一种地下管廊智能安防控制方法及系统

本发明属于智能安防与通信，具体是一种地下管廊智能安防控制方法及系统。

背景技术：

1、地下综合管廊作为城市地下管线集中敷设的公共隧道，其内部环境封闭、潮湿、长距离、多舱室，且存在高压电缆、燃气管道等危险源，对安防系统的可靠性提出了极高要求。目前，地下管廊安防系统主要依赖分布式光纤传感、无线传感器网络和视频监控等有源监测手段。

2、分布式光纤传感虽然能够实现长距离分布式测量，但其需要高功率激光源和精密解调设备，系统成本高，光纤本身在管廊复杂环境中容易因施工、鼠害或火灾受损，且一旦光纤断裂，整个链路的监测功能将丧失，长距离传输时信号衰减和定位精度下降问题突出。

3、无线传感器网络在一定程度上解决了灵活布设的问题，但地下管廊内无线信号传播受金属管道、电缆桥架和弯道等因素影响，存在大量通信盲区，信号衰减严重；同时，各传感器节点依赖电池或外部供电，管廊内潮湿、高温和腐蚀性环境导致电池寿命大幅缩短，节点断电失效现象频繁，维护工作量大。此外，强电磁干扰区域（如高压电缆舱）会严重影响无线通信质量，导致数据丢失或误码。

4、视频监控手段虽然直观，但在管廊低照度、结露、雾气、灰尘等恶劣环境下，图像质量严重下降，依赖图像分析的入侵检测和异常识别算法误报率居高不下，需要人工复核，耗费大量人力；同时，视频数据量大，对传输带宽和存储资源要求高，难以在长距离管廊中实现实时可靠传输。

技术实现思路

1、本技术提供一种地下管廊智能安防控制方法及系统，解决了现有技术中地下管廊安防信号衰减严重、设备供电困难、通信易受电磁干扰中断以及视频分析误报率高的技术问题。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、第一方面，提供一种地下管廊智能安防控制方法，包括：

4、在管廊结构表面沿长度方向布置电压单元，得到声学拓扑波导；

5、在所述声学拓扑波导上间隔布设多个无源传感节点，各节点由事件激发的结构声波能量驱动；

6、对所述结构声波进行多频段分解，生成反映事件类型的频率指纹，并利用阻抗调制电路将所述事件类型和节点身份编码调制到所述结构声波上，形成调制声波；

7、所述调制声波沿所述声学拓扑波导传播至汇聚节点，汇聚节点解调获得事件编码，并结合节点身份编码和声波到达时间差对事件进行识别与定位，输出包含事件类型、置信度和事件位置的分级预警信号。

8、基于上述技术方案，在本技术提供的一种地下管廊智能安防控制方法中，通过沿管廊结构表面布置压电单元形成声学拓扑波导，利用受拓扑保护的边界态实现结构声波的低损耗、抗散射传输，解决了地下管廊长距离传输中信号衰减严重和通信盲区的问题；通过在声学拓扑波导上布设由事件激发的结构声波能量驱动的无源传感节点，避免了对外部供电的依赖，提高了系统在断电或恶劣环境下的生存能力和可靠性；通过对结构声波进行多频段分解生成反映事件类型的频率指纹，并将事件类型和节点身份编码调制到结构声波上形成调制声波，实现了感知与通信的一体化，无需采用传统视频分析和无线电磁波通信手段，避免了低照度、结露、雾气、电磁干扰等因素导致的误报和通信中断问题；通过汇聚节点解调事件编码，并结合节点身份编码和声波到达时间差对事件进行识别与定位，输出包含事件类型、置信度和事件位置的分级预警信号，从而实现了高准确率、高可靠性和高抗毁性的地下管廊智能安防预警。

9、进一步地，所述声学拓扑波导的具体构造过程包括：

10、获取管廊结构的弯曲传播特性，建立质量-弹簧等效模型，将管廊壁面沿长度方向离散为多个质量块，相邻质量块之间通过等效弹簧连接；

11、调节相邻压电单元之间的耦合刚度，使元胞内耦合强度小于元胞间耦合强度，得到拓扑边界态；其中，压电单元沿管廊长度方向以周期a设置于管廊壁面或金属桥架表面，每个元胞包含两个压电片，元胞内间距为，元胞间间距为，且＜，通过改变与的比值控制与的相对大小；

12、根据一维ssh模型，计算所述拓扑边界态的色散关系，利用所述色散关系选取拓扑波导群速度，并将位于体带隙内的频段作为工作频段；所述体带隙是所述声学拓扑波导的体态能带之间的带隙，由周期排列的压电单元形成的声子晶体结构产生；

