唐文娟,白 謀,王玲容

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2022年年底,廣西高速公路通車總里程突破8 000 km,在建和建成總里程近1.5×104km[1],為廣西帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,但是諸多交通安全相關(guān)問題接踵而來,如擁堵、交通事故等。各種突發(fā)交通安全事件的產(chǎn)生不但影響高速公路的運(yùn)行效率和通行能力,還造成社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失、甚至人身傷亡等嚴(yán)重后果?，F(xiàn)階段廣西高速公路車輛檢測主要依賴視頻監(jiān)控相機(jī),但相機(jī)鏡頭易受污染,在夜晚和異常天氣車輛檢測效果欠佳。此外,由于其作為一種分立式、點(diǎn)式固定傳感裝置,只能監(jiān)測一定范圍內(nèi)的公路,需要設(shè)置非常多的監(jiān)測點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高速公路車輛全程檢測監(jiān)控,成本高昂。

為提升高速公路運(yùn)行的安全性和可靠性,并節(jié)約建設(shè)和維護(hù)成本,現(xiàn)提出基于分布式光纖振動(dòng)的車輛檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用沿路側(cè)敷設(shè)的光纖感知由車輛所引起的振動(dòng),通過相干光電檢測系統(tǒng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),解調(diào)包含車輛振動(dòng)的電信號(hào)后,再利用特征識(shí)別算法進(jìn)行學(xué)習(xí)和識(shí)別,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全路段運(yùn)行車輛進(jìn)行全時(shí)空感知以及相關(guān)公路事件的智能認(rèn)知,建立光纜通信沿線的整體交通連續(xù)監(jiān)測能力,實(shí)現(xiàn)諸如車輛位置、車速檢測、擁堵檢測、交通流量和通行能力等一系列遠(yuǎn)程、全天候的監(jiān)測。

1 分布式光纖技術(shù)簡介

分布式光纖傳感技術(shù)是一種融合光通信和集成光學(xué)的新型傳感技術(shù),基于光反射、光散射等原理,利用光纖自身作為傳感介質(zhì)和傳感單元,探測周圍振動(dòng)信號(hào),成本較低,且一次鋪設(shè),可長久重復(fù)利用,具有極高的市場價(jià)值。相較于點(diǎn)式光纖傳感技術(shù),其可實(shí)現(xiàn)10 km以上的長距離監(jiān)測,在國內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于石化管道監(jiān)測[2]、安防監(jiān)測[3]、結(jié)構(gòu)物檢測[4]等領(lǐng)域并取得良好效果,而該技術(shù)在高速公路領(lǐng)域應(yīng)用也引發(fā)了各大高校的研究熱潮[5-6]。

2 分布式光纖車輛檢測系統(tǒng)原理及組成

分布式光纖車輛檢測系統(tǒng)是在道路兩側(cè)敷設(shè)傳感光纖,其原理為窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)激光經(jīng)過耦合器、聲光調(diào)制器形成脈沖光后,再經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入到分布式傳感光纖中,車輛行駛經(jīng)過時(shí),車輪碾壓路面以及車輛自身噪聲引起路面振動(dòng),并傳導(dǎo)到路側(cè)敷設(shè)的光纖上,引發(fā)光纖線路上發(fā)生擾動(dòng);彈光效應(yīng)使光纖相應(yīng)位置的折射率發(fā)生變化,將兩個(gè)時(shí)刻的后向散射光強(qiáng)曲線相減就能得出車輛的位置信息,并利用算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別檢測。Φ-OTDR車輛振動(dòng)檢測系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 Φ-OTDR車輛振動(dòng)檢測系統(tǒng)的原理示意圖

3 分布式光纖車輛檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ),系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了分布式光纖振動(dòng)傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、工控機(jī)、微控制器、供電模塊等五大模塊。此外,還有位于前面板的指示燈和位于后面板的探測光纖接口。系統(tǒng)硬件組成與連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 基于Φ-OTDR車輛監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成框圖

光纖振動(dòng)傳感模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心,考慮到系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)范圍需要比較大的入射光功率,且系統(tǒng)的靈敏度主要受限于后端信號(hào)的處理,因此模塊采用了摻鉺放大器加分布式拉曼放大技術(shù)雙放大方案,實(shí)現(xiàn)超長距離靈敏探測。具體為該模塊產(chǎn)生雙通道的探測光脈沖通過摻鉺光纖放大器將峰值功率放大后注入待測光纖中,待測光纖中激發(fā)出的后向瑞利散射光經(jīng)過分布式拉曼放大技術(shù)后又從光纖接口返回至該模塊,并在模塊內(nèi)完成對(duì)后向瑞利散射光的探測與調(diào)理,完成一系列模擬信號(hào)的處理,最終輸出電壓信號(hào)供后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集光纖振動(dòng)傳感模塊輸出的兩通道信號(hào),同時(shí)產(chǎn)生指定寬度的電脈沖信號(hào),用于光纖振動(dòng)傳感模塊光脈沖產(chǎn)生,使脈沖產(chǎn)生與數(shù)據(jù)采集的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)得更精確。

工控機(jī)通過PCI-E接口從數(shù)據(jù)采集模塊高速獲取采集得到的后向瑞利散射信號(hào),工控機(jī)內(nèi)的軟件算法完成這些數(shù)據(jù)的處理、分析、顯示,同時(shí)工控機(jī)還將通過微控制器對(duì)光纖振動(dòng)傳輸模塊的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

