一種隧道的振源類型識別方法及振源位置定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種防止大型施工機械破壞地下隧道的振源類型區分和定位技術，尤 其是一種隧道的振源類型識別方法及振源位置定位方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟的發展和技術的不斷成熟，城市化發展不斷深入，地下空間利用率越來 越高，在市政和電力隧道中經常分布各種通信和電力設施，隧道的安全運行已關系到城市 的安全建設與發展。目前地下空間監控行業呈現爆發式發展，已經成長為擁有一定市場規 模、技術水平高的新型產業。電力隧道作為城市地下空間的主要組成部分，經過近些年的發 展，已經形成了比較完整的監控體系，很多公司紛紛參與到這個行業中，行業競爭日益加 劇。
[0003] 目前布設在電力隧道中的監控系統主要有以下幾類：電纜運行狀態監測（光纖測 溫、局部放電監測、接地電流監測、電纜故障定位、故障錄波、相位測量等）、環境信息采集及 控制系統(溫度、濕度、空氣成分、水位采集，風機、水栗控制等）、門禁監控（隧道出入口監 控、井蓋監控等）、隧道消防系統(煙感、防火門控制、滅火系統、應急照明、應急通信）、視頻 監控系統等。但是地震或者外界機械施工對隧道造成的振動破壞監控解決方案，目前市場 上還是空白。如果能實時監控地下電纜隧道受到振動的強度，提前預警并定位振源，就可以 盡最大限度保證隧道電纜的安全運行。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，發明了一種隧道的振源類型識別方法及振源位置定位方法， 實時采集隧道中安裝的三軸振動傳感器的X軸、Y軸、Z軸方向的加速度AD值。本發明對三軸 振動傳感器的監測數據進行計算分析:建立振動觸發算法。過濾背景噪聲，采用縱向加橫向 布點聯合分析判斷震源方向、利用橫波和縱波傳播的差異點來測距震源。最終達到精確定 位震源的效果。為電力安全生產的先期預警、快速反應提供強有力的技術保障。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] -種隧道的振源類型識別方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟(1):在隧道中間隔設定距離設置監測區域，每個監測區域的四個角落分別安 裝三軸振動傳感器;三軸振動傳感器實時采集自身X軸、Y軸、Z軸方向的加速度模擬量，并轉 換為數字量(Analog to Digital簡稱AD);
[0008] 步驟(2):建立觸發模型，在模型中設定觸發閾值，當發生振動時，振動產生的能量 如果沒有達到觸發閾值，則被視為干擾信號;如果達到觸發閾值，則判斷有振動產生進入步 驟⑶；
[0009] 步驟(3):提取三軸振動傳感器監測數據的振動頻率，將監測數據的振動頻率與預 存的沖擊頻率進行類比分析，從而識別振源類型。
[0010] 所述預存的沖擊頻率包括大型施工機械的固有沖擊頻率和不同等級地震的沖擊 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):在隧道中間隔設定距離設置監測區域，每個監測區域的四個角落分別安 裝三軸振動傳感器;三軸振動傳感器實時采集自身X軸、Y軸、Z軸方向的加速度模擬量，并轉 換為數字量(Analog to Digital簡稱AD);
[0013] 步驟(2):建立觸發模型，在模型中設定觸發閾值，當發生振動時，振動產生的能量 如果沒有達到觸發閾值，則被視為干擾信號;如果達到觸發閾值，則判斷有振動產生進入步 驟⑶；
[0014] 步驟(3):提取三軸振動傳感器監測數據的振動頻率，將監測數據的振動頻率與預 存的沖擊頻率進行類比分析，從而識別振源類型；
