袁 藝 王正龍 底 帥 曹嘉益 呂海波
(1.北京首都國際機場股份有限公司,北京 101300;2.哈爾濱工大正元信息技術有限公司,黑龍江 哈爾濱 150016)
隨著城市化進程的加快,市政公用設施建設發(fā)展迅速。市政、電力、燃氣、供水、排水以及通信等部門的線纜大多數(shù)都采取地埋方式,通過井蓋進行日常維護。由于城市面積不斷擴大,井蓋分布范圍越來越廣、數(shù)量越來越大,導致監(jiān)管難度大。由于缺乏有效的實時監(jiān)控及管理手段,全國各地頻頻出現(xiàn)城市井蓋破損、被偷或者被雨水沖走,近而導致傷人或死亡事件發(fā)生。為了整治窨井吞人傷人事故,住建部于 2013 年 4 月提出了關于進一步加強城市窨井蓋安全管理的通知,要求包括城市供水、排水、燃氣、熱力、房產(chǎn)(物業(yè))、電力、電信以及廣播電視等部門,實行井蓋的數(shù)字化管理,有效地監(jiān)管社會資源,確保人民群眾的人身安全。鑒于以上需求,近年來針對井蓋監(jiān)測的智慧化系統(tǒng)及終端產(chǎn)品層出不窮,但是,大多數(shù)系統(tǒng)及產(chǎn)品的核心關注點均在井蓋的異常開啟、平移以及振動等方面的監(jiān)測,通過加裝帶有無線通信功能的監(jiān)測終端,將窨井蓋的開啟、振動以及位移等狀態(tài)實時發(fā)送至云監(jiān)測系統(tǒng)平臺,城市管理人員及運維人員通過網(wǎng)頁端或手機端的管理界面,對井蓋工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測,判斷窨井蓋狀態(tài)是否存在異常,并安排現(xiàn)場人員對井蓋進行相應的維護作業(yè)。雖然現(xiàn)有的窨井蓋監(jiān)測系統(tǒng)及解決方案很多,但是針對井蓋裂縫、破損、沉降等問題的智慧化解決方案相對較少。城市窨井蓋尤其是行車路面的窨井蓋發(fā)生破損或沉降時,會嚴重影響行車安全和路側行人的人身安全。由于井蓋破損,當車輛經(jīng)過時會產(chǎn)生車輛輪胎陷入其中的風險,進而導致行車事故發(fā)生,嚴重時將給車輛、車內乘客及車輛周圍的行車安全帶來威脅。由于道路老化、雨水沖刷等原因,窨井蓋會出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象,因此路面在井蓋處出現(xiàn)凹坑。不平整的路面對行車產(chǎn)生了較大的影響,對車輛、窨井和路面造成沖擊,損耗機車,加劇路面及窨井的破壞[1]。由此可見,窨井及其周邊路面的破壞已經(jīng)嚴重影響到道路正常運營和市民交通安全,并成為道路迅速破壞的“源頭”,政府每年不得不投入大量人力、物力用于窨井維修[2]。
面對窨井蓋存在的問題,近幾年來已經(jīng)涌現(xiàn)出很多有關井蓋管理監(jiān)測的方法,大部分是從傳感器的角度出發(fā),布置一些覆蓋整個井蓋表面的硬件設備進行監(jiān)測,如章善斌等[3]提出的在井蓋表面布置漆包線的方法等。隨著人工智能的迅速發(fā)展,國內的井蓋監(jiān)測方法也逐漸轉換為使用紅外或圖像識別技術實現(xiàn)。李亞勝[4]提出了基于紅外探測的井蓋監(jiān)測系統(tǒng),使用E3Z-T82紅外線監(jiān)測組,并結合分布式控制方法,能夠準確地探測井蓋的狀態(tài);雷可[5]的該文中提到,對路面上出現(xiàn)的井蓋破損情況進行圖片采集,使用計算機技術處理圖片,可以使用自動化檢測方法監(jiān)測;張豐焰等人[6]提出的基于改進Hough與圖像比對法的窨井蓋疑似破裂檢測,通過提取窨井蓋的顏色、邊緣輪廓特征,并使用改進的Hough變換方法,計算窨井蓋的區(qū)域范圍,判斷是否有破損或丟失的情況;PAS-QUET J.等[7]提出,首先模擬出1個和窨井蓋大小以及形狀相似的圓形模型,再利用機器學習算法學習窨井蓋的外觀特征,結合兩者生成的模型,用于檢測城市街道中的窨井蓋,大大提高了窨井蓋檢測的準確率[8]。
