基于振動(dòng)監(jiān)測的機(jī)場井蓋破損及沉降檢測方法

袁 藝 王正龍 底 帥 曹嘉益 呂海波

（1．北京首都國際機(jī)場股份有限公司，北京 101300；2．哈爾濱工大正元信息技術(shù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150016）

1 技術(shù)背景

1.1 窨井蓋監(jiān)測意義

隨著城市化進(jìn)程的加快，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。市政、電力、燃?xì)狻⒐┧?、排水以及通信等部門的線纜大多數(shù)都采取地埋方式，通過井蓋進(jìn)行日常維護(hù)。由于城市面積不斷擴(kuò)大，井蓋分布范圍越來越廣、數(shù)量越來越大，導(dǎo)致監(jiān)管難度大。由于缺乏有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理手段，全國各地頻頻出現(xiàn)城市井蓋破損、被偷或者被雨水沖走，近而導(dǎo)致傷人或死亡事件發(fā)生。為了整治窨井吞人傷人事故，住建部于 2013 年 4 月提出了關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市窨井蓋安全管理的通知，要求包括城市供水、排水、燃?xì)?、熱力、房產(chǎn)（物業(yè)）、電力、電信以及廣播電視等部門，實(shí)行井蓋的數(shù)字化管理，有效地監(jiān)管社會(huì)資源，確保人民群眾的人身安全。鑒于以上需求，近年來針對井蓋監(jiān)測的智慧化系統(tǒng)及終端產(chǎn)品層出不窮，但是，大多數(shù)系統(tǒng)及產(chǎn)品的核心關(guān)注點(diǎn)均在井蓋的異常開啟、平移以及振動(dòng)等方面的監(jiān)測，通過加裝帶有無線通信功能的監(jiān)測終端，將窨井蓋的開啟、振動(dòng)以及位移等狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送至云監(jiān)測系統(tǒng)平臺，城市管理人員及運(yùn)維人員通過網(wǎng)頁端或手機(jī)端的管理界面，對井蓋工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷窨井蓋狀態(tài)是否存在異常，并安排現(xiàn)場人員對井蓋進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)作業(yè)。雖然現(xiàn)有的窨井蓋監(jiān)測系統(tǒng)及解決方案很多，但是針對井蓋裂縫、破損、沉降等問題的智慧化解決方案相對較少。城市窨井蓋尤其是行車路面的窨井蓋發(fā)生破損或沉降時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響行車安全和路側(cè)行人的人身安全。由于井蓋破損，當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生車輛輪胎陷入其中的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致行車事故發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)將給車輛、車內(nèi)乘客及車輛周圍的行車安全帶來威脅。由于道路老化、雨水沖刷等原因，窨井蓋會(huì)出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象，因此路面在井蓋處出現(xiàn)凹坑。不平整的路面對行車產(chǎn)生了較大的影響，對車輛、窨井和路面造成沖擊，損耗機(jī)車，加劇路面及窨井的破壞[1]。由此可見，窨井及其周邊路面的破壞已經(jīng)嚴(yán)重影響到道路正常運(yùn)營和市民交通安全，并成為道路迅速破壞的“源頭”，政府每年不得不投入大量人力、物力用于窨井維修[2]。

1.2 窨井蓋監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

面對窨井蓋存在的問題，近幾年來已經(jīng)涌現(xiàn)出很多有關(guān)井蓋管理監(jiān)測的方法，大部分是從傳感器的角度出發(fā)，布置一些覆蓋整個(gè)井蓋表面的硬件設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，如章善斌等[3]提出的在井蓋表面布置漆包線的方法等。隨著人工智能的迅速發(fā)展，國內(nèi)的井蓋監(jiān)測方法也逐漸轉(zhuǎn)換為使用紅外或圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)。李亞勝[4]提出了基于紅外探測的井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，使用E3Z-T82紅外線監(jiān)測組，并結(jié)合分布式控制方法，能夠準(zhǔn)確地探測井蓋的狀態(tài)；雷可[5]的該文中提到，對路面上出現(xiàn)的井蓋破損情況進(jìn)行圖片采集，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理圖片，可以使用自動(dòng)化檢測方法監(jiān)測；張豐焰等人[6]提出的基于改進(jìn)Hough與圖像比對法的窨井蓋疑似破裂檢測，通過提取窨井蓋的顏色、邊緣輪廓特征，并使用改進(jìn)的Hough變換方法，計(jì)算窨井蓋的區(qū)域范圍，判斷是否有破損或丟失的情況；PAS-QUET J.等[7]提出，首先模擬出1個(gè)和窨井蓋大小以及形狀相似的圓形模型，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)窨井蓋的外觀特征，結(jié)合兩者生成的模型，用于檢測城市街道中的窨井蓋，大大提高了窨井蓋檢測的準(zhǔn)確率[8]。

