一种公路DAS灾变演化监测与分级预警方法及系统

本发明属于公路基础设施安全监测，具体涉及一种公路das灾变演化监测与分级预警方法及系统。

背景技术：

1、分布式光纤声学传感技术（distributed acoustic sensing，简称das）是一种新型的分布式传感技术，可以利用沿公路铺设的传感光纤或者既有通信光缆作为连续传感介质，通过解调光纤中后向散射光的相位、强度或频率变化，获得沿光纤不同空间位置随时间变化的振动响应或应变率响应。与传统的离散式加速度计、拾振器或应变计相比，das技术具有监测距离长（可达数十公里）、空间采样连续（采样间隔可达米级）、抗电磁干扰、适合利用既有通信光缆等突出优点，因此特别适用于长距离公路基础设施的连续安全监测。

2、现有利用das进行异常监测的方法通常将连续采集的das数据划分为固定长度的时间窗口，并在每个时间窗口内计算能量、频谱、时频图、统计特征或深度学习特征，再根据这些特征判断某个空间位置是否发生异常。这类方法能够发现单个时间窗口内幅值较高或特征突出的振动变化，但各个时间窗口之间的处理结果通常是相互独立的，缺乏跨窗口的信息关联和综合分析能力。对于边坡滑移、路基渐进变形、桥台连接区失稳等灾变过程而言，早期响应可能仅表现为局部低频振动的微弱增强，在多个连续时间窗口中逐步保持、增强、扩展或迁移，并在临近失稳时表现出振动强度和影响范围的快速变化。如果监测系统仅依据单个时间窗口的分类结果进行报警，就难以确认多个连续窗口中的异常是否属于同一灾变事件，也难以判断该事件当前处于萌生、持续、发展、加速、稳定还是消退阶段。

3、与此同时，公路沿线的干扰振动源具有数量多、强度变化大和传播形式复杂的特点。车辆通行时可在道路方向形成连续移动的强振动轨迹；施工机械可在固定位置产生长时间周期振动；强降雨可能造成大范围的背景能量抬升；落石或偶发碰撞可能产生幅值较高但持续时间极短的冲击。若系统仅依据某一时刻的异常幅值或某一个窗口的分类结果触发报警，容易将短时强干扰直接误报为高等级灾变预警。相反，某些缓慢发展的边坡滑移或路基沉降，其早期振动幅值并不高，但持续时间和影响范围逐渐增加，采用单次阈值判断又容易造成漏报。

4、此外，das数据中的空间坐标本质上是沿光纤长度方向的距离坐标，并不必然等同于公路结构上的工程连接关系。相邻的光纤采样点可能位于工程结构上不连通的位置，例如：光缆在桥台附近发生折返、存在余缆盘绕、从边坡区段进入管沟、跨越不同桥跨或穿过不同结构类型。若仅依据光纤坐标的邻近性判断异常的空间扩展，可能将工程上不连通的区段误认为连续传播，造成误关联和误报警。车辆振动虽然能够在道路方向上形成较强的时间连续性，但其中心迁移速度、频带组成和区域形态通常不同于边坡滑移、结构开裂或路基变形等灾变过程。现有技术中按照光纤空间连续性进行事件跟踪的方法，难以充分利用这些工程结构差异来区分灾变与非灾变事件。

5、在预警输出方面，现有常见方法通常设置多个异常阈值，当异常分值超过不同阈值时输出不同等级的报警。由于实际das信号受交通流量、天气条件、光纤耦合状态、设备增益和现场噪声等多种因素影响，同一灾变事件的异常分值可能在阈值附近上下波动，导致预警等级频繁升降。部分系统为了避免漏报，只允许预警等级单向升级而不允许自动回退，其结果是短时干扰事件结束后预警等级长期保持，造成虚警。另一些系统则直接按照当前窗口的检测结果实时更新预警等级，又会造成预警状态极不稳定，不利于工程人员准确判断灾变是否正在持续发展。

6、综上所述，现有das公路监测技术至少存在以下技术缺陷：（1）单窗口独立检测难以反映灾变的时间演化过程；（2）仅依据光纤坐标邻近性判断异常传播不可靠，忽视了公路工程结构关系；（3）预警等级容易因信号波动而频繁跳变或长期虚警。

7、因此，本发明提出一种面向连续公路das监测的灾变演化分析方法及系统。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有das公路监测技术中存在的上述缺陷，提供一种公路das灾变演化监测与分级预警方法及系统。

2、具体而言，本发明要解决以下技术问题：

3、第一，解决连续公路das监测中单窗口异常检测结果难以反映灾变发展过程的问题。系统需要在多个连续时间窗口之间判断不同异常区域是否属于同一异常来源或同一灾变过程，并持续更新该事件的时间范围、空间范围、振动强度、主要频带和状态变化，从而形成能够随新数据到来而不断更新的事件链。

4、第二，解决仅依据光纤空间邻近关系判断异常传播不可靠的问题。系统需要将光纤采样位置映射到具体的公路结构区段，并利用结构区段之间是否相连、是否允许影响扩展、响应顺序是否合理、表观扩展速度是否处于合理范围以及是否跨越阻断边界等条件，对事件链的空间扩展和迁移过程进行工程合理性校验。