窨井蓋作為機場內部道路不可或缺的重要組成部分,其完好性對機場日常工作的順利進行具有重要意義。由于機場是相對封閉的工作環(huán)境,且在白天通航時間,很多維護作業(yè)會受到限制,所以機場窨井蓋的故障排查和維護作業(yè)經(jīng)常在晚上進行。此外,由于作業(yè)時間較短,且現(xiàn)場無法布設電源,因此,機場窨井蓋監(jiān)測設備必須具備低功耗、施工方便以及能在夜晚正常工作等特點。鑒于以上原因,機場窨井蓋監(jiān)測無法使用紅外或圖像識別技術以及傳統(tǒng)的、施工或維護復雜的傳感器設備。結合機場窨井蓋的工作特點,該文提出了基于振動監(jiān)測的機場井蓋破損及沉降檢測方法,利用數(shù)值分析方法整理振動采樣數(shù)據(jù),并通過對振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計曲線進行分析,即可判斷機場井蓋是否存在破損或沉降現(xiàn)象,切實解決了機場窨井蓋監(jiān)測難、維護難的問題。并且配合該方法使用的振動監(jiān)測設備,具有低功耗、施工方便以及24 h實時監(jiān)測等特點。
在機場窨井蓋安裝振動監(jiān)測設備,將振動傳感器分別安裝在井蓋的中心點和4個軸線半徑的中點(每90°放置1個),實時采集窨井蓋的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)。累積3個月以上的振動采樣數(shù)據(jù),由平臺對所有采樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。具體方法如下。
從5個傳感器的振動監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)中各抽?。╩+n)組振動采樣數(shù)據(jù),首先將第一個傳感器的前m+1組傳感器的x,y,z3個方向的加速度依次做差,得到矩陣A1,m+1至A1,m+n如下。
在矩陣中,Δan,x=an,x-an-1,x,an,x為第n采樣的x軸方向的加速度值;Δan,x為第n次與第n-1次x軸方向加速度值的差值;Δan,y和Δan,z為第n次與第n-1次y軸和z軸方向加速度值的差值。
分別求解矩陣A1,m+1至A1,m+n的行和范數(shù),如公式(1)所示。
整理矩陣A1,m+1至A1,m+n的行和范數(shù),得到第一個傳感器的振動變化向量如下。
同理,可獲得第二至第五個傳感器的振動變化向量,由5個傳感器的振動變化向量,可得第一組振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化矩陣如下。
分別求解矩陣B的行和范數(shù),如公式(2)所示。
該數(shù)值反映了該(m+n)組振動監(jiān)測數(shù)據(jù)所對應的時間段內,井蓋在受到外力沖擊時(如車輛、飛機等的碾壓等)所產(chǎn)生的最大振動狀態(tài)。
通過k組(m+n)組振動采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,獲得最大監(jiān)測值向量如下。
由于機場井蓋的振動采樣數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征,因此,計算向量C的數(shù)學期望和方差,如公式(3)、公式(4)所示。
式中:E(C) 為數(shù)學期望表達式;μ為數(shù)學期望值;Std(C) 為方差表達式;δ為方差值。
當井蓋發(fā)生破損時,5個傳感器中會有2~3個傳感器的振動幅值會出現(xiàn)比較明顯的變化,此時振動監(jiān)測向量C的數(shù)學期望值會有所增大,而方差則會發(fā)生比較明顯的變化。此時,振動監(jiān)測向量C方差與正常狀態(tài)下的方差的比值,如公式(5)所示。
式中:δp為破損狀態(tài)下方差值;s為破損狀態(tài)與正常狀態(tài)的方差比值。
由于振動傳感器的采樣精度為±5%,且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析,得:
當E(C) >μ,且s≥1.2時,井蓋存在破損情況。
當井蓋發(fā)生沉降時,由于井蓋整體下降,導致井蓋與周圍的路面存在一定的落差,因此,5個傳感器的振動幅值均會出現(xiàn)比較明顯的變化,此時振動監(jiān)測向量C的數(shù)學期望值會明顯增大,而方差則不會發(fā)生比較明顯的變化。此時,振動監(jiān)測向量C的數(shù)學期望數(shù)值與正常狀態(tài)下的數(shù)值的比值,如公式(6)所示。
