一種隧道的振源類型識(shí)別方法及振源位置定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種防止大型施工機(jī)械破壞地下隧道的振源類型區(qū)分和定位技術(shù)，尤 其是一種隧道的振源類型識(shí)別方法及振源位置定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷成熟，城市化發(fā)展不斷深入，地下空間利用率越來 越高，在市政和電力隧道中經(jīng)常分布各種通信和電力設(shè)施，隧道的安全運(yùn)行已關(guān)系到城市 的安全建設(shè)與發(fā)展。目前地下空間監(jiān)控行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，已經(jīng)成長為擁有一定市場(chǎng)規(guī) 模、技術(shù)水平高的新型產(chǎn)業(yè)。電力隧道作為城市地下空間的主要組成部分，經(jīng)過近些年的發(fā) 展，已經(jīng)形成了比較完整的監(jiān)控體系，很多公司紛紛參與到這個(gè)行業(yè)中，行業(yè)競(jìng)爭日益加 劇。
[0003] 目前布設(shè)在電力隧道中的監(jiān)控系統(tǒng)主要有以下幾類：電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（光纖測(cè) 溫、局部放電監(jiān)測(cè)、接地電流監(jiān)測(cè)、電纜故障定位、故障錄波、相位測(cè)量等）、環(huán)境信息采集及 控制系統(tǒng)(溫度、濕度、空氣成分、水位采集，風(fēng)機(jī)、水栗控制等）、門禁監(jiān)控（隧道出入口監(jiān) 控、井蓋監(jiān)控等）、隧道消防系統(tǒng)(煙感、防火門控制、滅火系統(tǒng)、應(yīng)急照明、應(yīng)急通信）、視頻 監(jiān)控系統(tǒng)等。但是地震或者外界機(jī)械施工對(duì)隧道造成的振動(dòng)破壞監(jiān)控解決方案，目前市場(chǎng) 上還是空白。如果能實(shí)時(shí)監(jiān)控地下電纜隧道受到振動(dòng)的強(qiáng)度，提前預(yù)警并定位振源，就可以 盡最大限度保證隧道電纜的安全運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，發(fā)明了一種隧道的振源類型識(shí)別方法及振源位置定位方法， 實(shí)時(shí)采集隧道中安裝的三軸振動(dòng)傳感器的X軸、Y軸、Z軸方向的加速度AD值。本發(fā)明對(duì)三軸 振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析:建立振動(dòng)觸發(fā)算法。過濾背景噪聲，采用縱向加橫向 布點(diǎn)聯(lián)合分析判斷震源方向、利用橫波和縱波傳播的差異點(diǎn)來測(cè)距震源。最終達(dá)到精確定 位震源的效果。為電力安全生產(chǎn)的先期預(yù)警、快速反應(yīng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種隧道的振源類型識(shí)別方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟(1):在隧道中間隔設(shè)定距離設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的四個(gè)角落分別安 裝三軸振動(dòng)傳感器;三軸振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集自身X軸、Y軸、Z軸方向的加速度模擬量，并轉(zhuǎn) 換為數(shù)字量(Analog to Digital簡稱AD);
[0008] 步驟(2):建立觸發(fā)模型，在模型中設(shè)定觸發(fā)閾值，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生的能量 如果沒有達(dá)到觸發(fā)閾值，則被視為干擾信號(hào);如果達(dá)到觸發(fā)閾值，則判斷有振動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)入步 驟⑶；
[0009] 步驟(3):提取三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)頻率，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)頻率與預(yù) 存的沖擊頻率進(jìn)行類比分析，從而識(shí)別振源類型。
[0010] 所述預(yù)存的沖擊頻率包括大型施工機(jī)械的固有沖擊頻率和不同等級(jí)地震的沖擊 頻率。
[0011] -種隧道的振源位置定位方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟(1):在隧道中間隔設(shè)定距離設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的四個(gè)角落分別安 裝三軸振動(dòng)傳感器;三軸振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集自身X軸、Y軸、Z軸方向的加速度模擬量，并轉(zhuǎn) 換為數(shù)字量(Analog to Digital簡稱AD);
[0013] 步驟(2):建立觸發(fā)模型，在模型中設(shè)定觸發(fā)閾值，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生的能量 如果沒有達(dá)到觸發(fā)閾值，則被視為干擾信號(hào);如果達(dá)到觸發(fā)閾值，則判斷有振動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)入步 驟⑶；
[0014] 步驟(3):提取三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)頻率，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)頻率與預(yù) 存的沖擊頻率進(jìn)行類比分析，從而識(shí)別振源類型；
