监测意义
城市道路及其周边的伴行管线，如同人体血管，是保障城市运行的重要基础设施和生命干线，其安全是国家安全的重要组成部分。但是在服役过程中，道路及其伴行管线常受到老化及外力破坏影响, 路面塌陷、地基沉降、管道泄露、线路损毁等故障隐患频发，且类型、位置、时刻难以预知。但传统运行维护技术无法有效匹配城市基础设施的增长速度，致使运维工作面临着巨大压力。
图 1 频发的道路与伴行管线事故
本系统依托分布式光纤传感技术实现“智慧道路”，基于振动与应变信息，实时测量道路及其周边管线的状态,定位异常发生地点，并识别潜在威胁到光缆的垂直距离，从而有效评估外破威胁等级，有力保证道路与伴行管线的安全运行。
原理及系统简介
本产品通过Ada-5000系列分布式光纤微扰动场感测仪构建监测平台。在原理上利用相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）技术来探测振动和应变，实现对外破事件的监测。Φ-OTDR通常采用kHz级别的窄线宽激光器作为光源，通过向传感光纤注入探测光脉冲，并检测传感光纤中由此产生的瑞利背向散射（RBS）信号来感知光纤所受到的外部扰动。该技术灵敏度极高、测量响应速度快，能够实现长距离全分布式的无盲区传感，非常适合依托地埋光缆对周边各类异常振动信号进行监测。
图 2 相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）工作原理
通过信号处理可以提取出扰动位置的相位变化信息，就可以获得外部扰动作用在待测光纤上引起的光纤长度变化，最终实现外部声场的重构。结合信号分析，就能够对光缆附近发生的施工现象进行精确定位以及快速识别，达到提前预警、快速巡视排查、减少故障发生的几率，保障道路及伴行管线安全运行的目标。
图 3 “智慧道路”监测系统结构框图
“智慧道路”监测系统的核心解调装置放置于监控机房或监测站，用于光信号的输出、光电转换处理、采集信号，并能够通过数字信号分析进行事件甄别和报警信息处理。结合光学多路复用模块，可以实现单个站点对多条线路的轮询检测，其结构如图4所示。一旦光纤传感设备发现异常，就可以通过远程监控中心，联动线路周边的视频监控设备，获得图像/视频数据。通过综合分析平台，该系统能够在事件发生时实时监测、准确定位、智能分析,还可以实现对事故发生的预警, 实现道路状态的实时感知，为运维人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。
图 4 标准机柜4U尺寸的检测装置硬件外观
系统的硬件装置采用如图4所示的标准4U结构，其内部结构紧凑，稳定性强，能够安装在变电站通信机房的机柜内。装置安装便捷，只需将一根传感光纤的单端接入就可完成装置安装。内置硬盘矩阵，可以完成长时间的监测数据储存，利用网络接口和4G无线传输，可以实现远程监控与数据传输。
图 5 基于B/S架构的外破信息展示
系统软件中的数据预处理模块对采集得到的振动信号进行实时的数据清洗，然后经过数据分析与模式识别模块，分析沿线状态量转换为有效的机械作业引发的振动事件，再匹配线路数据与相关阈值参量，形成如图6所示的实时监测预警数据，并能够通过B/S架构的软件界面进行远程展示与查询。
图 6 报警阈值的本地化自适应设置
为了提高系统的适应性，系统软件将根据布设地点的实测数据，统计线缆周边的环境背景噪声特性，自动生成并动态调整报警阈值，提高设备现场安装、调试的效率，如图6所示。
图 7 外破事件的精准识别
