分布式光纤传感系统在智慧城市管道中的应用

一、前言

作为一种用途广泛的输送装置，管道广泛应用于市政工程和各种工业装置中，在国民经济和国防建设中发挥着不可或缺的作用。其中，智慧城市管道按其功能主要分为给水、排水、燃气、热力、电力和电信六大类，是智慧城市的重要基础设施。管道运输具有安全、便捷、经济的特点，如今全世界有数百万公里的管道被用来运输大量的淡水、燃料、原油和天然气。在中东地区，管道甚至被看作国民经济的命脉。

分布式光纤传感（distributed fiber optic sensing，DFOS）技术是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型传感技术。DFOS技术具有感测距离长、无源、抗干扰性强、耐久性和匹配性好、易组网等优点，已成为实现分布式监测的首选技术。近些年来，随着国内外对该技术的不断研究，其应用领域不断扩大，在地下管道监测方面显示出巨大的潜力。作为一种硬件法与软件法结合的监测方法，DFOS技术同时拥有2 种方法的优点，并且弥补了两者的缺陷。光纤寿命可达30年以上，能长年累月地监控智慧城市管道安全，后期维护成本低。在监测过程中，光纤既是信号传输介质，又作为监测传感器，真正做到了“传”“感”于一体，具有全天候连续测量、耐久性高、覆盖范围广（可达千米级）、环境适应性强等特点，能够快速、准确地监测到地下管道的微小变化，结合监测软件，可对其作出清晰判断，实现有效预警，因此该技术的应用前景十分广阔。

二、技术原理

目前，应用于智慧城市管道监测的DFOS技术主要包括：

Ø光纤布拉格光栅技术（fiber bragg grating,FBG）；

Ø基于布里渊散射原理的布里渊散射光时/频域反射分析技术（Brillouin optical time-domain reflectometer,BOTDR；Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA；Brillouin optical frequency domainanalysis, BOFDA）；

Ø基于拉曼散射原理的拉曼散射光时/频域反射或技术（Raman optical time-domain reflectometer, ROTDR; Raman optical frequency domain reflectometer, ROFDR）；

Ø基于瑞利散射原理的瑞利散射光时域反射/相位变化技术（ optical time-domain reflectometer, OTDR; phase optical time-domain reflectometer,Φ-OTDR）等。

这几种传感技术因各自原理及传感方式上的差异，在智慧城市地下管道监测方面有着各自的特点，如下表所示：

三、核心技术

1、 入侵识别：

通过提取入侵事件的时频域等特征，利用振动模式识别算法，有效地识别入侵的行为，最终输出入侵告警信息。

2、 振动信号特征识别

振动类型分析基于人工智能识别技术，对收到的信号进行分类处理，通过对监测到的振动声音信号进行强度、节拍、频率、形态等多种分析而得出震源类型，过滤掉干扰及自然信号提取出正确报警信号的。

通过提取振动信号的特征来分析和识别入侵事件：时域信号、频域信号、空间域。

3、AI过滤和误报率处理：

为提高报警准确性与减少误报率，提供信号过滤功能，可将常见环境扰动、人类正常活动及常见干扰信号记录并保存用作常规信号过滤。如：自然风、雨、周边正常行驶的汽车、火车，周边工厂生产加工环境噪音等干扰源进行有效识别，降低系统的误报率，提高运行的可靠性。

4、AI学习预警：

当可能涉及光缆或管道危害事件（如：管道附近施工、人为破坏或盗取、自然灾害等）发生时，其行为产生的微振动对光缆中的光纤产生形变；

系统捕捉该振动信号，进行实时监测和准确定位，并通过模式分析识别振动原因。利用数据分析和历史数据对比，智能识别危险事件的强度和危害性，评估事件级别并根据需要产生报警。

具有对环境引起强振动的及时跟踪和危害评估能力，分辨出对光缆或管道真正有危害的振动隐患，当涉及光缆或管道安全事件发生前，通过声光、短信、APP推送等多种方式将隐患准确位置和信息发送给管理人员，及时进行现场盯防和处理，防患于未然。

四、分布式光纤传感应用于智慧城市管道领域

1、管道监测

Ø 管道泄漏：

通过分布式光纤温度传感和声波传感，利用管道伴行的通信光缆或者新布设光缆。系统实时监测管道全线异常的温度变化和泄漏声波，能够感知管道全线的泄漏并进行秒级别的告警。

Ø 管道变形：

将应变传感光纤贴到管道表面，利用分布式光纤应变传感的原理，光纤可以感知管道的变形，系统能够感知管道本体全线路沉降和扭曲变形。

Ø 管道地质灾害：

通过分布式光纤应变传感，利用管道附近布设的传感光缆，感知受到的土体位移作用，避免管道本体受到挤压，避免管道变形、泄漏甚至断裂。

Ø 管道外力破坏：

通过分布式光纤声波传感，利用管道伴行的通信光缆或者新布设光缆。系统能够感知全线路的管道周围声波，通过AI算法识别车辆经过、人工挖掘、机械施工等多种破坏模式。

2、管廊监测

Ø 管廊沉降和表面变形

通过分布式光纤温度和应变传感，利用新布设的传感光缆，可以实时监测管廊内部四周的应变分布情况。可以长期监测管廊沉降和表面变形的情况，提前预警维护，避免结构破坏。

Ø 管廊周围土体稳定性

通过分布式光纤声波传感，利用新布设的传感光缆收集管廊四周的环境噪声，结合地球物理算法。监测得到管廊周围的声波速度模型，以此监测四周是否有异常的土体空洞，避免管廊结构受到破坏。

Ø 地表开挖预警

通过分布式光纤声波传感，利用新布设的传感光缆。监测光缆附近有害的振动信号，对信号进行模式识别，对高风险的地表挖掘进行监测预警，避免管廊受到结构破坏。