計(jì)的基于光纖傳感技術(shù)的電纜防外破安全預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用中具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）測(cè)量范圍大：理論探測(cè)距離可達(dá)到30 km，具有較高的精確定位侵害點(diǎn)的能力。

（2）連續(xù)不間斷分布式測(cè)量：能夠完成多點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，且各點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)互不影響，傳輸準(zhǔn)確度較高。

（3）數(shù)據(jù)檢測(cè)靈敏度和精度高：系統(tǒng)中的參數(shù)可以根據(jù)使用環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行配置，在數(shù)據(jù)采集上可以直接使用市面上出售的標(biāo)準(zhǔn)通信光纜，監(jiān)測(cè)區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)劃分。精確度高：系統(tǒng)中單通道周期掃描可以精確到1 s。

（4）功耗與報(bào)錯(cuò)率低：振動(dòng)光纖報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)球機(jī)攝像頭，對(duì)有入侵事件發(fā)生的位置進(jìn)行拍攝，隨后將拍攝到的圖像或者視頻信息上傳，服務(wù)器主機(jī)會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的視頻智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)拍攝到的圖像或者視頻信息進(jìn)行智能分析和識(shí)別，大大減少了由于光纖靈敏而產(chǎn)生的誤報(bào)，降低了報(bào)錯(cuò)率。在沒(méi)有外破事件發(fā)生時(shí)，球機(jī)攝像頭處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有外破事件發(fā)生時(shí)才觸發(fā)球機(jī)攝像頭工作，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

（5）具有良好的穩(wěn)定性：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)風(fēng)雨、雷電等突發(fā)情況時(shí)，由于系統(tǒng)自身優(yōu)勢(shì)，抗誤報(bào)性較強(qiáng)。

（6）電磁絕緣性和抗干擾能力強(qiáng)，能夠抵抗一般的電磁干擾，還可以抵抗雷電災(zāi)害：傳感光纖主要由石英材質(zhì)制作而成，而石英是絕緣的，且具有良好的防腐蝕性能；光纖中傳輸?shù)募す饷}沖的頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁場(chǎng)的頻段，完全不受電磁干擾，因此既使用現(xiàn)場(chǎng)有強(qiáng)電磁場(chǎng)也不會(huì)對(duì)其正常工作造成影響。

（7）安全可靠：光纖在正常工作時(shí)根據(jù)其材料特性完全不會(huì)產(chǎn)生電火花，光纖中傳輸?shù)募す饷}沖平均功率很低，當(dāng)受到外力破壞后，既使光纖發(fā)生斷裂也不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響，更不會(huì)產(chǎn)生任何危險(xiǎn)［10］。

（8）施工簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便：光纖具有很強(qiáng)的抗壓抗拉能力，施工簡(jiǎn)單方便，在正常使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，當(dāng)受到外力破壞后，維修反應(yīng)速度較快。能夠較快發(fā)現(xiàn)破壞點(diǎn)，經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員重新熔接后便可以恢復(fù)正常工作。

（9）在線監(jiān)測(cè)就地化：實(shí)現(xiàn)對(duì)防外破區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量高精確性和高可靠性的重要保證。

（10）系統(tǒng)維護(hù)方便：由于采用了先進(jìn)的總線網(wǎng)絡(luò)和模塊化的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試及維護(hù)非常方便。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用分布式光纖測(cè)振技術(shù)和基于目標(biāo)檢測(cè)的視頻智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)分布式光纖路徑的外破事件進(jìn)行智能監(jiān)控和分析，能夠?qū)Ψ舐穹植际焦饫w的防區(qū)進(jìn)行全天候在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)有外破事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)地將報(bào)警信息發(fā)送給負(fù)責(zé)人，必要時(shí)可以對(duì)外破事件進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救，大大減少了由設(shè)施外破帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員監(jiān)控需要，對(duì)周界安防具有十分重要的意義，可達(dá)到保障施工車(chē)輛操作人員工作安全、提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的目的。