1.3 機(jī)場窨井蓋監(jiān)測特殊性及解決辦法

窨井蓋作為機(jī)場內(nèi)部道路不可或缺的重要組成部分，其完好性對機(jī)場日常工作的順利進(jìn)行具有重要意義。由于機(jī)場是相對封閉的工作環(huán)境，且在白天通航時(shí)間，很多維護(hù)作業(yè)會(huì)受到限制，所以機(jī)場窨井蓋的故障排查和維護(hù)作業(yè)經(jīng)常在晚上進(jìn)行。此外，由于作業(yè)時(shí)間較短，且現(xiàn)場無法布設(shè)電源，因此，機(jī)場窨井蓋監(jiān)測設(shè)備必須具備低功耗、施工方便以及能在夜晚正常工作等特點(diǎn)。鑒于以上原因，機(jī)場窨井蓋監(jiān)測無法使用紅外或圖像識別技術(shù)以及傳統(tǒng)的、施工或維護(hù)復(fù)雜的傳感器設(shè)備。結(jié)合機(jī)場窨井蓋的工作特點(diǎn)，該文提出了基于振動(dòng)監(jiān)測的機(jī)場井蓋破損及沉降檢測方法，利用數(shù)值分析方法整理振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)，并通過對振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)曲線進(jìn)行分析，即可判斷機(jī)場井蓋是否存在破損或沉降現(xiàn)象，切實(shí)解決了機(jī)場窨井蓋監(jiān)測難、維護(hù)難的問題。并且配合該方法使用的振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，具有低功耗、施工方便以及24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)。

2 多傳感器振動(dòng)監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)分析

在機(jī)場窨井蓋安裝振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，將振動(dòng)傳感器分別安裝在井蓋的中心點(diǎn)和4個(gè)軸線半徑的中點(diǎn)（每90°放置1個(gè)），實(shí)時(shí)采集窨井蓋的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。累積3個(gè)月以上的振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)，由平臺對所有采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。具體方法如下。

從5個(gè)傳感器的振動(dòng)監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)中各抽?。╩+n）組振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)，首先將第一個(gè)傳感器的前m+1組傳感器的x，y，z3個(gè)方向的加速度依次做差，得到矩陣A1，m+1至A1，m+n如下。

在矩陣中，Δan，x=an，x-an-1，x，an，x為第n采樣的x軸方向的加速度值；Δan，x為第n次與第n-1次x軸方向加速度值的差值；Δan，y和Δan，z為第n次與第n-1次y軸和z軸方向加速度值的差值。

分別求解矩陣A1，m+1至A1，m+n的行和范數(shù)，如公式（1）所示。

整理矩陣A1，m+1至A1，m+n的行和范數(shù)，得到第一個(gè)傳感器的振動(dòng)變化向量如下。

同理，可獲得第二至第五個(gè)傳感器的振動(dòng)變化向量，由5個(gè)傳感器的振動(dòng)變化向量，可得第一組振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化矩陣如下。

分別求解矩陣B的行和范數(shù)，如公式（2）所示。

該數(shù)值反映了該（m+n）組振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，井蓋在受到外力沖擊時(shí)（如車輛、飛機(jī)等的碾壓等）所產(chǎn)生的最大振動(dòng)狀態(tài)。

3 井蓋破損及沉降檢測方法

通過k組（m+n）組振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，獲得最大監(jiān)測值向量如下。

由于機(jī)場井蓋的振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征，因此，計(jì)算向量C的數(shù)學(xué)期望和方差，如公式（3）、公式（4）所示。

式中：E（C） 為數(shù)學(xué)期望表達(dá)式；μ為數(shù)學(xué)期望值；Std（C） 為方差表達(dá)式；δ為方差值。

3.1 井蓋破損檢測

當(dāng)井蓋發(fā)生破損時(shí)，5個(gè)傳感器中會(huì)有2～3個(gè)傳感器的振動(dòng)幅值會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，此時(shí)振動(dòng)監(jiān)測向量C的數(shù)學(xué)期望值會(huì)有所增大，而方差則會(huì)發(fā)生比較明顯的變化。此時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測向量C方差與正常狀態(tài)下的方差的比值，如公式（5）所示。