系统对振动信号的时域特征进行统计分析，研究信号的形态随时间变化的规律，抽取短时能量、平均过零率、谐振频率、子频带能量、香农熵等典型特征量作为信号判断和识别的依据，结合谱减、自适应滤波等噪声抑制方法，能够有效降低虚警率。本系统一方面能够实现对单条线路或多条串/并联线路的监控，形成立体的监控体系，另一方面又能够实现对道路隐患点的全流程管控，做到线面结合。系统软件通过架设的通信服务器，由GPRS/WIFI/OPGW光纤网络等形式的网络传输，将监测装置主机的实时监测结果连接到远端的监控中心，实时监测预警数据列表，供GIS模块展现及相关管理人员浏览监测运行日志，以事件为单位实现对每个隐患点的发现、处理全流程管控。同时利用移动端APP软件，能够实时发布、接收事件预警信息。通过监控中心的实时数据同享，可及时推送故障预警信息，并可安排距离最近的人员快速达到现场，避免事故发生，并可通过远程终端指导运维检修，实现信息的移动互联。
图 8 基于GIS信息展示、移动端信息推送的智能巡检平台
依托本系统可以有效降低人工查巡工作量，提高故障抢修的效率。系统设备安装在机房，采用通讯光缆的1芯光纤既作为传感装置又做数据通讯，无需在现场额外加装传感器和供电电源，且全线路无盲区。系统软件提供检测预警数据的访问接口，以备用户的二次开发与集成。系统所构建的“线面结合、移动互联” 监测预警技术架构，可极大降低事故发生率和巡检的工作强度，提升工作质量，是道路运维水平的又一次提升！
系统特点
l 无需停电安装、无需沿线巡视、无需专人蹲守、无需盯监控屏
l 具备监测数据存储能力（30天以上）；
l 能展示沿线GIS地图；
l 具备沿线异常信息的即时展示；
l 具备沿线隐患预警推送功能；
l 支持特征数据导出。
l 系统支持远程更新、配置与调试
l 通信具备远程通信接口，网络接口，同时可接入光纤传输单元以及局域网数据传输方式
技术指标
l 传感光纤数量要求：每个电缆通道1芯
l 传感光纤模式要求：单模光纤
l 光纤接口：FC/APC
l 工作电源：AC220V/ 50HZ
l 功耗：<150W
l 单路监测距离：40km
l 监测线路数量：2
l 空间分辨率：10～50m
l 定位偏差：<50m
l 垂直振动感测距离（中型拖拉机底盘）：>35m
l 响应时间：<5s
l 事件识别类型：人工挖掘、风镐等小型作业机械、夯机等大型作业机械
l 数据文件格式：CSV格式
l 数据访问方式：B/S或C/S方式
l 通讯接口：WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/GPRS/CDMA/SMS等无线通信接口；网络接口（RJ-45），可接入光纤传输单元数据存储方式：以数据库或数据文件形式存储
l 软件运行环境：Windows 10
典型监测方案
1、 路面塌陷监测
根据路面塌陷成因，路面塌陷监测采用分布式光纤应变传感系统对路面塌陷进行实时监测，沿监测道路中央，路基土层3cm下方直线埋设铠装应变监测光缆，在易产生塌陷区域（如城市供水管道接头处、阀门处、供气管道接头处、阀门处等）监测光缆采用正弦曲线方式敷设，见图9。
图 9 道路塌陷监测光缆敷设示意
由于自然因素或人为因素，在路基下方土体出现松动的地方，路基下方的监测光缆受力将发生变化，而路基未松动地方，路基下方的监测光缆受力保持不变，受力发生变化的光缆的应变发生变化，这样通过计算应变的变化量就可以计算出监测光缆的拉伸量，进而计算出路面的下沉变化量。通过连续记录路面下沉变化率，可以预测路面塌陷的概率。再根据光纤测距原理和地理信息可以准确定位路面塌陷位置。
图 10 分布式定点光缆&金属基索状应变感测光缆
