一种PCCP断丝信号识别与定位方法及装置

技术领域

本发明是关于一种基于粘贴式声光纤监测的PCCP断丝信号识别与定位方法及装置，涉及结构安全监测领域。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，缩写为PCCP)是一种复合型管材，通常由内嵌薄钢筒的高强混凝土管芯，外部缠绕预应力钢丝，并喷射水泥砂浆保护层组成。PCCP充分利用混凝土抗压、钢丝抗拉、钢筒抗渗等材料的各自优势，使得管材具有高抗渗、高密封性和高强度的特点，在市政、水利、能源等工程中得到了普遍应用。PCCP在制造、施工及运行过程中会因各种原因导致预应力钢丝发生断裂。随着预应力钢丝断裂数目的增加，造成管道承载力不断下降，严重时甚至会发生爆管事故。相对于点式传感器，分布式光纤上采样点的间距很小，如果按照这一间距布设点式传感器，成本将难以承受。因此，分布式光纤监测也被称为连续监测，在长距离条件下有更强的应用优势。

现有技术采用声光纤监测技术评估PCCP的结构状态。声光纤监测技术利用布设于PCCP内部的光纤传感器，可以实现PCCP断丝事件的实时监测。具体地，将光缆悬挂安装在管道内，以水体作为声波传导介质，将光缆中的一芯作为探测臂接入干涉仪，将放置于管道外隔绝振动的环境中的光纤盘作为参考臂接入同时接入干涉仪，用于识别断丝信号；同时将光缆中的第二芯接入独立于干涉仪的激光器，将光纤中后向Relay散射光直接接入采集系统，对断丝信号进行定位；对于断丝信号的识别方法主要是判别信号在某些频段的能量是否超过预先设定阈值。

现有PCCP管道分布式光纤断丝监测存在的技术问题：(1)测声光缆自由悬挂在管内，以水体作为声波传导介质，仅能在管道充水条件下实施断丝监测，在放空状态下不能实施监测；(2)管道内水流噪声环境复杂，将参考臂放置于管道外隔绝振动的环境中，测量结果易受共模噪声干扰，信号识别精度不高；(3)将后向Relay散射光直接接入采集系统，信号重复频率低，20km条件下扫描全长仅达到100Hz，对信号的定位能力差，定位精度低；(4)对于断丝信号的识别和筛选方法主要是判别信号在某些频段的能量是否超过预先设定阈值，易受其他异常信号干扰，需要人工辅助校准，无法实现断丝信号的实时报警。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种PCCP断丝信号识别与定位方法及装置，能够对断丝事件进行高精度识别与定位，实现对长距离PCCP管道运行安全风险及时预警。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供的一种PCCP断丝信号识别与定位方法，包括：

管道上通过粘贴方式布置有分布式光纤，其中，分布式光纤的2芯接入高频子系统，分布式光纤的第3芯接入低频子系统；

高频子系统通过设置在管道内部的分布式光纤基于Michelson光纤干涉采集断丝振动高频信号，同时低频子系统通过分布式光纤基于后向Relay散射光干涉采集断丝振动低频信号；

对断丝振动高频信号进行异常振动信号判断是否存在断丝事件；

当判断存在断丝事件时，确定异常振动信号发生的时段；

对异常振动信号发生时段对应的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置。

进一步地，对断丝振动高频信号进行异常振动信号判断是否存在断丝事件，包括：

对采集的断丝振动高频信号进行实时加窗截断、滤波和时频分析；

提取断丝振动高频信号的时域、频域和时频域的统计特征参数；

将提取的统计特征参数和预先设定的断丝信号数据库进行对比，计算该段数据和数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，则将该段信号自动识别为断丝信号，确认存在断丝事件。

进一步地，对异常振动信号发生的时段对应的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置，包括：

对采集的断丝振动低频信号进行时长加窗截断数据；

将确定发生断丝事件的异常振动信号发生时段对应的断丝振动低频信号进行滤波处理；

并将该时段内各采样通道数据与预先设定的断丝信号数据库进行对比分析，计算各采样通道信号数据和数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，则将该采样通道数据保存下来，其他通道数据删除；

