監測意義
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設施和生命干線，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，且類型、位置、時刻難以預知。但傳統運行維護技術無法有效匹配城市基礎設施的增長速度，致使運維工作面臨著巨大壓力。
圖 1 頻發的道路與伴行管線事故
本系統依托分布式光纖傳感技術實現“智慧道路”，基于振動與應變信息，實時測量道路及其周邊管線的狀態,定位異常發生地點，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。
原理及系統簡介
本產品通過Ada-5000系列分布式光纖微擾動場感測儀構建監測平臺。在原理上利用相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）技術來探測振動和應變，實現對外破事件的監測。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。該技術靈敏度極高、測量響應速度快，能夠實現長距離全分布式的無盲區傳感，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，最終實現外部聲場的重構。結合信號分析，就能夠對光纜附近發生的施工現象進行精確定位以及快速識別，達到提前預警、快速巡視排查、減少故障發生的幾率，保障道路及伴行管線安全運行的目標。
圖 3 “智慧道路”監測系統結構框圖
“智慧道路”監測系統的核心解調裝置放置于監控機房或監測站，用于光信號的輸出、光電轉換處理、采集信號，并能夠通過數字信號分析進行事件甄別和報警信息處理。結合光學多路復用模塊，可以實現單個站點對多條線路的輪詢檢測，其結構如圖4所示。一旦光纖傳感設備發現異常，就可以通過遠程監控中心，聯動線路周邊的視頻監控設備，獲得圖像/視頻數據。通過綜合分析平臺，該系統能夠在事件發生時實時監測、準確定位、智能分析,還可以實現對事故發生的預警, 實現道路狀態的實時感知，為運維人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。
圖 4 標準機柜4U尺寸的檢測裝置硬件外觀
系統的硬件裝置采用如圖4所示的標準4U結構，其內部結構緊湊，穩定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內。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。內置硬盤矩陣，可以完成長時間的監測數據儲存，利用網絡接口和4G無線傳輸，可以實現遠程監控與數據傳輸。
圖 5 基于B/S架構的外破信息展示
系統軟件中的數據預處理模塊對采集得到的振動信號進行實時的數據清洗，然后經過數據分析與模式識別模塊，分析沿線狀態量轉換為有效的機械作業引發的振動事件，再匹配線路數據與相關閾值參量，形成如圖6所示的實時監測預警數據，并能夠通過B/S架構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設置
為了提高系統的適應性，系統軟件將根據布設地點的實測數據，統計線纜周邊的環境背景噪聲特性，自動生成并動態調整報警閾值，提高設備現場安裝、調試的效率，如圖6所示。
圖 7 外破事件的精準識別
系統對振動信號的時域特征進行統計分析，研究信號的形態隨時間變化的規律，抽取短時能量、平均過零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農熵等典型特征量作為信號判斷和識別的依據，結合譜減、自適應濾波等噪聲抑制方法，能夠有效降低虛警率。本系統一方面能夠實現對單條線路或多條串/并聯線路的監控，形成立體的監控體系，另一方面又能夠實現對道路隱患點的全流程管控，做到線面結合。系統軟件通過架設的通信服務器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網絡等形式的網絡傳輸，將監測裝置主機的實時監測結果連接到遠端的監控中心，實時監測預警數據列表，供GIS模塊展現及相關管理人員瀏覽監測運行日志，以事件為單位實現對每個隱患點的發現、處理全流程管控。同時利用移動端APP軟件，能夠實時發布、接收事件預警信息。通過監控中心的實時數據同享，可及時推送故障預警信息，并可安排距離最近的人員快速達到現場，避免事故發生，并可通過遠程終端指導運維檢修，實現信息的移動互聯。
圖 8 基于GIS信息展示、移動端信息推送的智能巡檢平臺
依托本系統可以有效降低人工查巡工作量，提高故障搶修的效率。系統設備安裝在機房，采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數據通訊，無需在現場額外加裝傳感器和供電電源，且全線路無盲區。系統軟件提供檢測預警數據的訪問接口，以備用戶的二次開發與集成。系統所構建的“線面結合、移動互聯” 監測預警技術架構，可極大降低事故發生率和巡檢的工作強度，提升工作質量，是道路運維水平的又一次提升！
系統特點
l 無需停電安裝、無需沿線巡視、無需專人蹲守、無需盯監控屏
l 具備監測數據存儲能力（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 具備沿線隱患預警推送功能；
