一种堤防变形、渗漏预警诊断方法及系统

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　　摘  要：传统堤防变形和渗漏监测，均有一定程度的滞后性，无法在变形和渗漏发展初期及时判断预警。利用光纤对变形、温度敏感的特点，可用于及时判断堤防变形和渗漏点位置、实时监测变形和渗漏发展过程。通过大数据及智能分析技术，在警情发展初期预测渗漏的发展，快速准确定位堤防变形和渗漏的发生位置、判断发展程度，在堤防管理、河湖管理中均能起到重要的作用。
　　关键词：光纤传感;堤防变形和渗漏;大数据;智能分析
　　中图分类号：TV698         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）19-0124-03
　　Abstract： The traditional dike deformation and leakage monitoring have a certain degree of lag， so it is impossible to judge the early warning in the early stage of the development of deformation and leakage. Taking advantage of the sensitivity of optical fiber to deformation and temperature， it can be used to judge the location of dike deformation and leakage point in time， and to monitor the development process of deformation and leakage in real time. Through big data and intelligent analysis technology， it can predict the development of leakage in the early stage of alarm development， quickly and accurately locate the location of dike deformation and leakage， and judge the degree of development， which can play an important role in dike management and river and lake management.
　　Keywords： optical fiber sensing; dike deformation and leakage; big data; intelligent analysis
　　1 概述
　　传统堤防变形和渗漏监测，均有一定程度的滞后性，无法在变形和渗漏发展初期及时判断预警。变形监测的传统设备普遍采用引张线和静力水准，引张线测量水平位移、静力水准仪测量垂直位移，特点是精度较高mm级别，但造价高，维护要求高，容易雷击、老化、容易损坏，限于费用和管理技术水平难以大规模推广。渗漏监测的传统方式是在监测地点建设渗压管，由安装在渗压管中的渗压计测量渗透压力。目前国产渗压计长期稳定性不佳、易损坏，进口设备较昂贵，渗压计损坏是目前水利工程运行管理中普遍存在的问题。
　　光纤光栅传感技术是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源传感技术。光纤光栅是一种衍射光栅，光信号传播时，光纤光栅有选择性地将光波进行反射，而其他光波不受影响。光纤光栅的返回光波长受外界参量状态变化的影响，借助光器件实现返回光信号采集，实现对外界参量的监测。
　　2 光纤预警监测系统设计方法及实现
　　利用光纖对变形、温度敏感的特点，通过应用研究，可用于及时判断堤防变形和渗漏点位置、实时监测变形和渗漏发展过程，变形渗漏发生时能及时预警。有了预警数据后，通过大数据及智能分析技术，在警情发展初期预测渗漏的发展，快速准确地定位堤防变形和渗漏的发生位置、判断发展程度，在堤防管理、河湖管理中均能起到重要的作用。
　　预警监测系统主要包括光纤光栅感知设备、光纤光栅信号处理器、智能分析和伺服系统等。在预警系统中设计实现的变形、渗透检测的感知设备主要包括光纤光栅单点位移计、光纤光栅锚杆应力传感器、光纤光栅渗压计、光纤光栅倾斜计等。
