監(jiān)測意義

城市道路及其周邊的伴行管線，如同人體血管，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命干線，其安全是國家安全的重要組成部分。但是在服役過程中，道路及其伴行管線常受到老化及外力破壞影響, 路面塌陷、地基沉降、管道泄露、線路損毀等故障隱患頻發(fā)，且類型、位置、時刻難以預(yù)知。但傳統(tǒng)運行維護技術(shù)無法有效匹配城市基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度，致使運維工作面臨著巨大壓力。

圖 1 頻發(fā)的道路與伴行管線事故

本系統(tǒng)依托分布式光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)“智慧道路”，基于振動與應(yīng)變信息，實時測量道路及其周邊管線的狀態(tài),定位異常發(fā)生地點，并識別潛在威脅到光纜的垂直距離，從而有效評估外破威脅等級，有力保證道路與伴行管線的安全運行。

原理及系統(tǒng)簡介

本產(chǎn)品通過Ada-5000系列分布式光纖微擾動場感測儀構(gòu)建監(jiān)測平臺。在原理上利用相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）技術(shù)來探測振動和應(yīng)變，實現(xiàn)對外破事件的監(jiān)測。Φ-OTDR通常采用kHz級別的窄線寬激光器作為光源，通過向傳感光纖注入探測光脈沖，并檢測傳感光纖中由此產(chǎn)生的瑞利背向散射（RBS）信號來感知光纖所受到的外部擾動。該技術(shù)靈敏度極高、測量響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離全分布式的無盲區(qū)傳感，非常適合依托地埋光纜對周邊各類異常振動信號進行監(jiān)測。

圖 2 相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）工作原理

通過信號處理可以提取出擾動位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動作用在待測光纖上引起的光纖長度變化，最終實現(xiàn)外部聲場的重構(gòu)。結(jié)合信號分析，就能夠?qū)饫|附近發(fā)生的施工現(xiàn)象進行精確定位以及快速識別，達到提前預(yù)警、快速巡視排查、減少故障發(fā)生的幾率，保障道路及伴行管線安全運行的目標(biāo)。

圖 3 “智慧道路”監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

“智慧道路”監(jiān)測系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于監(jiān)控機房或監(jiān)測站，用于光信號的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號，并能夠通過數(shù)字信號分析進行事件甄別和報警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)用模塊，可以實現(xiàn)單個站點對多條線路的輪詢檢測，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。一旦光纖傳感設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常，就可以通過遠程監(jiān)控中心，聯(lián)動線路周邊的視頻監(jiān)控設(shè)備，獲得圖像/視頻數(shù)據(jù)。通過綜合分析平臺，該系統(tǒng)能夠在事件發(fā)生時實時監(jiān)測、準確定位、智能分析,還可以實現(xiàn)對事故發(fā)生的預(yù)警, 實現(xiàn)道路狀態(tài)的實時感知，為運維人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

圖 4 標(biāo)準機柜4U尺寸的檢測裝置硬件外觀

系統(tǒng)的硬件裝置采用如圖4所示的標(biāo)準4U結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內(nèi)。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入就可完成裝置安裝。內(nèi)置硬盤矩陣，可以完成長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存，利用網(wǎng)絡(luò)接口和4G無線傳輸，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。

圖 5 基于B/S架構(gòu)的外破信息展示

系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對采集得到的振動信號進行實時的數(shù)據(jù)清洗，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模式識別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動事件，再匹配線路數(shù)據(jù)與相關(guān)閾值參量，形成如圖6所示的實時監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，并能夠通過B/S架構(gòu)的軟件界面進行遠程展示與查詢。

圖 6 報警閾值的本地化自適應(yīng)設(shè)置

為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，系統(tǒng)軟件將根據(jù)布設(shè)地點的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計線纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動生成并動態(tài)調(diào)整報警閾值，提高設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試的效率，如圖6所示。

圖 7 外破事件的精準識別

系統(tǒng)對振動信號的時域特征進行統(tǒng)計分析，研究信號的形態(tài)隨時間變化的規(guī)律，抽取短時能量、平均過零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農(nóng)熵等典型特征量作為信號判斷和識別的依據(jù)，結(jié)合譜減、自適應(yīng)濾波等噪聲抑制方法，能夠有效降低虛警率。本系統(tǒng)一方面能夠實現(xiàn)對單條線路或多條串/并聯(lián)線路的監(jiān)控，形成立體的監(jiān)控體系，另一方面又能夠?qū)崿F(xiàn)對道路隱患點的全流程管控，做到線面結(jié)合。系統(tǒng)軟件通過架設(shè)的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò)等形式的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將監(jiān)測裝置主機的實時監(jiān)測結(jié)果連接到遠端的監(jiān)控中心，實時監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)列表，供GIS模塊展現(xiàn)及相關(guān)管理人員瀏覽監(jiān)測運行日志，以事件為單位實現(xiàn)對每個隱患點的發(fā)現(xiàn)、處理全流程管控。同時利用移動端APP軟件，能夠?qū)崟r發(fā)布、接收事件預(yù)警信息。通過監(jiān)控中心的實時數(shù)據(jù)同享，可及時推送故障預(yù)警信息，并可安排距離最近的人員快速達到現(xiàn)場，避免事故發(fā)生，并可通過遠程終端指導(dǎo)運維檢修，實現(xiàn)信息的移動互聯(lián)。