l 支持特征數據導出。
l 系統支持遠程更新、配置與調試
l 通信具備遠程通信接口，網絡接口，同時可接入光纖傳輸單元以及局域網數據傳輸方式
技術指標
l 傳感光纖數量要求：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 單路監測距離：40km
l 監測線路數量：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 響應時間：<5s
l 事件識別類型：人工挖掘、風鎬等小型作業機械、夯機等大型作業機械
l 數據文件格式：CSV格式
l 數據訪問方式：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；網絡接口（RJ-45），可接入光纖傳輸單元數據存儲方式：以數據庫或數據文件形式存儲
l 軟件運行環境：Windows 10
典型監測方案
1、 路面塌陷監測
根據路面塌陷成因，路面塌陷監測采用分布式光纖應變傳感系統對路面塌陷進行實時監測，沿監測道路中央，路基土層3cm下方直線埋設鎧裝應變監測光纜，在易產生塌陷區域（如城市供水管道接頭處、閥門處、供氣管道接頭處、閥門處等）監測光纜采用正弦曲線方式敷設，見圖9。
圖 9 道路塌陷監測光纜敷設示意
由于自然因素或人為因素，在路基下方土體出現松動的地方，路基下方的監測光纜受力將發生變化，而路基未松動地方，路基下方的監測光纜受力保持不變，受力發生變化的光纜的應變發生變化，這樣通過計算應變的變化量就可以計算出監測光纜的拉伸量，進而計算出路面的下沉變化量。通過連續記錄路面下沉變化率，可以預測路面塌陷的概率。再根據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變感測光纜植入路基中，監測路基路面形變。
2、 邊坡健康綜合監測
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，工程件老化導致防護能力下降；綠化護坡會在特別惡劣的氣候條件出現瞬間崩潰的情況。采用光纖傳感方式進行邊坡防護，可及時發現邊坡內部自然結構發生的微小結構變化。
圖 11邊坡災害綜合示意圖
對邊坡健康綜合監測，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變數據。另一種是在加固邊坡時將光纖布置在土工柵格上，獲取自然結構與人工結構交接面的應變數據。第一種方式可以分析出歷史應變變化趨勢，對結構災變時間進行預測；第二種方式可以監測當前自然結構微小應變集中的區域，對結構災變的范圍進行估計。通過對這兩種主要布線方案采集到數據進行分析，已經足夠實現對邊坡災害發生的時間及災害程度進行預測。
3、 隧道結構健康監測
對于盾構隧道，管片主要有兩部分變形組成，一是隧道管片接縫變形，二是隧道管片結構變形，其中前者占主要。當隧道發生沉降時，其拱頂管片間接縫會發生拉伸、錯位等變形，通過監測隧道拱頂的變形，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邊隧道內壁光纖布置方案示意圖
隧道結構根據其力學特點，需要將光纖如圖12所示布置在隧道內壁，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變數據。通過縱橫交錯布線，可實現隧道進行網格化監測，便于及時處理隱患。
4、 公路橋梁健康安全監測
橋梁監測主要關注在荷載情況下，其應變和溫度分布情況。利用分布式光纖傳感系統，結合鋪設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，并聯動視頻裝置捕捉車輛牌號，建立超重車輛黑名單。利用應力和溫度信號，可以反映橋墩、拉索的形變和老化狀況。測量結果再結合定位系統與微氣象觀測站，可以準確反映橋梁對應位置及橋梁整體發生的形變，為橋梁結構健康評估提供有力的依據。
圖 13路橋梁健康安全監測方案示意圖
5、 地埋管線外破監測
道路2側地埋的伴行管線，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生事故。通過伴行的既有通信光纖或專門敷設的傳感光纖，結合分布式光纖振動傳感技術，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，從而在泄漏點產生振動。外部工程車輛的抵近施工，其底盤或操作臂也會產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可以監測波長量級（微米）的動態形變，將非常容易清晰捕獲這類振動信號。
圖 15自然環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，可以根據信號特征的差異判別振動事件類型。自然環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。則可以根據這種頻率差異，可以將泄露事件從自然環境噪聲中分離，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，但是可以通過結合其它信號特征進行判別，如譜寬、功率等等，如圖15所示。
