基于分布式光纖傳感的智慧道路與橋梁監測

監測意義

城市道路及其周邊的伴行管線(xiàn)，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(xiàn)，其安全是國家安全的重要組成部分。但是在服役過(guò)程中，道路及其伴行管線(xiàn)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(xiàn)路損毀等故障隱患頻發(fā)，且類(lèi)型、位置、時(shí)刻難以預知。但傳統運行維護技術(shù)無(wú)法有效匹配城市基礎設施的增長(cháng)速度，致使運維工作面臨著(zhù)巨大壓力。

圖 1 頻發(fā)的道路與伴行管線(xiàn)事故

本系統依托分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現“智慧道路”，基于振動(dòng)與應變信息，實(shí)時(shí)測量道路及其周邊管線(xiàn)的狀態(tài),定位異常發(fā)生地點(diǎn)，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(xiàn)的安全運行。

原理及系統簡(jiǎn)介

本產(chǎn)品通過(guò)Ada-5000系列分布式光纖微擾動(dòng)場(chǎng)感測儀構建監測平臺。在原理上利用相位敏感型光時(shí)域反射計（Φ-OTDR）技術(shù)來(lái)探測振動(dòng)和應變，實(shí)現對外破事件的監測。Φ-OTDR通常采用kHz級別的窄線(xiàn)寬激光器作為光源，通過(guò)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(lái)感知光纖所受到的外部擾動(dòng)。該技術(shù)靈敏度極高、測量響應速度快，能夠實(shí)現長(cháng)距離全分布式的無(wú)盲區傳感，非常適合依托地埋光纜對周邊各類(lèi)異常振動(dòng)信號進(jìn)行監測。

圖 2 相位敏感型光時(shí)域反射計（Φ-OTDR）工作原理

通過(guò)信號處理可以提取出擾動(dòng)位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動(dòng)作用在待測光纖上引起的光纖長(cháng)度變化，最終實(shí)現外部聲場(chǎng)的重構。結合信號分析，就能夠對光纜附近發(fā)生的施工現象進(jìn)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(fā)生的幾率，保障道路及伴行管線(xiàn)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(guò)數字信號分析進(jìn)行事件甄別和報警信息處理。結合光學(xué)多路復用模塊，可以實(shí)現單個(gè)站點(diǎn)對多條線(xiàn)路的輪詢(xún)檢測，其結構如圖4所示。一旦光纖傳感設備發(fā)現異常，就可以通過(guò)遠程監控中心，聯(lián)動(dòng)線(xiàn)路周邊的視頻監控設備，獲得圖像/視頻數據。通過(guò)綜合分析平臺，該系統能夠在事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)監測、準確定位、智能分析,還可以實(shí)現對事故發(fā)生的預警, 實(shí)現道路狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(guān)

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(pán)矩陣，可以完成長(cháng)時(shí)間的監測數據儲存，利用網(wǎng)絡(luò )接口和4G無(wú)線(xiàn)傳輸，可以實(shí)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(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據清洗，然后經(jīng)過(guò)數據分析與模式識別模塊，分析沿線(xiàn)狀態(tài)量轉換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)事件，再匹配線(xiàn)路數據與相關(guān)閾值參量，形成如圖6所示的實(shí)時(shí)監測預警數據，并能夠通過(guò)B/S架構的軟件界面進(jìn)行遠程展示與查詢(xún)。

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(diǎn)的實(shí)測數據，統計線(xiàn)纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動(dòng)生成并動(dòng)態(tài)調整報警閾值，提高設備現場(chǎng)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(dòng)信號的時(shí)域特征進(jìn)行統計分析，研究信號的形態(tài)隨時(shí)間變化的規律，抽取短時(shí)能量、平均過(guò)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(shí)現對單條線(xiàn)路或多條串/并聯(lián)線(xiàn)路的監控，形成立體的監控體系，另一方面又能夠實(shí)現對道路隱患點(diǎn)的全流程管控，做到線(xiàn)面結合。系統軟件通過(guò)架設的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò )等形式的網(wǎng)絡(luò )傳輸，將監測裝置主機的實(shí)時(shí)監測結果連接到遠端的監控中心，實(shí)時(shí)監測預警數據列表，供GIS模塊展現及相關(guān)管理人員瀏覽監測運行日志，以事件為單位實(shí)現對每個(gè)隱患點(diǎn)的發(fā)現、處理全流程管控。同時(shí)利用移動(dòng)端APP軟件，能夠實(shí)時(shí)發(fā)布、接收事件預警信息。通過(guò)監控中心的實(shí)時(shí)數據同享，可及時(shí)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(chǎng)，避免事故發(fā)生，并可通過(guò)遠程終端指導運維檢修，實(shí)現信息的移動(dòng)互聯(lián)。

圖 8 基于GIS信息展示、移動(dòng)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(wú)需在現場(chǎng)額外加裝傳感器和供電電源，且全線(xiàn)路無(wú)盲區。系統軟件提供檢測預警數據的訪(fǎng)問(wèn)接口，以備用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)與集成。系統所構建的“線(xiàn)面結合、移動(dòng)互聯(lián)” 監測預警技術(shù)架構，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！