为了保证光缆与路基的耦合，可选用如图10所示的分布式定点光缆或金属基索状应变感测光缆植入路基中，监测路基路面形变。
2、 边坡健康综合监测
边坡防护分为工程护坡和绿化护坡两种，工程护坡会随着时间流逝，工程件老化导致防护能力下降；绿化护坡会在特别恶劣的气候条件出现瞬间崩溃的情况。采用光纤传感方式进行边坡防护，可及时发现边坡内部自然结构发生的微小结构变化。
图 11边坡灾害综合示意图
对边坡健康综合监测，主要采用如图11所示的两种方式，一种是随抗滑桩布置，获取某一个位置的纵深应变数据。另一种是在加固边坡时将光纤布置在土工栅格上，获取自然结构与人工结构交接面的应变数据。第一种方式可以分析出历史应变变化趋势，对结构灾变时间进行预测；第二种方式可以监测当前自然结构微小应变集中的区域，对结构灾变的范围进行估计。通过对这两种主要布线方案采集到数据进行分析，已经足够实现对边坡灾害发生的时间及灾害程度进行预测。
3、 隧道结构健康监测
对于盾构隧道，管片主要有两部分变形组成，一是隧道管片接缝变形，二是隧道管片结构变形，其中前者占主要。当隧道发生沉降时，其拱顶管片间接缝会发生拉伸、错位等变形，通过监测隧道拱顶的变形，可对隧道沉降进行整体的把控。
（a） 纵向布线示意图 （b） 光缆壁挂示意图
图 12边隧道内壁光纤布置方案示意图
隧道结构根据其力学特点，需要将光纤如图12所示布置在隧道内壁，可采用纵向布线与横剖面布线两种方式。纵向布线在隧道顶部和侧面进行粘贴或壁挂方式进行固定，以获取隧道大尺度上的弯矩信息，横剖面布线为了获得隧道局部的详细周向应变数据。通过纵横交错布线，可实现隧道进行网格化监测，便于及时处理隐患。
4、 公路桥梁健康安全监测
桥梁监测主要关注在荷载情况下，其应变和温度分布情况。利用分布式光纤传感系统，结合铺设在钢箱梁底板表面以及桥墩、拉索上的传感光纤对不同工况进行测量。通过振动信号，可以反映车辆的位置、速度和吨位，有效捕获超重车辆，并联动视频装置捕捉车辆牌号，建立超重车辆黑名单。利用应力和温度信号，可以反映桥墩、拉索的形变和老化状况。测量结果再结合定位系统与微气象观测站，可以准确反映桥梁对应位置及桥梁整体发生的形变，为桥梁结构健康评估提供有力的依据。
图 13路桥梁健康安全监测方案示意图
5、 地埋管线外破监测
道路2侧地埋的伴行管线，如通信管、污水管、燃气管、通信线路、输电线路等，非常容易受外力破坏或由于自身老化而发生事故。通过伴行的既有通信光纤或专门敷设的传感光纤，结合分布式光纤振动传感技术，可以对各类异常进行实时捕获与识别。如图14所示。
图 14伴行管线监测方案示意图
例如供水管、燃气管的泄露会造成高压液体/气体的外泄，从而在泄漏点产生振动。外部工程车辆的抵近施工，其底盘或操作臂也会产生特征明显的振动信号。这些振动信号通过地层传播，作用于光缆上，将造成光纤长度微小的变化。由于分布式光纤传感技术可以监测波长量级（微米）的动态形变，将非常容易清晰捕获这类振动信号。
图 15自然环境噪声与泄露事件频率差异
不同类型的振动事件反映在瑞利散射信号中的特征是有差异的，可以根据信号特征的差异判别振动事件类型。自然环境中噪声一般为低频宽谱噪声。而油气等运输管道中的气体压强较大，如果发生气体泄漏时，除了温度变化，在泄漏位置处也会形成一个较高频率的振动事件。则可以根据这种频率差异，可以将泄露事件从自然环境噪声中分离，如图15所示。
图 15多种振动事件特征判别示意图
传感光纤沿线也可能发生多种振动事件，如人员走动、敲击等等，此时仅仅通过频率分析可能较难判别扰动事件类型，但是可以通过结合其它信号特征进行判别，如谱宽、功率等等，如图15所示。
