Page 31 - 2025年第56卷第2期

常振动的激励因素众多，为有效地捕获 ＰＣＣＰ断丝信号，不仅需要对监测系统进行结构优化，而且需
要建立科学的模式识别算法。
现有研究表明，特征参量有效性对模式识别的影响显著，一些学者已从时域、频域、时频域等角
度构建了多种类型的特征参量 ［１２ － １４］ 。但是，某些特征参量对辨识 ＰＣＣＰ断丝信号是无效的，若将无效
特征参量输入信号分类算法中，不仅引起运算量增大，亦会造成辨识性能下降。因此，需要建立有效
特征挖掘算法，以提升实时监测 ＰＣＣＰ断丝信号的准确率和客观性。封装式理论是一种基本的有效特
征挖掘策略，其将特征参量搜索与信号分类相集成，以辨识准确率作为评判特征子集优劣程度的标
准，包括特征子集搜索、特征子集评价、停止准则和结果验证 ４个步骤 ［１５］ 。虽然封装式算法的复杂程
度较高且易出现过拟合现象，但是挖掘出的特征参量子集通常具有良好的模式识别性能。封装式算法
的核心在于构建科学的特征子集搜索方法，根据搜索方式可分为全局搜索、序列搜索和随机搜索 ［１６］ 。
全局搜索的优势在于可得到全局最优解，但运算耗时较长，适用于原始特征集合维度较低的情况；序
列搜索的耗时最短，但是挖掘出的特征参量子集仅是局部最优解，模式识别能力较差；随机搜索耗时
介于全局搜索和序列搜索之间，当算法寻优能力较强时，可搜索到近似全局最优解。因此，随机搜索
适用于解决本文研究的问题。
综上所述，本文研究并提出一种适用于挖掘 ＰＣＣＰ断丝信号有效特征参量的封装式算法，并通过
原型监测试验获取振动信号样本，对算法的性能进行检验。

２ 原型试验

２．１ 试验方案 试验采用的 ＰＣＣＰ长度为 ５ｍ，内径为 ３．２ｍ，管芯厚度 ２４５ｍｍ，砂浆保护层厚度
２
２５ｍｍ，钢桶外径 ３．３４３ｍ，钢桶厚度 １．５ｍｍ，预应力钢丝直径 ７ｍｍ，预应力钢丝面积 ２３５０ｍｍ ?ｍ，
预应力钢丝弹性模量 ２０５０００ＭＰａ，预应力钢丝极限抗拉强度 １６２０ＭＰａ。试验管段由 ５根 ＰＣＣＰ组成，
管道半埋于地下，基坑长度约为 ２９ｍ，宽度约为 ４ｍ，深度约为 ２ｍ，采用钢板封堵管口后注水，模
拟有水运行工况，水深约为 １．５ｍ。相位敏感光时域反射（Ｐｈａｓｅ － ｓｅｎｓｉｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅ － ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏ
ｍｅｔｒｙ，Φ － ＯＴＤＲ）是一种基于全分布式光纤传感的监测技术，在系统结构上可以分为直接探测式和相
干探测式，相比于直接探测式，相干探测式具有更广的动态范围和更高的信噪比，适用于微弱信号的
远距离探测。图 １为本试验采用的相干探测式 Φ－ ＯＴＤＲ型分布式光纤监测系统，空间分辨率为 ２ｍ，
最大采样频率为 ３０ｋＨｚ，最大监测距离为 ２０ｋｍ。试验共布设了 ４种规格的铠装光缆，编号为 Ａ、Ｂ、
Ｃ和 Ｄ，敷设长度均为 １０ｋｍ，为保证光缆与管壁振动一致，采用强力胶水和环氧树脂将其紧贴于管
道内壁。

图 １ 监测系统结构

在管道注水前，通过敲击测试进行光缆选型，结论表明，光缆 Ｃ具有最佳的灵敏度和信噪比，故
本试验选用光缆 Ｃ监测振动信号。在实际运行过程中，监测系统可捕获到多种类型的振动信号，例
如，预应力钢丝断裂、漂浮物撞击 ＰＣＣＰ内壁、管道泄漏、施工挖掘、钻孔、水锤等，在众多振动信
号中，漂浮物撞击与预应力钢丝断裂的声音特征较为相似，仅靠经验难以有效辨别。本次试验针对漂

— １ ７ １ —