分析保存的若干采样通道的位置关系，根据波动传播规律确定断丝信号发生的相邻的若干个通道，依据波速计算出断丝的发生的位置。

进一步地，当确定断丝振动低频信号背向而行到达两个相邻的采样通道，认为断丝发生在这两个相邻的采样通道之间，确定断丝振动信号到达这两个相邻的采样通道时刻的时间差，断丝发生位置根据下式之一确定：

x

式中，x

进一步地，所述断丝信号数据库的累积方法，包括：

计算采样信号和断丝信号数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果小于预先设定的阈值时，标记为其它信号，存入断丝信号数据库；

当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，并经过验证是真实断丝事件后，标记为断丝信号，存入断丝信号数据库，否则标记为其它信号，存入断丝信号数据库。

第二方面，本发明提供一种实现所述的PCCP断丝信号识别与定位方法的定位装置，该装置包括：

分布式光纤，沿管道通过粘贴方式布置；

高频子系统，用于连接所述分布式光纤的两芯，通过设置在管道内部的所述分布式光纤中基于Michelson型光纤干涉采集断丝振动高频信号；

低频子系统，用于连接所述分布式光纤的第3芯，通过分布式光纤基于后向Relay散射光干涉采集断丝振动低频信号；

控制系统，用于对断丝振动高频信号进行异常振动信号判断是否存在断丝事件；当判断存在断丝事件时，确定异常振动信号发生的时段；并对异常振动信号发生的时段对应通道的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置；其中，所述高频子系统和低频子系统同步进行数据采集。

进一步地，所述分布式光纤采用胶凝材料通过粘贴方式固定在管道内壁或者管道外壁，以固体作为主要声传导介质。

进一步地，所述分布式光纤利用闸阀井口通过专用密封件伸出管道；所述胶凝材料外表面涂刷防水材料起到耐久性防护。

进一步地，所述高频子系统包括激光器、隔离器、第一耦合器、反射镜、第一光电探测器和第一采集系统，所述分布式光纤包括两芯，一芯作为参考臂光纤，另外一芯作为测量臂光纤，参考臂光纤和测量臂光纤均设置在所述管道内壁上；

所述激光器发出激光通过所述隔离器经传输光纤发射到所述第一耦合器，通过所述第一耦合器分为两束光分别发送到所述参考臂光纤和测量臂光纤，用于采集管道中的振动高频信号，所述参考臂光纤和测量臂光纤的末端设置有反射镜，参考光和测量光经相应反射镜反射回所述第一耦合器发生干涉，通过所述第一光电探测器探测干涉光并转换为电压信号经由所述采集系统采集，当环境振动导致所述测量臂光纤和参考臂光纤之间存在光程差时，通过干涉后的光相位时域变化进行反映。

进一步地，所述低频子系统包括激光器、第二耦合器、脉冲发生器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、第三耦合器、第二光电探测器和第二采集系统；所述分布式光纤的第三芯作为传感光纤；

所述激光器发出的激光依次经传输光纤连接所述第二耦合器、脉冲发生器、声光调制器、掺铒光纤放大器和环形器发射到所述传感光纤，同时经所述第二耦合器分出一部分光作为参考光，参考光与传感光程中的后向Relay散射光在所述第三耦合器中干涉，通过所述第二光电探测器探测干涉后的光强来感知传感光纤上的振动信息，所述第二光电探测器探测的光信号通过所述第二采集系统进行采集，其中，所述脉冲发生器用于连接所述声光调制器，所述声光调制器用于将所述激光器发出的连续光调制为脉冲信号。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

1、本发明采用胶凝材料将分布式光纤固定在管内壁或外壁，以固体作为主要声传导介质，不仅可以在管道充水运行阶段实施断丝监测，而且可以在管道放空阶段实施监测。

2、本发明采用基于两种不同原理的干涉子系统相结合的方式对PCCP管壁上传播的振动信号同步进行采集，其中，基于Michelson干涉原理采集断丝高频信号，并将安装在管道内壁上的分布式光纤中的两芯分别作为干涉臂和参考臂形成第一干涉仪，基于干涉结果识别断丝信号，这样处理有利于抑制共模噪声，对脉冲信号的识别精度高；将安装在管壁上的分布式光纤中的第三芯接入独立于第一干涉仪的第二激光器，并与第二激光器接出的参考光纤耦合形成第二干涉仪，将后向Relay散射光和参考光纤中的背景光干涉，基于干涉结果定位断丝信号，这样处理有利于提高对脉冲信号的定位精度。