微控制器基于簡單的單片機(jī),便于工控機(jī)與光纖振動(dòng)傳感模塊的通信,同時(shí)提供GPIO接口,控制試驗(yàn)樣機(jī)前面板的LED指示燈,通過這些指示燈可以直觀地了解到系統(tǒng)目前的工作狀態(tài)。

供電模塊由市電AC220V轉(zhuǎn)換出需要的各種直流電壓,包括DC24V、DC12V、DC5V、DC3.3V等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高速公路周圍特殊環(huán)境、外界溫度以及光纜的敷設(shè)方式都會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變,必須采取增敏、降噪技術(shù)以提高傳感光纜的檢測靈敏度,降低外界干擾的影響,提高信號(hào)的信噪比、系統(tǒng)監(jiān)測范圍和定位識(shí)別的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)主要包括振動(dòng)信號(hào)采集與預(yù)處理、振動(dòng)信號(hào)降噪、定位和智能認(rèn)知。

4.1 振動(dòng)信號(hào)采集與預(yù)處理

振動(dòng)信號(hào)的采集是整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的前提。本系統(tǒng)通過采集卡提供的SDK,將由每個(gè)光脈沖激發(fā)的后向瑞利散射光的探測數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。此外,由于高速公路環(huán)境復(fù)雜,存在各種干擾以及光纖傳感器自身固有漂移等,導(dǎo)致系統(tǒng)的光相位緩慢變化,從而引起光纖回傳的信號(hào)強(qiáng)度漂移,信號(hào)的整體幅值變化較大,一些有用的振動(dòng)信號(hào)被淹沒,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)的情況。為此,采用預(yù)加重對(duì)信號(hào)的高頻成分進(jìn)行加重,提高信號(hào)的高頻分辨率,使信號(hào)中的細(xì)節(jié)信息得以凸顯,同時(shí)降低幅度漂移信號(hào)的低頻部分,有利于信號(hào)后續(xù)的分析和處理。

4.2 信號(hào)降噪

經(jīng)過預(yù)處理輸出的振動(dòng)時(shí)間序列信號(hào)依然包含大量的噪聲,而常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等算法針對(duì)信號(hào)間斷性造成的模態(tài)混疊現(xiàn)象沒法解決。本文提出使用變分模態(tài)分解方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪,且在求解變分問題過程使用交替方向乘子法,分解得到信號(hào)所有模態(tài),再將含有主要信號(hào)的模態(tài)進(jìn)行重新構(gòu)造,得到有效的信號(hào)。圖3是經(jīng)過該算法處理后得到的信號(hào)瀑布圖。

圖3 變分模態(tài)分解處理后的光纖振動(dòng)信號(hào)瀑布圖

4.3 振動(dòng)信號(hào)定位

為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求,并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行有效、針對(duì)性處理,需對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定位認(rèn)知。本系統(tǒng)通過設(shè)置幅度閾值進(jìn)行判斷,當(dāng)光纖上某個(gè)位置的信號(hào)振動(dòng)幅度超過該值,就認(rèn)為光纖在該處發(fā)生了振動(dòng)事件,得到真正的車輛振動(dòng)片段,進(jìn)行下一步處理,可以縮短處理時(shí)效,增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.4 振動(dòng)信號(hào)智能認(rèn)知

通過振動(dòng)信號(hào)定位算法,系統(tǒng)可知光纖振動(dòng)的位置,但還需要對(duì)引起振動(dòng)的事件類型進(jìn)行認(rèn)知判定,以便用戶選擇對(duì)應(yīng)的處置措施。振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別的方法計(jì)算量偏大,不利于實(shí)時(shí)識(shí)別。因此,本系統(tǒng)選擇使用多尺度一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,直接將振動(dòng)信號(hào)作為輸入并平衡好信號(hào)時(shí)間分辨率和頻率分辨率的問題,實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確魯棒的識(shí)別,同時(shí)設(shè)計(jì)增量學(xué)習(xí)機(jī)制,以滿足系統(tǒng)自適應(yīng)的需求。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

在河百高速公路選點(diǎn)實(shí)施了光纖敷設(shè)、水泥包封等施工,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用并進(jìn)行了相關(guān)測試,測試結(jié)果如后頁圖4所示。由圖4可知,本系統(tǒng)振動(dòng)波形跟隨著車輛行駛移動(dòng),車輛振動(dòng)檢測效果良好,基本實(shí)現(xiàn)了該路段車輛全分布式測量。

圖4 車輛振動(dòng)差分曲線圖

6 結(jié)語

本文通過分析高速公路車輛檢測實(shí)際情況,結(jié)合新型光纖傳感技術(shù),提供基于分布式傳感技術(shù)的車輛檢測解決方法。該方法利用光纖作為傳感和感知單元,敷設(shè)方便不會(huì)對(duì)路基造成損害,具有極高的市場利用價(jià)值,相較于布設(shè)全程視頻監(jiān)控更節(jié)約成本,并且檢測效果良好,達(dá)到交通管理需求,尤其適合應(yīng)用在山區(qū)車流量較少但路線較長的高速公路。