基于光纤测振系统的地铁隧道防破坏监测

渠红海

（武汉理工光科股份有限公司，湖北 武汉 430223）

地铁隧道分布于复杂的地下城市路网，地处环境复杂多变，地铁隧道的运营安全面临着众多外界施工的威胁[1-5]。近年来，我国多地都发生过地铁隧道被击穿的事故，因此，及早发现地铁隧道周边的第三方施工对地铁隧道的破坏风险，安排相关人员进行现场监督，是预防地铁隧道被破坏事故发生的有效措施。

利用分布式光纤传感技术空间和时间连续测量的技术优势，对地铁隧道沿线的所有振动信号进行采集和分析，对具有威胁性的施工信号进行及时地预警，可作为对地铁隧道进行防破坏监测的有效手段。

1 信号采集分析

将振动探测光缆布设于地铁隧道顶部，采集地铁隧道沿线的所有振动信号。将各个时刻采集的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，此矩阵的横轴为距离，纵轴为时间，由全段振动信号矩阵绘制而成的光纤振动数据图像，称之为振动瀑布图。

1.1 信号预处理

监测系统生成振动瀑布图的过程，即信号预处理过程，计算步骤如下：（1） 每一时刻，读取各个监测单元的原始信号。采样率为f，监测单元数量为N，得到f×N 的矩阵。（2） 对每秒原始信号矩阵的每一列（即每个监测单元的时域数据），进行差分运算，即每个数据点的后一点与其相减再取绝对值。（3） 对上一步的矩阵按行进行分帧，记帧数为d，对每一帧，求每列的最大值，得到d×N 的矩阵。即：将每一时刻的数据划分为d 个时间片段，取每个片段的最大值，用以进一步增强探测到的振动信号。（4） 将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，用于绘制成光纤振动数据图像。

如图1 所示，为一段在地铁隧道周边位置进行模拟挖掘激励测试的振动信号数据。每个探测单元长度为10 m，在此段瀑布图中，展示第300 个探测单元到第400 个探测单元的信号，时间长度为60 min。其中，挖掘激励信号中心在第382 个探测单元，挖掘激励振动的空间涵盖范围为第374 个探测单元至第389 个探测单元。在此段模拟挖掘激励测试的振动信号数据中，包含有2组模拟挖掘动作，每组激励5 下。其中，第一组5 次激励，因此时的背景干扰相对较小，在图中观察较为清晰，第二组5 次激励，由于受到地铁列车进站的振动干扰影响，在图中较难辨别，淹没于背景噪声。因此，需要设计合理有效的方法，对地铁隧道周边采集到的振动信号中的施工激励信号进行增强，对地铁列车行进、地铁列车进站等干扰进行过滤，以提高监测系统的报警准确率。

图1 某段地铁隧道振动探测瀑布图

1.2 信号过滤

在地铁隧道的应用场景中，监测系统主要面临的干扰源为地铁列车行进和地铁列车进站干扰。通过观察对比采集的多组模拟施工激励信号和地铁列车振动信号可知：地铁列车干扰信号的普遍特征为影响时间范围较长、影响空间范围较大、在振动瀑布图中的覆盖面积较大，图像纹理相对于施工激励，不具有明显的规律性；而对于施工激励振动信号，其主要特征为影响空间区域在短时间内相对固定，振动信号具有明显的规律性，在振动瀑布图中表现为明显的横向图案纹理。因此，可以利用图像的卷积滤波运算，对地铁隧道振动探测瀑布图数据进行过滤。

使用人工生成的卷积核进行测试，模拟了施工激励信号的规律性，设置存在激励的区域，横向宽度为8 像素点，纵向宽度为6 像素点。

使用人工生成卷积核进行模板滤波，可见模拟施工部分的激励得到了增强，但由于人工生成的卷积模板与真实的模拟施工激励信号，其规律性存在一定的差异，因此可见在瀑布图的其他非模拟施工激励区域，存在着较为明显的横向纹理，会对信号的过滤效果产生一定影响。

采集多组模拟施工激励数据，将所得到的激励信号区域进行二值化运算，并将多组图像进行融合处理，得到基于真实激励信号的卷积核。

使用基于真实激励信号的卷积核进行模板滤波，所得结果，见图2，可见模拟施工部分的激励也得到了明显增强，在瀑布图的其他非模拟施工激励区域，图像更为平滑，部分也存在横向纹理的区域，为列车与轨道发生规律性撞击的振动信号，使用基于真实激励信号的卷积核进行模板滤波，更有利于对施工时产生的规律性激励信号的增强，并且能对地铁列车行进时产生的振动干扰具有一定的抑制效果。

图2 基于真实激励信号卷积核模板滤波结果

在滤波结果矩阵中，每一个点的物理含义为以该点为中心的区域，与卷积核模板的相似度数值。相似度数值取值范围在0～1 之间，数值约接近于0，则表示此区域与卷积核模板的相似度越低，数值约接近于1，则表示此区域与卷积核模板的相似度越高。根据地铁隧道振动探测瀑布图的模板滤波结果，设置过滤阈值为0.6，对瀑布图进行二值化处理，二值化结果，见图3，可见模拟挖掘激励信号得到了有效保留，但同时仍存在部分散点信号干扰。