式中：δp為破損狀態(tài)下方差值；s為破損狀態(tài)與正常狀態(tài)的方差比值。

由于振動(dòng)傳感器的采樣精度為±5%，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，得：

當(dāng)E（C） ＞μ，且s≥1.2時(shí)，井蓋存在破損情況。

3.2 井蓋沉降檢測

當(dāng)井蓋發(fā)生沉降時(shí)，由于井蓋整體下降，導(dǎo)致井蓋與周圍的路面存在一定的落差，因此，5個(gè)傳感器的振動(dòng)幅值均會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，此時(shí)振動(dòng)監(jiān)測向量C的數(shù)學(xué)期望值會(huì)明顯增大，而方差則不會(huì)發(fā)生比較明顯的變化。此時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測向量C的數(shù)學(xué)期望數(shù)值與正常狀態(tài)下的數(shù)值的比值，如公式（6）所示。

式中：μc為沉降狀態(tài)下數(shù)學(xué)期望值；e為破損狀態(tài)與正常狀態(tài)的數(shù)學(xué)期望比值。

由于振動(dòng)傳感器的采樣精度為±5%，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，得：

當(dāng)e≥1.2，且方差無明顯變化時(shí)，井蓋存在沉降情況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

取m=5，n=5，k=20，獲得正常狀態(tài)、破損狀態(tài)和沉降狀態(tài)各（m+n）×k=200組振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。分別對3種狀態(tài)下的200組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得最大振動(dòng)監(jiān)測值向量如下。

對以上向量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得井蓋正常狀態(tài)、破損狀態(tài)、沉降狀態(tài)下的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)曲線，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，窨井蓋振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，在正常狀態(tài)下的數(shù)學(xué)期望：E（C） =μ=1.5304，方差為：Std（C） =δ=0.87226；破損情況下的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望：E（C） =μp=1.6204，方差：Std（C） =δp=1.8889。此時(shí)，數(shù)學(xué)期望與正常狀態(tài)下的比值：μp/μ=1.6204/1.5304=1.0588，方差的比值：δp/δ=1.8889/0.84226=2.2426，與正常狀態(tài)下的數(shù)學(xué)期望值相近，而方差比值明顯大于1.2，因此，窨井蓋存在破損現(xiàn)象；沉降情況下的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望：E（C） =μc=1.9261，方差：Std（C） =δc=0.88615。此時(shí)，數(shù)學(xué)期望與正常狀態(tài)下的比值：μc/μ=1.9461/1.5304=1.2716，方差的比值：δc/δ=0.88615/0.84226=1.0521，與正常狀態(tài)下的方差相近，而數(shù)學(xué)期望比值大于1.2，因此，窨井蓋存在沉降現(xiàn)象。

圖1 機(jī)場窨井蓋正常、破損、沉降狀態(tài)下的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析曲線

綜上所述，通過分析機(jī)場窨井蓋振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分布曲線的特征，我們可以判斷出井蓋是否存在破損或沉降狀態(tài)。

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，該文提出的基于振動(dòng)監(jiān)測的機(jī)場井蓋破損及沉降檢測方法，通過對井蓋振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線的分析，可以準(zhǔn)確地判定監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望或方差是否存在異常。在井蓋破損狀態(tài)下，井蓋振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望值有小幅增加，而方差增幅較大，此時(shí)，振動(dòng)數(shù)據(jù)分布曲線變得比正常狀態(tài)下平緩。根據(jù)正態(tài)分布的特征，說明該狀態(tài)下數(shù)據(jù)的方差較大。

而在井蓋沉降狀態(tài)下，井蓋振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望值大幅增加，而方差增幅較小，此時(shí)，分布曲線與正常狀態(tài)下的曲線類似，但是在x軸方向發(fā)生了較大平移。根據(jù)正態(tài)分布的特征，說明此狀態(tài)下數(shù)據(jù)的方差變化不大，而數(shù)學(xué)期望值明顯增大。

綜上所述，利用該文提出的方法，根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布曲線，判斷井蓋是否存在破損或者沉降的情況，可以為機(jī)場井蓋的日常維護(hù)和整個(gè)后勤保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，提供可靠、有效的管理方法。