圖 8 基于GIS信息展示、移動端信息推送的智能巡檢平臺

依托本系統(tǒng)可以有效降低人工查巡工作量，提高故障搶修的效率。系統(tǒng)設(shè)備安裝在機房，采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數(shù)據(jù)通訊，無需在現(xiàn)場額外加裝傳感器和供電電源，且全線路無盲區(qū)。系統(tǒng)軟件提供檢測預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問接口，以備用戶的二次開發(fā)與集成。系統(tǒng)所構(gòu)建的“線面結(jié)合、移動互聯(lián)” 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu)，可極大降低事故發(fā)生率和巡檢的工作強度，提升工作質(zhì)量，是道路運維水平的又一次提升！

系統(tǒng)特點

l 無需停電安裝、無需沿線巡視、無需專人蹲守、無需盯監(jiān)控屏

l 具備監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲能力（30天以上）；

l 能展示沿線GIS地圖；

l 具備沿線異常信息的即時展示；

l 具備沿線隱患預(yù)警推送功能；

l 支持特征數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

l 系統(tǒng)支持遠程更新、配置與調(diào)試

l 通信具備遠程通信接口，網(wǎng)絡(luò)接口，同時可接入光纖傳輸單元以及局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式

技術(shù)指標(biāo)

l 傳感光纖數(shù)量要求：每個電纜通道1芯

l 傳感光纖模式要求：單模光纖

l 光纖接口：FC/APC

l 工作電源：AC220V/ 50HZ

l 功耗：<150W

l 單路監(jiān)測距離：40km

l 監(jiān)測線路數(shù)量：2

l 空間分辨率：10～50m

l 定位偏差：<50m

l 垂直振動感測距離（中型拖拉機底盤）：>35m

l 響應(yīng)時間：<5s

l 事件識別類型：人工挖掘、風(fēng)鎬等小型作業(yè)機械、夯機等大型作業(yè)機械

l 數(shù)據(jù)文件格式：CSV格式

l 數(shù)據(jù)訪問方式：B/S或C/S方式

l 通訊接口：WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/GPRS/CDMA/SMS等無線通信接口；網(wǎng)絡(luò)接口（RJ-45），可接入光纖傳輸單元數(shù)據(jù)存儲方式：以數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件形式存儲

l 軟件運行環(huán)境：Windows 10

典型監(jiān)測方案

1、 路面塌陷監(jiān)測

根據(jù)路面塌陷成因，路面塌陷監(jiān)測采用分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)對路面塌陷進行實時監(jiān)測，沿監(jiān)測道路中央，路基土層3cm下方直線埋設(shè)鎧裝應(yīng)變監(jiān)測光纜，在易產(chǎn)生塌陷區(qū)域（如城市供水管道接頭處、閥門處、供氣管道接頭處、閥門處等）監(jiān)測光纜采用正弦曲線方式敷設(shè)，見圖9。

圖 9 道路塌陷監(jiān)測光纜敷設(shè)示意

由于自然因素或人為因素，在路基下方土體出現(xiàn)松動的地方，路基下方的監(jiān)測光纜受力將發(fā)生變化，而路基未松動地方，路基下方的監(jiān)測光纜受力保持不變，受力發(fā)生變化的光纜的應(yīng)變發(fā)生變化，這樣通過計算應(yīng)變的變化量就可以計算出監(jiān)測光纜的拉伸量，進而計算出路面的下沉變化量。通過連續(xù)記錄路面下沉變化率，可以預(yù)測路面塌陷的概率。再根據(jù)光纖測距原理和地理信息可以準確定位路面塌陷位置。

圖 10 分布式定點光纜&金屬基索狀應(yīng)變感測光纜

為了保證光纜與路基的耦合，可選用如圖10所示的分布式定點光纜或金屬基索狀應(yīng)變感測光纜植入路基中，監(jiān)測路基路面形變。

2、 邊坡健康綜合監(jiān)測

邊坡防護分為工程護坡和綠化護坡兩種，工程護坡會隨著時間流逝，工程件老化導(dǎo)致防護能力下降；綠化護坡會在特別惡劣的氣候條件出現(xiàn)瞬間崩潰的情況。采用光纖傳感方式進行邊坡防護，可及時發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部自然結(jié)構(gòu)發(fā)生的微小結(jié)構(gòu)變化。