图3 二值化结果

使用一个3×9 的矩形模板，对二值化图像进行腐蚀-膨胀运算，可对散点干扰信号进行滤除，同时，模拟挖掘激励信号得到了保留。

由以上结果可得，通过使用基于真实激励信号的卷积核进行模板滤波，再使用相似度阈值图像进行二值化，进行腐蚀-膨胀运算形态学处理后，地铁隧道振动探测瀑布图中的施工激励信号可以得到有效地提取，地铁列车行进和进站时产生的振动干扰，可以被有效地过滤。

1.3 报警算法

基于上一节的测试分析，地铁隧道安全监测报警算法的计算步骤设计如下：

（1） 采集多组模拟施工激励或真实施工激励产生的振动信号样本，对于各组数据样本，将所得到的激励信号区域进行二值化运算，并将多组图像进行融合处理，得到基于真实激励信号的卷积核。

（2） 使用基于真实激励信号的卷积核，对地铁隧道振动探测瀑布图进行模板滤波。

（3） 根据真实激励的形态特点，设置用于形态学运算的矩形模板大小，即设置一个m×n 的矩形模板，使用此m×n 的矩形模板，对二值化图像进行腐蚀-膨胀运算，对瀑布图之中的散点干扰信号进行进一步的滤除。

（4） 对进行了腐蚀-膨胀运算形态学处理后的结果，进行连通域分析。

（5） 根据连通域分析结果，对每一个独立的连通域，统计其空间涵盖范围，若某一个连通域的空间涵盖范围超过阈值，则将此连通域判定为一次施工激励，同时，计算此连通域的图像重心，图像重心的横坐标，即为此次施工激励的中心，系统记录下此次施工激励的中心距离。

（6） 当某一空间区域，在一定的时间范围内，检测到的施工激励数量超过阈值，则监测系统发出施工破坏报警，报警事件的中心，取各次激励中心的均值。

2 测试运行统计

于2021 年6 月，在某地铁隧道沿线完成了分布式光纤测振系统的布设和安装，将振动探测光缆固定于地铁隧道顶部，采集地铁隧道沿线的所有振动信号。系统所监测的隧道区间长度约为4.4 km，全段光缆共包含440 个探测单元，这440 个探测单元的位置是连续的，每个探测单元的序号代表了其对应的空间位置。分布式光纤振动传感系统在每一时刻采集到的数据就是一个1行440 列的矩阵。将各个时刻采集的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，此矩阵的横轴为距离，纵轴为时间，由全段振动信号矩阵绘制振动瀑布图。

2.1 模拟测试统计

在地铁隧道沿线随机选取一个进行模拟机械挖掘施工激励的测试地点。进行多次模拟机械挖掘施工激励测试，统计监测系统的报警率，模拟测试结果统计，见表1。

表1 模拟测试结果

分析以上模拟测试结果，在2021 年6 月10 日第一次模拟挖掘激励测试时，共进行了50 组激励，其中46次测试中，系统输出报警，将未触发报警的4 组数据进行了回放和分析，发现是对于单个激励图块设置的空间涵盖范围阈值偏大引起的系统漏报，即在此4 组数据中，空间涵盖范围达到阈值的激励数量较少，不足以触发系统的报警。通过修改报警阈值参数，并经过反复数据回放和比对分析，确定了更为合适的报警阈值参数，在确保真实的模拟挖掘激励信号能够被识别并触发系统报警的同时，抑制背景干扰噪声引起的误报警。在2021 年6 月18 日、2021 年6 月19 日连续两天的测试中，系统对于每组模拟挖掘激励测试都能够及时有效的报警，有效报警率达到100%。在2021 年12 月18 日、2021 年12 月19 日、2021 年12 月20 日，又进行了连续3 天的模拟挖掘激励测试，系统对于每组模拟挖掘激励测试都能够及时有效的报警，有效报警率达到100%。监测系统能够对地铁隧道周边发生的威胁性施工激励，进行及时有效地报警。

2.2 运行统计分析

分布式光纤测振系统在某地铁隧道经过长达半年的运行观察，对分布式光纤测振系统输出的每一条报警事件进行现场核实，运行结果按月度进行统计，见表2。

表2 运行结果月度统计

分布式光纤测振系统经过了2021 年6 月-2021 年12 月的长期稳定运行，对每个月的误报事件进行统计和分析。在2021 年6 月，触发系统误报的干扰源主要为地铁列车进站时引起的强烈振动。通过模拟挖掘激励测试，采集了大量的挖掘激励信号，对卷积核模板进行了更新，2021 年7 月，系统的误报警数量有所减少，误报频次从1.17 次/天降到0.70 次/天。通过对误报数据和真实激励数据的反复回放测试，对系统的报警阈值参数再次进行了优化和调整，经过多次报警参数的迭代优化和调整，于2021 年底，系统的误报频次降至0.2 次/天。满足了实际工程对系统误报频次的要求。

3 结论

分布式光纤振动传感系统具有空间和时间连续测量的技术优势，可以连续实时地对地铁隧道沿线的所有振动信号进行采集和分析。利用图像模板滤波算法，对施工激励信号进行增强，同时对地铁列车产生的振动干扰进行过滤。通过采集多组模拟施工激励样本，对此多组图像进行融合处理，得到基于真实激励信号的卷积核模板，经过测试计算证明，其图像滤波效果优于人工生成卷积核模板。经过现场模拟施工激励测试以及长期的运行统计，证明系统对具有威胁性的施工信号能够及时预警，系统的误报频次经过多次的迭代优化，可达到小于0.2 次/天。分布式光纤振动传感系统可作为对地铁隧道进行防破坏监测的有效手段。