[0015] 步驟(4):分別計算每個三軸振動傳感器上傳的振動數據的振幅，依據振動信號在 傳播過程中能量不斷衰減，振幅幅度大的三軸振動傳感器先被觸發，振幅小的三軸振動傳 感器后被觸發，通過比較三軸振動傳感器上傳的振動數據的振幅的大小，判斷出振動信號 的來源方向；
[0016] 步驟(5):利用三軸振動傳感器的水平方向和垂直方向的加速度AD值識別出縱波 和橫波信號的時間差，由于縱波傳播速度比橫波速度快，以縱波和橫波兩種振動信號傳播 過程中的速度差和接收的時間差來計算震源距離。
[0017] 所述步驟(2)中，設定一個滑動的長時間窗，在滑動的長時間窗內再取一個短時間 窗，兩窗口終點或起始點重合，用短時窗信號平均值STA(Short Time Average)和長時窗信 號平均值LTA(Long Time Average)之比來反映信號振幅或能量的變化，STA反映微震信號 的平均值，LTA反映背景噪音的平均值，在微震信號到達的時間處，STA要比LTA變化快，相應 的STA/LTA值會有一個明顯的增加，當STA與LTA的比值大于設定閾值時，判定有微震事件發 生，從而達到自動檢測和拾取微震初至的目的。
[0018] 所述步驟(2)的觸發模型的計算公式，即STA/LTA算法公式為
[0019
[0020
[0021
[0022] 其中，i為米樣時刻，ns為短時窗的長度，nl是長時窗的長度，λ為設定的觸發閾值， CF(j)為在j時刻的關于微震信號的特征函數值，用于表征微震數據的振幅和能量。
[0023] 短時窗長度越小，當信號到達時STA相對于LTA的變化就越大，P波到時的STA/LTA 值就會越大，對微震信號反應越靈敏，比較容易觸發;短時窗長度越大，微震信號P波到時的 STA/LTA值就會越小，不容易觸發，拾取震動的敏感性降低。
[0024]觸發閾值的設置要適當，不能過大或過小，若閾值設置過小，則會增大誤判的概 率，把一些噪音或其他干擾信號當做微震事件被識別;若閾值設置過大，則會漏判掉能量較 弱的微震事件.同時，為了提高檢測效果，降低誤判和漏判率，閾值的設置也要根據選取的 時窗長度做一些調節。
[0025] 所述步驟(3)中，利用快速傅里葉變換從三軸振動傳感器監測數據中提取信號在 頻域中最大振幅的波形對應的頻率，并將對應的頻率與施工機械的沖擊頻率進行類比，從 而判斷出振動頻率所歸屬的施工機械的類別;或并將對應的頻率與不同等級地震的沖擊頻 率進行類比，從而判斷出振動頻率所歸屬的地震的等級。
[0026] 所述步驟(4)中，利用快速傅里葉變換計算出所有三軸振動傳感器上傳的振動信 號的振幅，最大振幅的三軸振動傳感器距離震源最近;通過三軸振動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):每個三軸振動傳感器的網絡協議幀頭存儲有傳感器的出廠編號，每一 個出廠編號與三軸振動傳感器的安裝位置存在一一對應關系；
[0029]步驟(42):對所有三軸振動傳感器的同一時間上傳的振動數據分別進行快速傅里 葉變換，計算出每一個三軸振動傳感器的振動幅值；
[0030]步驟(43):對三軸振動傳感器振動幅值按從大到小依次排列。
[0031] 所述步驟(43)中：
[0032]如果只有兩個三軸振動傳感器采集到振動數據，通過對比振幅大小獲知振動信號 的傳播方向；
[0033]如果多個三軸振動傳感器監測到振動，振動方向需要根據實時監測的振動幅值， 進行實時調整。
[0034]所述步驟(5)中，三軸振動傳感器監測X、Y、Z軸方向的振動；
[0035] 在地震波中，縱波的振動方向與傳播方向一致，橫波的振動方向與傳播方向垂直。 監測Ζ軸(垂直)方向的振動用于識別橫波，水平方向的振動用于識別縱波，水平方向的振動 為X軸和y軸的矢量和S。
[0036]
[0037] 通過縱波和橫波兩種振動信號傳播過程中的速度差和觸發的時間差來計算震源 距離。
[0038]所述的步驟(5)包括以下分步驟：
[0039] 步驟(51):每個三軸振動傳感器設置兩個接收緩沖區：水平方向緩沖區和垂直方 向緩沖區，水平方向緩沖