3、本发明基于波动分析方法定位断丝信号，实现对断丝信号的实时监测。

4、本发明可以极大地减少低频子系统的数据处理工作量，并且降低数据处理中水流噪声干扰的影响。

综上，本发明可以广泛应用于PCCP断丝信号监测中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的PCCP声光纤断丝监测系统的结构图；

图2为本发明实施例的PCCP断丝信号识别与定位方法流程示意图；

图3为本发明实施例的机器学习流程示意图；

图4为本发明实施例的定位计算原理示意图。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

由于预应力钢丝断裂产生的信号属于短时非稳态随机过程，其信号频率成分非常复杂，并且随时间变化而变化。针对光纤监测系统存在的成本高，对断丝事件的快速准确识别和定位存在困难等问题。本发明提供一种基于粘贴式声光纤监测的PCCP断丝信号识别与定位方法及装置，包括：管道上通过粘贴方式布置有分布式光纤，其中，分布式光纤的2芯接入高频子系统，分布式光纤的第3芯接入低频子系统；高频子系统通过设置在管道内部的分布式光纤基于Michelson光纤干涉采集断丝振动高频信号，同时低频子系统通过分布式光纤基于后向Relay散射光干涉采集断丝振动低频信号；对断丝振动高频信号进行异常振动信号判断是否存在断丝事件；当判断存在断丝事件时，确定异常振动信号发生的时段；对异常振动信号发生时段对应的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置。因此，本发明能够对断丝事件进行高精度识别与定位，实现对长距离PCCP管道运行安全风险及时预警。

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一：本实施例提供的PCCP断丝信号识别与定位装置，包括：

分布式光纤，沿管道纵向粘贴式布设在管道内壁或管道外壁；

高频子系统，连接分布式光纤的两芯，用于对断丝振动高频信号进行采样；

低频子系统，连接分布式光纤的第三芯，用于对断丝振动低频信号进行采样；

控制系统，用于对断丝振动高频信号进行异常振动信号判断是否存在断丝事件；当判断存在断丝事件时，确定异常振动信号发生的时段，同时对异常振动信号发生的时段对应通道的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置，还可以将异常震动信息向工程运行管理单位发送相关时间段的监测数据进行预警，其中，高频子系统和低频子系统同步进行数据采集。

本实施例的一个优选方式，分布式光纤可以采用多芯单模测声光缆，其中，两芯用于连接高频子系统，另外1芯用于连接低频子系统。

进一步地，分布式光纤采用胶凝材料通过粘贴方式固定在管道内壁或外壁，以固体作为主要声传导介质。其中，当分布式光纤固定在管道内壁时，利用闸阀井口通过专用密封件伸出管道，采样粘贴方式固定分布式光纤不仅可以在管道充水运行阶段实施断丝监测，还可以在管道放空阶段实施断丝监测。

进一步地，分布式光纤沿管道轴向粘结于管道，需要将分布式光纤沿程均匀、紧密、连续粘结于管道。在实际应用环境中，分布式光纤与管道之间的耦合效果是影响PCCP断丝信号准确识别与定位的关键因素。因此，本实施例可以用环氧树脂、水泥等胶凝材料将分布式光纤沿管道纵向连续粘接于管道，且可以在胶凝材料外表面涂刷防水材料起到耐久性防护。

本实施例的一个优选方式，高频子系统是基于Michelson光干涉原理进行分布式光纤监测，高频子系统包括长度相等的测量臂和参考臂，其中，可以将安装在管壁上的分布式光纤中的一芯作为测量臂光纤，另外一芯作为参考臂光纤，且测量臂光纤和参考臂光纤均设置在管道内壁，当环境振动导致测量臂和参考臂之间存在光程差时，就可以通过干涉后的光相位时域变化反映出来。其中，本实施例的高频子系统采样频率可以达到100kHz以上，完全覆盖断丝信号主频。