系統特點(diǎn)

l 無(wú)需停電安裝、無(wú)需沿線(xiàn)巡視、無(wú)需專(zhuān)人蹲守、無(wú)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(xiàn)GIS地圖；

l 具備沿線(xiàn)異常信息的即時(shí)展示；

l 具備沿線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )接口，同時(shí)可接入光纖傳輸單元以及局域網(wǎng)數據傳輸方式

技術(shù)指標

l 傳感光纖數量要求：每個(gè)電纜通道1芯

l 傳感光纖模式要求：?jiǎn)文９饫w

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(xiàn)路數量：2

l 空間分辨率：10～50m

l 定位偏差：<50m

l 垂直振動(dòng)感測距離（中型拖拉機底盤(pán)）：>35m

l 響應時(shí)間：<5s

l 事件識別類(lèi)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 數據文件格式：CSV格式

l 數據訪(fǎng)問(wèn)方式：B/S或C/S方式

l 通訊接口：WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/GPRS/CDMA/SMS等無(wú)線(xiàn)通信接口；網(wǎng)絡(luò )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(huán)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(jìn)行實(shí)時(shí)監測，沿監測道路中央，路基土層3cm下方直線(xiàn)埋設鎧裝應變監測光纜，在易產(chǎn)生塌陷區域（如城市供水管道接頭處、閥門(mén)處、供氣管道接頭處、閥門(mén)處等）監測光纜采用正弦曲線(xiàn)方式敷設，見(jiàn)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(dòng)的地方，路基下方的監測光纜受力將發(fā)生變化，而路基未松動(dòng)地方，路基下方的監測光纜受力保持不變，受力發(fā)生變化的光纜的應變發(fā)生變化，這樣通過(guò)計算應變的變化量就可以計算出監測光纜的拉伸量，進(jìn)而計算出路面的下沉變化量。通過(guò)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(diǎn)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(diǎn)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(huì )隨著(zhù)時(shí)間流逝，工程件老化導致防護能力下降；綠化護坡會(huì )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(jìn)行邊坡防護，可及時(shí)發(fā)現邊坡內部自然結構發(fā)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(gè)位置的縱深應變數據。另一種是在加固邊坡時(shí)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(shí)間進(jìn)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(jìn)行估計。通過(guò)對這兩種主要布線(xiàn)方案采集到數據進(jìn)行分析，已經(jīng)足夠實(shí)現對邊坡災害發(fā)生的時(shí)間及災害程度進(jìn)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(fā)生沉降時(shí)，其拱頂管片間接縫會(huì )發(fā)生拉伸、錯位等變形，通過(guò)監測隧道拱頂的變形，可對隧道沉降進(jìn)行整體的把控。

（a） 縱向布線(xiàn)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(xué)特點(diǎn)，需要將光纖如圖12所示布置在隧道內壁，可采用縱向布線(xiàn)與橫剖面布線(xiàn)兩種方式?？v向布線(xiàn)在隧道頂部和側面進(jìn)行粘貼或壁掛方式進(jìn)行固定，以獲取隧道大尺度上的彎矩信息，橫剖面布線(xiàn)為了獲得隧道局部的詳細周向應變數據。通過(guò)縱橫交錯布線(xiàn)，可實(shí)現隧道進(jìn)行網(wǎng)格化監測，便于及時(shí)處理隱患。

4、 公路橋梁健康安全監測

橋梁監測主要關(guān)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(jìn)行測量。通過(guò)振動(dòng)信號，可以反映車(chē)輛的位置、速度和噸位，有效捕獲超重車(chē)輛，并聯(lián)動(dòng)視頻裝置捕捉車(chē)輛牌號，建立超重車(chē)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(guān)測站，可以準確反映橋梁對應位置及橋梁整體發(fā)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(xiàn)外破監測

道路2側地埋的伴行管線(xiàn)，如通信管、污水管、燃氣管、通信線(xiàn)路、輸電線(xiàn)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(guò)伴行的既有通信光纖或專(zhuān)門(mén)敷設的傳感光纖，結合分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，可以對各類(lèi)異常進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲與識別。如圖14所示。

圖 14伴行管線(xiàn)監測方案示意圖

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

圖 15自然環(huán)境噪聲與泄露事件頻率差異

不同類(lèi)型的振動(dòng)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(dòng)事件類(lèi)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(shí)，除了溫度變化，在泄漏位置處也會(huì )形成一個(gè)較高頻率的振動(dòng)事件。則可以根據這種頻率差異，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(dòng)事件特征判別示意圖

傳感光纖沿線(xiàn)也可能發(fā)生多種振動(dòng)事件，如人員走動(dòng)、敲擊等等，此時(shí)僅僅通過(guò)頻率分析可能較難判別擾動(dòng)事件類(lèi)型，但是可以通過(guò)結合其它信號特征進(jìn)行判別，如譜寬、功率等等，如圖15所示。