[0015] 步驟(4):分別計(jì)算每個(gè)三軸振動(dòng)傳感器上傳的振動(dòng)數(shù)據(jù)的振幅，依據(jù)振動(dòng)信號(hào)在 傳播過程中能量不斷衰減，振幅幅度大的三軸振動(dòng)傳感器先被觸發(fā)，振幅小的三軸振動(dòng)傳 感器后被觸發(fā)，通過比較三軸振動(dòng)傳感器上傳的振動(dòng)數(shù)據(jù)的振幅的大小，判斷出振動(dòng)信號(hào) 的來源方向；
[0016] 步驟(5):利用三軸振動(dòng)傳感器的水平方向和垂直方向的加速度AD值識(shí)別出縱波 和橫波信號(hào)的時(shí)間差，由于縱波傳播速度比橫波速度快，以縱波和橫波兩種振動(dòng)信號(hào)傳播 過程中的速度差和接收的時(shí)間差來計(jì)算震源距離。
[0017] 所述步驟(2)中，設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)的長時(shí)間窗，在滑動(dòng)的長時(shí)間窗內(nèi)再取一個(gè)短時(shí)間 窗，兩窗口終點(diǎn)或起始點(diǎn)重合，用短時(shí)窗信號(hào)平均值STA(Short Time Average)和長時(shí)窗信 號(hào)平均值LTA(Long Time Average)之比來反映信號(hào)振幅或能量的變化，STA反映微震信號(hào) 的平均值，LTA反映背景噪音的平均值，在微震信號(hào)到達(dá)的時(shí)間處，STA要比LTA變化快，相應(yīng) 的STA/LTA值會(huì)有一個(gè)明顯的增加，當(dāng)STA與LTA的比值大于設(shè)定閾值時(shí)，判定有微震事件發(fā) 生，從而達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)和拾取微震初至的目的。
[0018] 所述步驟(2)的觸發(fā)模型的計(jì)算公式，即STA/LTA算法公式為
[0019
[0020
[0021
[0022] 其中，i為米樣時(shí)刻，ns為短時(shí)窗的長度，nl是長時(shí)窗的長度，λ為設(shè)定的觸發(fā)閾值， CF(j)為在j時(shí)刻的關(guān)于微震信號(hào)的特征函數(shù)值，用于表征微震數(shù)據(jù)的振幅和能量。
[0023] 短時(shí)窗長度越小，當(dāng)信號(hào)到達(dá)時(shí)STA相對(duì)于LTA的變化就越大，P波到時(shí)的STA/LTA 值就會(huì)越大，對(duì)微震信號(hào)反應(yīng)越靈敏，比較容易觸發(fā);短時(shí)窗長度越大，微震信號(hào)P波到時(shí)的 STA/LTA值就會(huì)越小，不容易觸發(fā)，拾取震動(dòng)的敏感性降低。
[0024]觸發(fā)閾值的設(shè)置要適當(dāng)，不能過大或過小，若閾值設(shè)置過小，則會(huì)增大誤判的概 率，把一些噪音或其他干擾信號(hào)當(dāng)做微震事件被識(shí)別;若閾值設(shè)置過大，則會(huì)漏判掉能量較 弱的微震事件.同時(shí)，為了提高檢測(cè)效果，降低誤判和漏判率，閾值的設(shè)置也要根據(jù)選取的 時(shí)窗長度做一些調(diào)節(jié)。
[0025] 所述步驟(3)中，利用快速傅里葉變換從三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取信號(hào)在 頻域中最大振幅的波形對(duì)應(yīng)的頻率，并將對(duì)應(yīng)的頻率與施工機(jī)械的沖擊頻率進(jìn)行類比，從 而判斷出振動(dòng)頻率所歸屬的施工機(jī)械的類別;或并將對(duì)應(yīng)的頻率與不同等級(jí)地震的沖擊頻 率進(jìn)行類比，從而判斷出振動(dòng)頻率所歸屬的地震的等級(jí)。
[0026] 所述步驟(4)中，利用快速傅里葉變換計(jì)算出所有三軸振動(dòng)傳感器上傳的振動(dòng)信 號(hào)的振幅，最大振幅的三軸振動(dòng)傳感器距離震源最近;通過三軸振動(dòng)傳感器的安裝位置定 位震源的傳播方向。
[0027]所述的步驟(4)包括以下分步驟：
[0028]步驟(41):每個(gè)三軸振動(dòng)傳感器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀頭存儲(chǔ)有傳感器的出廠編號(hào)，每一 個(gè)出廠編號(hào)與三軸振動(dòng)傳感器的安裝位置存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0029]步驟(42):對(duì)所有三軸振動(dòng)傳感器的同一時(shí)間上傳的振動(dòng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里 葉變換，計(jì)算出每一個(gè)三軸振動(dòng)傳感器的振動(dòng)幅值；
[0030]步驟(43):對(duì)三軸振動(dòng)傳感器振動(dòng)幅值按從大到小依次排列。
[0031] 所述步驟(43)中：
[0032]如果只有兩個(gè)三軸振動(dòng)傳感器采集到振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比振幅大小獲知振動(dòng)信號(hào) 的傳播方向；
[0033]如果多個(gè)三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到振動(dòng)，振動(dòng)方向需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)幅值， 進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0034]所述步驟(5)中，三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)X、Y、Z軸方向的振動(dòng)；
[0035] 在地震波中，縱波的振動(dòng)方向與傳播方向一致，橫波的振動(dòng)方向與傳播方向垂直。 監(jiān)測(cè)Ζ軸(垂直)方向的振動(dòng)用于識(shí)別橫波，水平方向的振動(dòng)用于識(shí)別縱波，水平方向的振動(dòng) 為X軸和y軸的矢量和S。
[0036]
[0037] 通過縱波和橫波兩種振動(dòng)信號(hào)傳播過程中的速度差和觸發(fā)的時(shí)間差來計(jì)算震源 距離。
[0038]所述的步驟(5)包括以下分步驟：
[0039] 步驟(51):每個(gè)三軸振動(dòng)傳感器設(shè)置兩個(gè)接收緩沖區(qū)：水平方向緩沖區(qū)和垂直方 向緩沖區(qū)，水平方向緩沖