式中:μc為沉降狀態(tài)下數(shù)學期望值;e為破損狀態(tài)與正常狀態(tài)的數(shù)學期望比值。
由于振動傳感器的采樣精度為±5%,且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析,得:
當e≥1.2,且方差無明顯變化時,井蓋存在沉降情況。
取m=5,n=5,k=20,獲得正常狀態(tài)、破損狀態(tài)和沉降狀態(tài)各(m+n)×k=200組振動監(jiān)測數(shù)據(jù)。分別對3種狀態(tài)下的200組數(shù)據(jù)進行處理,得最大振動監(jiān)測值向量如下。
對以上向量進行統(tǒng)計分析,獲得井蓋正常狀態(tài)、破損狀態(tài)、沉降狀態(tài)下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計曲線,其結果如圖1所示。
由圖1可以看出,窨井蓋振動監(jiān)測數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,在正常狀態(tài)下的數(shù)學期望:E(C) =μ=1.5304,方差為:Std(C) =δ=0.87226;破損情況下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學期望:E(C) =μp=1.6204,方差:Std(C) =δp=1.8889。此時,數(shù)學期望與正常狀態(tài)下的比值:μp/μ=1.6204/1.5304=1.0588,方差的比值:δp/δ=1.8889/0.84226=2.2426,與正常狀態(tài)下的數(shù)學期望值相近,而方差比值明顯大于1.2,因此,窨井蓋存在破損現(xiàn)象;沉降情況下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學期望:E(C) =μc=1.9261,方差:Std(C) =δc=0.88615。此時,數(shù)學期望與正常狀態(tài)下的比值:μc/μ=1.9461/1.5304=1.2716,方差的比值:δc/δ=0.88615/0.84226=1.0521,與正常狀態(tài)下的方差相近,而數(shù)學期望比值大于1.2,因此,窨井蓋存在沉降現(xiàn)象。
圖1 機場窨井蓋正常、破損、沉降狀態(tài)下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析曲線
綜上所述,通過分析機場窨井蓋振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分布曲線的特征,我們可以判斷出井蓋是否存在破損或沉降狀態(tài)。
由實驗結果分析可以看出,該文提出的基于振動監(jiān)測的機場井蓋破損及沉降檢測方法,通過對井蓋振動監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線的分析,可以準確地判定監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學期望或方差是否存在異常。在井蓋破損狀態(tài)下,井蓋振動數(shù)據(jù)的數(shù)學期望值有小幅增加,而方差增幅較大,此時,振動數(shù)據(jù)分布曲線變得比正常狀態(tài)下平緩。根據(jù)正態(tài)分布的特征,說明該狀態(tài)下數(shù)據(jù)的方差較大。
而在井蓋沉降狀態(tài)下,井蓋振動數(shù)據(jù)的數(shù)學期望值大幅增加,而方差增幅較小,此時,分布曲線與正常狀態(tài)下的曲線類似,但是在x軸方向發(fā)生了較大平移。根據(jù)正態(tài)分布的特征,說明此狀態(tài)下數(shù)據(jù)的方差變化不大,而數(shù)學期望值明顯增大。
綜上所述,利用該文提出的方法,根據(jù)振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布曲線,判斷井蓋是否存在破損或者沉降的情況,可以為機場井蓋的日常維護和整個后勤保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行,提供可靠、有效的管理方法。