13、在所述工作频段内激发结构声波，使声波沿波导进行传播，得到声学拓扑波导。

14、其中，ssh模型表示su-schrieffer-heeger模型，英文全称为su-schrieffer-heeger model，中文名为苏-施里弗-黑格模型。

15、进一步地，所述结构声波的激发方式包括：

16、事件源直接激发方式：当管廊内发生事件时，事件源直接作用于管廊结构产生振动，产生结构声波；

17、汇聚节点主动询问的激发方式：当需要巡检或确认节点状态时，由汇聚节点主动发射询问脉冲，所述询问脉冲为宽频声波脉冲或扫频声波脉冲，所述询问脉冲的频谱覆盖各无源传感节点中压电谐振器的固有谐振频率。

18、进一步地，所述结构声波为事件在管廊结构中激发的弹性波，包括弯曲波、纵波和横波中的至少一种；当管廊内发生事件时，事件源作用于管廊结构产生振动，所述振动以弹性波形式沿管壁或金属结构传播，形成所述结构声波。

19、进一步地，所述无源传感节点为集成有压电微梁振列、能量收集与电源管理电路、阻抗调制电路和身份谐振单元的节点，用于感知结构声波并生成频率指纹，以及将事件类型和节点身份编码调制到继续传播的结构声波上；其中，所述压电微梁振列由多个不同谐振频率的压电悬臂梁构成，各臂梁通过mems工艺制造，且表面沉积压电薄膜；所述能量收集与电源管理电路将声波激励压电微梁振列产生的交流电进行整流、升压并存储于超级电容中，为节点电路供电。

20、其中，mems表示微机电系统，英文全称为micro-electro-mechanical systems。

21、进一步地，所述对所述结构声波进行多频段分解，生成反映事件类型的频率指纹，具体包括：

22、当事件声波传播至节点时，不同频率成分激发不同谐振频率的压电微梁产生共振，从而对应压电微梁输出电压幅值增大；

23、采集压电微梁阵列输出的所有电压，构成频率指纹矢量，其中，n为压电微梁的数量，∈v，表示第i个压电微梁的输出电压；

24、节点将所述频率指纹矢量与预设的事件类型模板进行匹配，利用查表法或由机器学习算法训练得到的分类模型确定事件类型码，并生成置信度；所述事件类型模板通过离线标定获得，包括但不限于人员入侵、机械切割、机械钻孔、电缆过热和气体泄漏的标准频率指纹；所述事件类型码用于标识事件类型。

25、进一步地，所述利用阻抗调制电路将所述事件类型和节点身份编码调制到所述结构声波上，形成调制声波，具体包括：

26、根据所述事件类型码和节点id生成二进制编码序列；

27、采用幅度键控方式，控制阻抗调制电路中的可变电容在两个电容值之间切换，从而改变节点处的声阻抗，对经过节点的结构声波进行幅度调制；其中，所述可变电容的电容值受所述频率指纹对应的电压信号进行控制，电容变化量与声阻抗变化量的关系为线性关系；

28、调制后的声波携带所述二进制编码序列继续沿所述声学拓扑导波传播，形成所述调制声波。

29、进一步地，所述汇聚节点解调获得事件编码，具体包括：

30、汇聚节点对所述调制声波进行带通滤波，提取所述拓扑边界态所在频段的信号，得到调制信号；

31、对所述调制信号进行包络检波，恢复出事件类型码、节点id和置信度，得到解调数据帧；

32、根据预设的帧结构对所述解调数据帧进行同步和循环冗余校验，得到事件编码；所述帧结构包括同步头、节点id字段、事件类型码字段、置信度字段和校验字段。

33、进一步地，所述结合节点身份编码和声波到达时间差对事件进行识别与定位，具体包括：

34、采用贝叶斯推理融合多个节点发送的事件类型和置信度，计算各事件的后验概率，其中，为第i种事件，表示第j个节点的观测；

35、根据所述后验概率确定各事件的最大后验概率，当最大后验概率超过预设阈值时，确认事件发生，并输出对应事件类型；

36、获取各节点接收到结构声波的时间戳，并计算任意两节点间的到达时间差；

37、根据已知的拓扑波导群速度，建立所述到达时间差与事件位置的方程组：；其中，为事件位置，、分别为第i、j个节点沿管廊长度方向的坐标位置，且坐标系为以管廊起点为零点的一维坐标；所述拓扑波导群速度表示声波在拓扑边界态中的传播速度，通过色散关系求导获得；