圖 11邊坡災(zāi)害綜合示意圖

對邊坡健康綜合監(jiān)測，主要采用如圖11所示的兩種方式，一種是隨抗滑樁布置，獲取某一個位置的縱深應(yīng)變數(shù)據(jù)。另一種是在加固邊坡時將光纖布置在土工柵格上，獲取自然結(jié)構(gòu)與人工結(jié)構(gòu)交接面的應(yīng)變數(shù)據(jù)。第一種方式可以分析出歷史應(yīng)變變化趨勢，對結(jié)構(gòu)災(zāi)變時間進行預(yù)測；第二種方式可以監(jiān)測當(dāng)前自然結(jié)構(gòu)微小應(yīng)變集中的區(qū)域，對結(jié)構(gòu)災(zāi)變的范圍進行估計。通過對這兩種主要布線方案采集到數(shù)據(jù)進行分析，已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡災(zāi)害發(fā)生的時間及災(zāi)害程度進行預(yù)測。

3、 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

對于盾構(gòu)隧道，管片主要有兩部分變形組成，一是隧道管片接縫變形，二是隧道管片結(jié)構(gòu)變形，其中前者占主要。當(dāng)隧道發(fā)生沉降時，其拱頂管片間接縫會發(fā)生拉伸、錯位等變形，通過監(jiān)測隧道拱頂?shù)淖冃?，可對隧道沉降進行整體的把控。

（a） 縱向布線示意圖             （b） 光纜壁掛示意圖

圖 12邊隧道內(nèi)壁光纖布置方案示意圖

隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其力學(xué)特點，需要將光纖如圖12所示布置在隧道內(nèi)壁，可采用縱向布線與橫剖面布線兩種方式?？v向布線在隧道頂部和側(cè)面進行粘貼或壁掛方式進行固定，以獲取隧道大尺度上的彎矩信息，橫剖面布線為了獲得隧道局部的詳細周向應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過縱橫交錯布線，可實現(xiàn)隧道進行網(wǎng)格化監(jiān)測，便于及時處理隱患。

4、 公路橋梁健康安全監(jiān)測

橋梁監(jiān)測主要關(guān)注在荷載情況下，其應(yīng)變和溫度分布情況。利用分布式光纖傳感系統(tǒng)，結(jié)合鋪設(shè)在鋼箱梁底板表面以及橋墩、拉索上的傳感光纖對不同工況進行測量。通過振動信號，可以反映車輛的位置、速度和噸位，有效捕獲超重車輛，并聯(lián)動視頻裝置捕捉車輛牌號，建立超重車輛黑名單。利用應(yīng)力和溫度信號，可以反映橋墩、拉索的形變和老化狀況。測量結(jié)果再結(jié)合定位系統(tǒng)與微氣象觀測站，可以準確反映橋梁對應(yīng)位置及橋梁整體發(fā)生的形變，為橋梁結(jié)構(gòu)健康評估提供有力的依據(jù)。

圖 13路橋梁健康安全監(jiān)測方案示意圖

5、 地埋管線外破監(jiān)測

道路2側(cè)地埋的伴行管線，如通信管、污水管、燃氣管、通信線路、輸電線路等，非常容易受外力破壞或由于自身老化而發(fā)生事故。通過伴行的既有通信光纖或?qū)ｉT敷設(shè)的傳感光纖，結(jié)合分布式光纖振動傳感技術(shù)，可以對各類異常進行實時捕獲與識別。如圖14所示。

圖 14伴行管線監(jiān)測方案示意圖

例如供水管、燃氣管的泄露會造成高壓液體/氣體的外泄，從而在泄漏點產(chǎn)生振動。外部工程車輛的抵近施工，其底盤或操作臂也會產(chǎn)生特征明顯的振動信號。這些振動信號通過地層傳播，作用于光纜上，將造成光纖長度微小的變化。由于分布式光纖傳感技術(shù)可以監(jiān)測波長量級（微米）的動態(tài)形變，將非常容易清晰捕獲這類振動信號。

圖 15自然環(huán)境噪聲與泄露事件頻率差異

不同類型的振動事件反映在瑞利散射信號中的特征是有差異的，可以根據(jù)信號特征的差異判別振動事件類型。自然環(huán)境中噪聲一般為低頻寬譜噪聲。而油氣等運輸管道中的氣體壓強較大，如果發(fā)生氣體泄漏時，除了溫度變化，在泄漏位置處也會形成一個較高頻率的振動事件。則可以根據(jù)這種頻率差異，可以將泄露事件從自然環(huán)境噪聲中分離，如圖15所示。

圖 15多種振動事件特征判別示意圖

傳感光纖沿線也可能發(fā)生多種振動事件，如人員走動、敲擊等等，此時僅僅通過頻率分析可能較難判別擾動事件類型，但是可以通過結(jié)合其它信號特征進行判別，如譜寬、功率等等，如圖15所示。