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《光通信研究雜志》2016年第二期
摘要:
從海纜歷史溫度數(shù)據(jù)中分析出海纜的老化或者故障位置是工程應(yīng)用中急需解決的問題。針對上述問題,采用EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)算法提取出海纜每一處歷史溫度數(shù)據(jù)的時(shí)頻特征,再通過矩陣相似度來衡量不同位置點(diǎn)海纜時(shí)頻特征的相似度大小,最后通過分析對比相似度的異常來確定海纜老化或故障的位置。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明,問題海纜位置點(diǎn)與正常海纜位置點(diǎn)之間的相似度遠(yuǎn)小于正常海纜位置點(diǎn)之間的相似度,因而能預(yù)測出所有問題海纜的位置點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:
經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;矩陣相似度;時(shí)頻特征
現(xiàn)今世界各國都越來越重視對海洋石油的開采、利用和興建采油平臺(tái)。采油平臺(tái)通常由一個(gè)大一點(diǎn)的母平臺(tái)和幾個(gè)小一點(diǎn)的子平臺(tái)組成平臺(tái)群,平臺(tái)上安裝有透平發(fā)電機(jī)發(fā)電,各平臺(tái)之間通過海纜連接組成電路網(wǎng)絡(luò),這樣當(dāng)其中一個(gè)平臺(tái)的電力不足時(shí),可以由電網(wǎng)內(nèi)的其他平臺(tái)向它輸送電能而不至于耽誤平臺(tái)上正常的生產(chǎn)作業(yè)。因此,海纜成為了海上采油平臺(tái)的生命線,海纜安全可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行顯得尤其重要。然而,海纜的工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,需要長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行,存在各類損害風(fēng)險(xiǎn)。工程中一般都采用BOTDA(布里淵光時(shí)域分析儀)配合海纜中的冗余光纖對海纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。BOT-DA利用分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)時(shí)獲取海纜的溫度數(shù)據(jù),平均每分鐘獲得一組海纜溫度數(shù)據(jù),一年時(shí)間會(huì)產(chǎn)生超過1TByte的海量海纜溫度數(shù)據(jù)。通過分析這些歷史數(shù)據(jù)可以推測海纜老化或者損壞的趨勢,然而海纜溫度數(shù)據(jù)大都是一些非線性、非穩(wěn)定的信號,普通的傅里葉變換不能有效地對其進(jìn)行頻譜分析。本文采用EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)[1-2]算法提取海纜各個(gè)位置的歷史溫度數(shù)據(jù)的特征信息,然后對比不同位置的特征信息,并根據(jù)海纜老化或者損壞位置點(diǎn)的特征信息不同于正常位置的特征,推測出海纜老化或損壞的趨勢。
1基于EMD算法的海纜溫度歷史數(shù)據(jù)特征提取
EMD算法是將復(fù)雜信號分解成一組穩(wěn)態(tài)、線性的數(shù)據(jù)分量,即IMF(本征模態(tài)函數(shù))。在分解信號的過程中,所獲得的IMF必須滿足以下兩個(gè)條件:(1)數(shù)據(jù)序列中所有的數(shù)據(jù)極值點(diǎn)和數(shù)據(jù)的過零點(diǎn)必須≤1;(2)在任意一點(diǎn)處,上包絡(luò)和下包絡(luò)的均值必須為0。第1個(gè)條件較為明顯,它與傳統(tǒng)的窄帶需要穩(wěn)定的高斯過程相似;而需要滿足第2個(gè)條件是因?yàn)椴幌Ｍ查g頻率有隨機(jī)的波動(dòng)。海纜的溫度數(shù)據(jù)是通過BOTDA每分鐘采集一次整條海纜的分布式溫度獲得的,分辨率可以達(dá)到0.5m/s。在對海纜溫度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD前需要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理。首先將同一位置的數(shù)據(jù)提取出來,然后按照采集時(shí)間的順序排列,組成時(shí)間序列s(t),最后再運(yùn)用EMD方法將其分解成一系列的IMF。當(dāng)相似度較低時(shí),說明這一位置的海纜與其他位置的海纜存在很大不同,推測這一位置可能是老化或者故障位置,然后對這些相似度低的位置進(jìn)行檢查,這樣可以極大地減少工程人員的工作量。
2實(shí)例驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文提出的基于EMD算法提取海纜特征做趨勢分析的方法的有效性,我們做了以下實(shí)驗(yàn)。選取一段長度為26km且處于海底的海纜,這樣做的目的是為了避免一些外在因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過BOTDA設(shè)備采集這段海纜一天的溫度數(shù)據(jù),然后用MATLAB軟件對這一系列溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD算法的特征提取。在這段長為26km的海纜中,我們截取了11個(gè)位置點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)分析,即在8.0~8.1km處,每隔10m取一個(gè)位置點(diǎn)。為了檢驗(yàn)EMD算法的正確性,在這10個(gè)位置點(diǎn)中,我們將8.04和8.1km這兩個(gè)位置點(diǎn)一天內(nèi)每一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)都人為地增加3℃,通過EMD算法提取特征值后比較其相似度,如果我們能夠找出這兩個(gè)問題點(diǎn),那么就可以驗(yàn)證該算法在海纜老化趨勢分析中的正確性。首先,我們需要對每一個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行EMD算法的時(shí)頻分析。按照EMD算法的分解步驟,以8km位置點(diǎn)為例,先將溫度數(shù)據(jù)分解成多個(gè)IMF,如圖2所示。由圖可見,8km位置點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)被分解成9個(gè)IMF和一個(gè)殘余分量res。對IMF進(jìn)行Hilbert變換,得到瞬時(shí)頻率,變換后的時(shí)頻圖如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),每個(gè)位置點(diǎn)的海纜溫度的時(shí)頻信息都是由多個(gè)頻率組成的。這是因?yàn)榻?jīng)過EMD會(huì)獲得多個(gè)IMF。對每個(gè)IMF進(jìn)行Hilbert變換,可以得到由多個(gè)時(shí)頻組成的時(shí)頻矩陣。取出這11個(gè)位置點(diǎn)的時(shí)頻矩陣,然后根據(jù)矩陣相似度的原理求得它們相互之間的相似度,如表1所示。從表中可以發(fā)現(xiàn),L8040和L8100處相比其他位置相似度較低。如果這里設(shè)置閾值r為0.7,則當(dāng)矩陣相似度<0.7時(shí)說明相似度較低,是問題海纜位置。通過表1中這11個(gè)時(shí)頻矩陣的相似度可以很清楚地發(fā)現(xiàn),8.04和8.1km位置點(diǎn)相對于其他位置的相似度都<0.7,說明本實(shí)驗(yàn)成功地檢測出了我們當(dāng)初設(shè)置的問題位置點(diǎn),驗(yàn)證了該方法的正確性。
3結(jié)束語
本文提出了基于EMD算法特征提取的海纜老化趨勢預(yù)測方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能夠有效地從海量的數(shù)據(jù)中預(yù)測出海纜的問題位置點(diǎn)。采用EMD算法解決了傳統(tǒng)的傅里葉變換無法對海纜歷史溫度數(shù)據(jù)這種非線性、非穩(wěn)定信號進(jìn)行頻域分析的問題。只要獲得海纜的歷史溫度數(shù)據(jù),就能夠?yàn)楹Ｉ瞎ぷ魅藛T提供精確的海纜預(yù)警位置,帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益。本文的不足之處在于沒有就EMD分解中存在的混疊問題進(jìn)行深入地研究,今后需要在這方面做進(jìn)一步研究。
作者：方文軍 安博文 單位：上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院