进一步地，如图1所示，高频子系统包括窄线宽激光器1、第一连接光纤2、隔离器3、第二连接光纤4、耦合器5、参考臂光纤6、反射镜7、测量臂光纤8、第三连接光纤9、光电探测器10和采集系统11。

其中，窄线宽激光器1发出激光后依次通过第一连接光纤2、隔离器3和第二连接光纤4发射到耦合器5，通过耦合器5分解为2束相干光分别发送到参考臂光纤6和测量臂光纤8，参考臂光纤6和测量臂光纤8用于采集管道中的环境振动信号。测量臂光纤8和参考臂光纤6的末端都安装有反射镜7将反射回耦合器5进行干涉，通过光电探测器10探测两路激光相干后的光强，并转换为电压信号经由采集系统11进行采集。其中，参考臂光纤6可设计为与测量臂光纤8等长，但是处于与振动隔离的状态，干涉光路上感知到的振动将引起相干后光强的变化。为了避免回光影响激光器，需要在激光器的光路中安装隔离器3。高频子系统采集到的是分布式光纤沿程感受到的所有振动信号的累加，考虑到PCCP输水工程中两次断丝事件发生的时间差一般不短于10ms，同时结合断丝信号频率的主要分布范围，高频子系统采用不低于100kHz的频率采集信号。

本实施例的一个优选方式，低频子系统属于相干探测型，低频子系统基于后向Relay散射光干涉原理，将光纤中每隔一段距离的后向Relay散射光相位某一时刻在空间上的积分作为该段距离中点位置在该时刻的响应，从而得到沿管线长度上各空间采样通道(采样通道为采样点)的振动时程曲线，低频子系统输出各通道的振动时程曲线可以有两种方式：①光纤应变率时程曲线；②光纤应变时程曲线。对于PCCP断丝监测，低频子系统单个采样通道代表的空间长度不超过5m，20km条件下低频子系统的采样通道数达到4000，以此为例，不限于此。

进一步地，低频子系统包括窄线宽激光源12、第四连接光纤13、耦合器14、第五连接光纤15、脉冲发生器16、声光调制器17、第六连接光纤18、掺铒光纤放大器(Erbium-dopedOptical Fiber Amplifier，EDFA)19、第七连接光纤20、环形器21、传感光纤22、第八连接光纤23、3dB耦合器24、光电探测器25和采集系统26。

窄线宽光源12发出的激光依次通过第四连接光纤13、耦合器14、第五连接光纤15、声光调制器17、第六连接光纤18、掺铒光纤放大器19、第七连接光纤20和环形器21发射到传感光纤22，同时经耦合器14分出一部分光通过第八连接光纤23作为参考光，参考光与传感光纤22中的后向Relay散射光在3dB耦合器24中干涉，通过光电探测器25探测干涉后的光强来感知传感光纤上的振动信息，光电探测器25探测的光信号通过采集系统26进行采集。其中，应用掺铒光纤放大器19进行放大注入传感光纤24中的激光。脉冲发生器16用于连接声光调制器17，声光调制器17用于将激光器发出的连续光调制为脉冲信号。

实施例二：如图2所示，本实施例还提供一种PCCP断丝信号识别与定位方法，包括：

S1、管道上通过粘贴方式布置有分布式光纤。

S2、高频子系统通过设置在管道内部的分布式光纤基于Michelson光纤干涉采集断丝振动高频信号，同时低频子系统通过分布式光纤基于后向Relay散射光干涉采集断丝振动低频信号。

S3、对高频子系统采样信号数据定时加窗截断进行异常振动信号判断是否存在断丝事件。

具体地，对高频子系统采集数据实时按照一定时长加窗截断，进行滤波和时频分析，提取时域(包括波形指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标、峰峰值、过零率、上升时间、下降时间、互相关函数等)、频域(包括功率谱、重心频率、均方根频率、频率方差、谱熵等)和时频域统计特征参数(包括短时功率谱、短时频率方差、短时互相关函数等)和预先设定的断丝信号数据库进行对比，判断是否存在断丝事件的核心是确定采样信号与已知断丝信号的接近程度。将采样信号的信号输入到已经训练好的分类模型中(如邻近算法、人工神经网络方法等)进行计算该段信号数据和数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，则将该段信号自动识别为断丝信号，并将异常信号发生时段信息发送给低频子系统，如果确认不是断丝信号，则将该段数据删除。