　　2.1 框架数据流程
　　光纤光栅感知设备在感知到远端被测量变化时，将引起波长的变化，波长变化传递给光纤光栅信号处理器;光纤光栅信号处理器是系统的核心部件，主要对传感器返回的光信号进行调制解调、物理量数据转换和计算;智能分析模块含有AI智能芯片，进行目标智能检测和识别，并将检测识别数据发送给数据处理模块;数据处理模块主要完成对智能分析结果进行信息叠加和处理工作，根据预警规则参数对检测识别数据进行预警识别判定，并将检测识别数据、光纤信息数据、预警信息数据、目标位置信息等进行信息合成叠加处理，发送给数据通信模块;数据通信模块进行通讯协议转换，根据相关数据信息以及控制指令进行通讯传输。
　　2.2 系统设计方法
　　要实现复杂环境条件下对变形、渗漏的智能化、精准化、实时性检测和识别，其设计主要集中在光纤光栅感知模块和光纤光栅信号处理模块。
　　（1）系统实现的过程如下：
　　a.光纤光栅感知：由发光源产生入射光，进入光纤光栅传感器，由于光纤光栅的波长选择性作用，满足反射条件的光将被反射回到光栅解调模块。光纤光栅传感器置于监测区域中，当被测量（温度、压力或应力等）发生变化时，光栅自身的栅距随之发生变化，从而引起反射波长的变化，被测量变化与波长呈线性关系。
　　b.光纤光栅解调：包括光栅解调模块及其驱动电路。光纤光栅解调模块可提供光纤光栅传感器的实时光谱检测，通过检测波长的变化推导出外界温度、压力或应力。 　　c.智能分析：解調后数据传输至智能分析模块，目标智能识别算法部署在AI智能芯片上;通过智能分析技术得出光纤光栅传感器采集到的结果类型、数值、位置等信息。
　　d.数据处理：数据处理模块根据预警规则参数对检测识别数据进行预警识别判定，并将检测识别数据、光纤信息数据、预警信息数据、目标位置信息等进行信息合成叠加处理。若监测到的关键参数超过设定的阀值，则通过各种方式及时通知相关的管理机构。
　　（2）在系统中涉及到的智能分析较多，例如水平位移、垂直位移、裂缝、渗漏等，都以智能分析技术为基础，综合多种智能分析算法，达到智能化功能的目的。对于光纤光栅的智能化分析主要设计实现是通过目标检测和目标智能识别单元。主要方法是分析应变目标造成的光波长变化特征，例如：应变-温度耦合，长距离传输光衰问题，精准特征不明显等。光纤光栅作为应变传感器应用时，其应变一温度耦合作用必须考虑，系统在光纤光栅应变传感器相同的温度场内布设光纤光栅温度传感器，用该温度传感器来对应变传感器进行温度补偿。对预处理后的信息进行分析，先由光纤光栅传感模块进行物理量检测，可以快速检测出要识别的目标，然后将目标信息发送给目标识别单元，加载智能分析网络模块，准确识别出目标信息。该方法不仅提升了目标检测和识别的速度，保证了实时性，还缩小了目标信息范围，使准确性也得到了保障。
　　目标智能识别单元基于智能分析算法实现，智能分析网络框架部署在AI芯片上，可以加载智能分析目标智能识别网络模型，实现对多种目标的智能分类和识别，例如：水平位移、垂直位移、裂缝、渗漏等。
　　模式识别主要应用随机森林算法实现，流程如下：a.选取堤防实测数据作为样本，并将实测数据分为训练集和测试集。b.比较不同参数下的OOB误差，选取OOB误差最小时的mtry和ntree值作为模型最优参数值。c.根据最优
　　mtry和ntree参数值利用训练样本构建模型，训练完成后对测试集进行预测。
　　其中实现方式如下：第一是对公开数据集进行目标分类提取，从数据集中移除不需要的目标，只留下已标注好的目标数据集，并将数据集按照7：3比例生成新的训练集和测试集;第二是利用分类数据集和分类训练模型进行训练：a.加载Imagenet上预先训练好的权重作为初始化参数
　　值;b.修改配置文件中目标类别数、训练和测试数据集路
　　径、目标对应类别名;c.通过前向传播获取目标分类结果，然后对比实际样本值计算损失，再根据误差值和设定的学习率进行反向传播来更新模型参数，以此种方式进行迭代训练，直到网络收敛或达到设定训练次数，得到目标的分类模型。
　　本发明有效地解决了水利工程中堤防变形、渗漏的预警、监测问题。光纤光栅传感技术的大容量、多参量、远距离传输等特性可真正实现广域分布式监测网络，能有效定量监测堤防边坡的滑移、受力、渗漏等影响安全状态的参数。它不仅可以远程监测、实时预警、报警堤防安全隐患，还可以全程记录堤防危害发生、发展的整个孕育变化过程，为科技技术人员理解堤防病害成因、对堤防固化防治提供更直观的数据支持。
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