5、第三，解决短时强干扰容易触发高等级预警、缓慢灾变难以及时升级、以及预警等级在阈值附近反复跳变的问题。系统需要根据事件链的持续性、强度变化、空间扩展、表观迁移、频带变化、传播一致性和消退趋势确定事件所处的演化阶段，并采用预警状态机分别设置不同的升级条件、保持条件和回退条件，使预警等级能够连续、稳定且可解释地反映灾变的发展程度。

6、第一方面，本发明提出了一种公路das灾变演化监测与分级预警方法，该方法包括如下步骤：

7、连续采集公路沿线das振动数据，建立光纤空间采样位置与公路结构区段之间的映射关系；

8、采用滑动时间窗口处理所述das振动数据，在每个窗口内根据异常响应图生成一个或多个事件区域；

9、将当前窗口的事件区域与历史活动事件链进行跨窗口关联：根据所述映射关系将事件区域转换至结构坐标，基于结构区段图判断可达路径，对于存在可达路径的组合计算关联代价，当所述关联代价满足预设关联条件时将当前事件区域加入对应事件链，当不满足所述关联条件时建立新的候选事件链；

10、计算建立后的事件链的演化特征；

11、利用所述结构区段图对事件链进行传播一致性校验并计算传播一致性评分；

12、根据所述演化特征和传播一致性评分确定事件链的演化阶段；

13、根据所述演化阶段及其保持时间，通过预警状态机控制预警等级，所述预警状态机中升级条件和回退条件采用不同的持续窗口数阈值，回退确认窗口数不小于升级确认窗口数；

14、输出预警结果并保存事件链的演化过程记录。

15、优选的，所述事件区域至少包括窗口编号、窗口内时间起点和终点、结构坐标起点和终点、对应结构区段集合、峰值强度、平均强度、主要频带、频带能量比例、区域可信度以及数据质量标记；所述事件链至少保存创建时间、最近更新时间、累计缺失窗口数、当前结构区段范围、演化特征、传播一致性评分、当前演化阶段和当前预警等级。

16、优选的，所述跨窗口关联中，当前事件区域与历史事件链的关联代价表示为：，其中，为空间位置差异，为区域边界差异，为频带差异，为强度及趋势差异，为结构区段关系差异；、、、、分别为、、、、对应的权重系数，且满足，各权重系数均大于等于0且小于等于1；当小于等于预设关联阈值且不存在更优匹配冲突时，将当前事件区域加入对应事件链。

17、进一步优选的，所述空间位置差异由当前区域中心坐标与事件链预测中心坐标之间的绝对距离经归一化求得；所述区域边界差异由当前区域与事件链末端区域重叠区间的长度比值求得；所述频带差异由两者主要频带能量分布向量的欧氏距离或余弦相似度求得；所述强度及趋势差异由两者平均强度或峰值强度的相对变化率求得；所述结构区段关系差异根据两区域对应结构区段之间的结构距离惩罚值求得；权重、、、、分别取值为0.25、0.20、0.15、0.20、0.20，所述预设关联阈值为0.6。

18、优选的，所述传播一致性校验至少基于结构可达一致性、响应顺序一致性、表观扩展速度一致性、结构边界一致性和频带变化一致性中的多项进行评分，所述传播一致性评分表示为：，其中，为结构可达一致性，根据结构区段图中是否存在可达路径进行评分；为响应顺序一致性，根据事件区域出现的空间顺序与结构图允许扩展方向是否一致进行评分；为表观扩展速度一致性，根据事件链的迁移速度是否落在预设速度区间进行评分；为结构边界一致性，根据事件跨越结构边界时是否满足预设转换条件进行评分；为频带变化一致性，根据异常事件跨越不同结构介质前后的频带能量变化规律是否符合工程经验进行评分；权重、、、、分别取值为0.30、0.20、0.20、0.20、0.10。

19、进一步优选的，当时判定为传播冲突，当时判定为传播可信度较低，当时判定为传播有效，当时判定为传播具有较高一致性；传播冲突状态下，系统不提升灾变阶段，并输出冲突发生的结构区段和冲突原因。

20、进一步优选的，所述演化特征包括事件持续性、振动强度增长率、空间扩展率、中心迁移速度、频带变化量和事件链稳定度中的至少一种；所述演化阶段包括待确认、瞬时异常、持续关注、发展、加速、稳定、消退和传播冲突；所述预警状态机控制预警等级的生成、升级、保持、回退或解除。

21、优选的，所述结构区段图的构建包括以下步骤：根据公路设计资料和地理信息系统，将公路沿线划分为独立的物理监测单元作为节点；根据现场调查和地理信息拓扑关系，建立各节点之间的工程连接关系作为边，并在跨越空区或隔离带的位置将边标记为阻断属性；结合光缆敷设记录，采用人工敲击标定、已知设备激励或车辆定位标定建立光纤坐标与结构节点的映射表；根据现场测试获取的振动信号跨区段衰减特征，对结构区段图的边属性进行校验和修正。