38、采用最小二乘法或chan算法求解所述方程组，得到事件位置估计，并对多次事件位置的估计结果进行滤波，输出最终的事件位置。

39、进一步的，在汇聚节点接收调制声波之前或之后，所述方法还包括节点无源身份识别步骤：

40、汇聚节点周期性向声学拓扑波导发射询问声波脉冲；所述询问声波脉冲的频谱覆盖各无源传感节点中压电谐振器的固有谐振频率；

41、当所述询问声波脉冲经过无源传感节点时，压电谐振器吸收所述询问声波脉冲中与所述固有谐振频率对应的频率成分能量，在透射声波的频谱中形成凹陷；

42、汇聚节点接收所述透射声波，分析所述透射声波的频谱，检测凹陷的中心频率，根据频率与节点id的映射关系识别节点身份，用于确认节点的工作状态和位置，为后续融合识别提供节点身份信息。

43、进一步的，所述方法还包括能量管理与增益补偿步骤：

44、汇聚节点按设定周期发射低频泵浦声波，为沿线无源传感节点充电；节点在泵浦波到达期间进行能量收集，存储于储能电容中；在声学拓扑波导中设置增益单元，所述增益单元根据声波强度自适应调节放大倍数，对传播声波进行能量补充；根据波导当前衰减系数动态调整增益倍数g，使g≥，以补偿传播损耗，实现长距离稳定传输。

45、优选的，所述输出分级预警信号具体包括：

46、根据所述最大后验概率将预警分为三个等级：

47、当最大后验概率介于第一阈值和第二阈值之间时，将预警信号标记为第一等级，表示需要持续关注事件动态，自动增加采样频率，对事件位置进行持续监测，并记录事件发展趋势；

48、当最大后验概率介于第二阈值和第三阈值之间时，将预警信号标记为第二等级，表示需要进行远程复核确认，通知运维人员调取事件位置附近的传感数据和历史记录，通过远程方式确认事件是否真实发生，并准备应急处置；

49、当最大后验概率超过第三阈值时，将预警信号标记为第三等级，表示需要立即报警并联动应急响应，触发安防子系统，并向监控中心推送事件类型、置信度和事件位置；

50、其中，所述第一阈值、第二阈值和第三阈值根据历史误报率和漏报率进行标定，且可在运行过程中自适应调整。

51、第二方面，本技术提供一种地下管廊智能安防控制系统，包括：声学拓扑波导构造模块、无源传感节点模块和汇聚节点模块；

52、其中，所述声学拓扑波导构造模块用于在管廊结构表面沿长度方向布置压电单元，得到声学拓扑波导；

53、所述无源传感节点模块间隔布设于所述声学拓扑波导上，用于由事件激发的结构声波能量驱动，对所述结构声波进行多频段分解，生成反映事件类型的频率指纹，并利用阻抗调制电路将所述事件类型和节点身份编码调制到所述结构声波上，形成调制声波；

54、所述汇聚节点模块用于接收所述调制声波，解调获得事件编码，并结合节点身份编码和声波到达时间差对事件进行识别与定位，输出包含事件类型、置信度和事件位置的分级预警信号。

55、与现有技术相比，本技术的有益效果是：

56、本技术通过沿管廊结构表面构造声学拓扑波导，利用受拓扑保护的边界态传输结构声波，抑制了背向散射和缺陷散射，使声波能够跨越弯道、焊缝、螺栓等缺陷区域并保持较高的能量透射率，从而实现了长距离、低损耗的结构声波传输，降低了传统地下管廊安防系统中因信号衰减和通信盲区导致的漏报问题。同时，无源传感节点由事件激发的结构声波能量驱动，无需外部供电，并通过能量收集与增益补偿机制实现节点充电和传播损耗补偿，克服了地下管廊供电困难、断电失效和电池寿命短等缺陷，提升了系统在恶劣环境下的生存能力和运行可靠性。

57、本技术通过压电微梁阵列对结构声波进行多频段分解，生成反映事件类型的频率指纹，结合模板匹配或机器学习分类模型识别人员入侵、机械切割、机械钻孔、电缆过热和气体泄漏等事件类型，避免了传统视频分析易受低照度、结露、雾气等环境因素干扰的问题，降低了误报率。同时，利用阻抗调制电路将事件类型码和节点id编码调制到结构声波上，实现了感知与通信一体化，节点无需主动发射电磁波，功耗低且不受电磁干扰影响，提高了系统的隐蔽性和抗干扰能力。此外，汇聚节点通过解调事件编码，并融合多个节点的贝叶斯推理和到达时间差定位，能够准确输出事件类型、置信度和事件位置，并结合无源身份识别和分级预警策略，在提高预警准确率和定位精度的同时，为运维人员提供了分层次、可操作的处置依据，提升了地下管廊安防的整体智能化水平和应急响应效率。