本实施例中，定时加窗截断是指：高频子系统和低频子系统持续监测采集分布式光纤感知的振动信号，此过程中每隔设定的固定时间对采集的连续振动信号进行截断。其中，时间窗长应当长于断丝振动信号的持续时间，且应当考虑高频段和低频段信号的持续时间，高频子系统窗长不低于15ms，但时间不宜过长，避免将两次时间靠近的断丝事件识别为一次；低频子系统仅在识别到断丝信号后才进行分析，具有一定的滞后性，且断丝信号低频段持续时间较长，窗长应适当增加。

进一步地，滤波可以采用FIR或者IIR方法进行。

进一步地，如图3所示，预先建立断丝信号数据库，断丝信号数据库是既往长期监测过程中确定的断丝信号数据库，并在监测过程中不断积累内容，可以将实际验证的断丝信号和其他非断丝信号各自做出不同的标记，经过不断地机器学习自动存入断丝信号数据库，完成断丝信号数据库的建立。断丝信号数据库包括高频子系统记录的所有识别为断丝的时程曲线，同时记录采集到每条断丝时程曲线时的基本情况，包括断丝发生管道结构参数、该节管道及上下游相邻管道已确定发生断丝的情况，以及断丝发生时管道内流量等情况。

进一步地，断丝信号数据库的累积方法，包括：

计算采样信号和断丝信号数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果小于预先设定的阈值时，标记为其它信号，存入断丝信号数据库；

当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，并经过验证是真实断丝事件后，标记为断丝信号，存入断丝信号数据库，否则标记为其它信号，存入断丝信号数据库。

S4、当判断存在断丝事件时，确定异常振动信号发生的时段。

S5、对异常振动信号发生时段对应的断丝振动低频信号进行处理，并根据波动传播规律确定断丝信号发生的位置。

具体地，按照处理断丝高频振动信号相同或相近的时长加窗截断数据，当获知高频子系统的异常振动信息后，则将异常振动信号发生时段对应的数据保存下来进行定位，否则将该时刻之前到上一次异常信号发生时刻之间的数据删除，定位过程包括：对异常信号发生时段对应的断丝低频数据进行滤波处理，将各采样通道数据与预先设定的断丝信号数据库进行对比分析，计算各通道信号数据和数据库数据的匹配概率密度，当概率密度计算结果超过预先设定的阈值，则将该通道数据保存下来，其他通道数据删除；然后进一步分析保存下来的若干通道的位置关系，根据波动传播规律确定断丝信号发生的相邻的2-3个通道；最后依据波速计算出断丝信号的发生位置。

进一步地，断丝信号自断丝发生位置向管道上下游两侧传播，且在传播过程中逐渐衰减。扫描低频子系统各采样点信号，根据运行工况滤除水体流动噪音，筛选出信号存在能量在空间和时间上局部集中、具有传播衰减特征的范围，一般该范围有10m～20m。计算该范围内各采样点振动信号的时频分布，判断断丝振动信号的到达各采样点的时刻。如图4所示展示了520、521、522、523通道的计算结果，从图中可以看出自9ms后各通道能量逐渐上升，521通道上升最早且能量最大，其次是上游侧的520通道，下游侧的522、523通道靠后。从能量角度判断断丝振动信号到达各采样点的时刻。各点的到达时刻可根据各通道记录接收到异常振动幅值的比例(30％-100％)设定门槛，从而确定发生时间，当信号超过阈值后认为断丝振动信号到达该采样点。选择前2个相邻的断丝信号到达的采样点，认为断丝信号发生在这2个相邻的采样点之间，确定断丝信号到达这2个相邻的采样点时刻的时间差，断丝发生位置根据下式确定：

x

式中，x

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。