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水 利 学 报

２０２５年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０２ － ０１７０ － １１

基于原型试验和封装式策略的 ＰＣＣＰ断丝信号有效特征挖掘

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杨 光 ，栾博文 ，李 波 ，孙 锦 ，朱赵辉 ，张建伟 １
（１．华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 ４５００４６；２．长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 ４３００１０；
３．华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州 ４５００４６；４．中国水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 １０００４８）
摘要：为提升分布式光纤监测系统对预应力钢筒混凝土管（ＰＣＣＰ）断丝信号的实时探测能力，基于封装式策略构
建分析模型，挖掘利于振动模式识别的有效特征参量。应用相位敏感光时域反射（ Φ － ＯＴＤＲ）型分布式光纤监测系
统采集振动信号，针对时域、频域以及时频域建立原始特征参量集合；引入非线性收敛因子、非线性自适应权
值、高斯变异扰动和 Ｔｅｎｔ混沌扰动，对鲸鱼优化算法（ＷＯＡ）进行改进，在此基础上，借助改进的 ＷＯＡ（ＩＷＯＡ）
和层次聚类（ＨＣ），提出 ＩＷＯＡ － ＨＣ有 效 特 征 挖 掘 模 型。案 例 分 析 结 果 显 示：Ｆｉｓｈｅｒ、ＢＰＳＯ － ＨＣ、ＷＯＡ － ＨＣ和
ＩＷＯＡ － ＨＣ分别挖掘出 ６１、３５、３２和 ２７个有效特征参量，利用 ４组有效特征参量进行振动模式识别，准确率分
别为 ７１．１１％、８６．６７％、８９．４４％和 ９７．２２％，ＩＷＯＡ － ＨＣ挖掘出的有效特征参量具备最佳的模式识别能力。本研究
可为在役 ＰＣＣＰ工程的健康诊断及灾害预警提供技术支持。
关键词：预应力钢筒混凝土管；断丝实时监测；原型试验；有效特征挖掘；封装式建模
中图分类号：ＴＶ６７２．２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１２８

１ 研究背景

预应力钢筒混凝土管（ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）是由混凝土管芯、钢筒、预应力
钢丝和砂浆保护层组合而成的复合型管材，因具有强度高、抗渗性强、耐腐蚀性好、服役寿命长等优
点，在长距离输水工程中得到了广泛应用 ［１ － ２］ 。ＰＣＣＰ的承载力取决于缠绕在混凝土管芯上的预应力
钢丝，受环境腐蚀或氢脆作用的影响，预应力钢丝可能发生断裂，当断丝达到一定数量后，存在极大
的 ＰＣＣＰ爆管风险。由此引发的后果极其严重，不仅会造成巨大的人员伤亡和财产损失，亦将导致多
种次生灾害 ［３］ 。采用有效的实时监测技术，有助于工程人员准确获取 ＰＣＣＰ断丝发生的时间、位置、
数量等信息，对保障工程安全服役意义重大。
常用的 ＰＣＣＰ断丝实时监测手段主要包括水听器和分布式光纤传感。相比于水听器，分布式光纤
传感具有监测距离远、时空分辨率高、响应速度快、本征安全等优点，目前已成功应用于实际工程。
例如，在 １９９９—２００１年期间，利比亚大人工河工程共出现了 ５次爆管，安装分布式光纤实时监测系统
后，有效地预防了爆管事故 ［４］ 。近年来，相关研究已取得一些成果，张野等 ［５］ 使用内径 ３．４ｍ、长度
５ｍ的ＰＣＣＰ进行原型监测试验，采集了切割断丝、腐蚀断丝和敲击的振动信号，基于智能学习算法
分析了振动信号特征并识别了振动类型；Ｌｉ等 ［６］ 利用分布式光纤监测系统捕获了 ＰＣＣＰ断丝信号和环
境噪声，在 此 基 础 上，深 入 分 析 了 幅 值、持 续 时 长、短 时 过 零 率、短 时 能 量 等 时 域 特 征；付 群 健
等 ［７］ 、Ｗｕ等 ［８］ 、Ｌｉ等 ［９］ 、Ｌｉｕ等 ［１０］ 和 Ｍａ等 ［１１］ 的研究表明，在 ＰＣＣＰ输水过程中，引起传感光纤异

收稿日期：２０２４ － ０３ － ０８；网络首发日期：２０２５ － ０１ － ０９
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０１０９．０９４２．００１
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１０９１５５，５２２７９１３３，４２４０１３１９）
作者简介：杨光（ １９８９ － ），博士，教授，主要从事水工建筑物安全监控及健康诊断研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙａｎｇｇｕａｎｇ２０１９＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：孙锦（１９９０ － ），博士，讲师，主要从事人工智能算法与空间数据分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｕｎｊｉｎ＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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