22、进一步优选的，所述结构区段图中的边保存连接类型、空间距离、允许扩展方向、表观扩展速度范围、结构转换属性、光纤耦合可信度和阻断属性；所述表观扩展速度范围依据历史灾害数据库、公路设计车速和物理运动规律综合确定，包括：边坡渐进滑移或路基沉降过程为0.01 m/s至0.5 m/s，车辆通行移动干扰根据公路设计车速确定，落石冲击或局部坍塌事件大于50 m/s。

23、优选的，所述预警等级采用蓝色、黄色、橙色和红色四级，升级和回退均为逐级进行；蓝色升级至黄色需发展阶段保持两个窗口以上且传播一致性不低于0.6，黄色升级至橙色需进入加速阶段或在高风险区段内持续发展且传播一致性不低于0.75，橙色升级至红色需高风险区段快速扩展或强度和空间范围同时快速增长且传播一致性不低于0.75；黄色回退确认窗口数为三个窗口，橙色回退确认窗口数为四个窗口，红色回退确认窗口数为五个窗口。

24、优选的，所述事件链允许连续缺失窗口数为2，在连续缺失窗口数未超过2期间事件链保持活动状态；超过2后事件链转入消退或结束判断；所述事件区域的最小持续时间为0.5s，最小空间长度为3m。

25、第二方面，本发明实施例提供了一种公路das灾变演化监测与分级预警系统，包括：

26、das数据采集与空间标定单元，用于连续采集公路沿线das振动数据，并建立光纤空间采样位置与公路结构区段之间的映射关系；

27、窗口事件区域生成单元，用于采用滑动时间窗口处理所述das振动数据，在每个窗口内根据异常响应图生成一个或多个事件区域；

28、事件链构建与管理单元，用于将当前窗口的事件区域与历史活动事件链进行跨窗口关联，根据所述映射关系将事件区域转换至结构坐标，基于结构区段图判断可达路径并计算关联代价，根据关联结果将事件区域加入已有事件链、新建事件链或保持短时缺失；

29、事件链演化特征计算单元，用于对事件链计算演化特征；

30、结构传播关系与一致性校验单元，用于建立以公路结构区段为节点、以区段之间的工程连接或允许影响关系为边的结构区段图，并对事件链进行传播一致性评分；

31、灾变演化阶段判定单元，用于根据所述演化特征和传播一致性评分确定事件链的演化阶段；

32、预警状态控制单元，用于根据所述演化阶段及其保持时间，通过预警状态机控制预警等级，所述预警状态机中升级条件和回退条件采用不同的持续窗口数阈值，回退确认窗口数不小于升级确认窗口数；

33、预警结果与历史记录单元，用于输出预警结果并保存事件链的演化过程记录。

34、第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

35、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

36、第五方面，本技术实施例提供了一种计算机程序产品，其中，上述计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，上述计算机程序可操作来使计算机执行如本技术实施例第一方面中所描述的部分或全部步骤。该计算机程序产品可以为一个软件安装包。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

38、（1）本发明通过事件链将多个独立时间窗口中的异常区域组织为同一事件的连续发展过程，使系统能够观察异常的持续、增强、扩展、迁移、稳定和消退，而不是将每个窗口的检测结果割裂处理。因此，对于早期幅值较低但持续发展和逐渐扩展的灾变，系统可以依据演化趋势逐步提高关注程度；对于单次高幅值冲击，系统不会仅凭一个窗口的结果直接提升至高等级预警。

39、（2）本发明利用公路结构区段之间的可达关系、响应顺序、表观扩展速度和结构边界来校验事件的空间变化，避免将光纤坐标上的简单邻近误认为工程结构上的连续传播。对于车辆快速移动、多个不相连区段同时出现异常、光纤折返位置响应跳转以及结构转换边界附近的复杂响应，系统能够准确识别其与灾变传播过程之间的差异。

40、（3）本发明根据连续演化阶段控制预警等级的升级、保持和回退，并为升级和回退设置不同的条件和不同的持续窗口数要求，可以有效减少单次高幅值干扰造成的误升级，也可以避免异常分值在阈值附近波动导致预警等级频繁跳变。事件消退后，系统能够在满足连续下降或收缩条件时逐步解除预警，使预警输出与实际演化过程保持一致。

41、（4）本发明输出事件链、影响区段、演化阶段、传播一致性、预警等级和等级变化原因，使监测人员能够了解系统为何升级、保持、回退或暂停自动升级，并据此确定重点复核位置。该输出方式相较于仅给出异常分值或类别，更适合公路基础设施的连续安全监测和现场处置。

42、（5）本发明还能够在光纤折返、余缆盘绕、跨结构敷设或光缆耦合状态变化的场景下，根据结构区段图识别光纤坐标邻近与工程结构连通之间的不一致，降低由光缆布设形态导致的误关联和误升级风险。同时，由于预警结果面向公路结构区段输出，监测人员可以直接定位需要复核的路基、边坡、桥台、桥跨或隧道区段，显著提高现场处置效率。