光纖傳感探測道路空洞會議匯報終稿(2).pdf

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1、分布式光纖傳感技術探測道路空洞江蘇東印智慧工程技術研究院執行院長 吳棟目錄一、背景介紹二、技術路線三、實驗驗證四、智慧系統平臺五、拓展應用江蘇東印智慧工程技術研究院2一、背景介紹江蘇東印智慧工程技術研究院3江蘇東印智慧工程技術研究院4一、背景介紹道路塌陷隨著城市化快速發展，近年來城市道路塌陷災害進入集中爆發期，給人民生命財產帶來重大損失。經不完全統計，2018年4月至2019年5月一年時間內共發生244起城市道路塌陷事故。特點l 分布廣l 成因復雜l 突發性強l 隱蔽性強成因l 工程施工l 交通荷載l 地質條件l 地下水影響等江蘇東印智慧工程技術研究院5一、背景介紹道路塌陷主要由道路地下空洞引

2、起。當前對地下空洞的探測手段主要由以下6種：道路塌陷的探測手段序號探測方法精度效率實施條件抗干擾性1探地雷達法高高接觸式無損周邊金屬干擾2高密度電阻率法一般低插地式破損地下電流干擾3瞬態面波法較高低接觸式無損振動干擾4微動探測法一般高接觸式無損振動干擾5地震映像法較高高接觸式無損振動干擾6瞬變電磁法一般較高接觸式無損電磁干擾其中探地雷達法目前應用較為廣泛，是道路空洞探測主要方法，具備高精度，易開展，無損探測的優點。江蘇東印智慧工程技術研究院6一、背景介紹當前探測手段存在不足探地雷達法是道路地下空洞探測的主要手段，能夠精確探知地下空洞的位置、深度和尺寸。但是實際使用過程中，也存在實施上的困難，難

3、以大面積推廣：成本高三維探地雷達采購費用和服務費用均較高，大規模推廣困難。速度慢常規探測速度為1km/天，城市道路路網密集，探測量過大。判讀難探地雷達數據必須專業人員精確判讀，且同樣耗時較長。地下水影響大對于地下水水位高區域，地下水影響地下空洞判讀。江蘇東印智慧工程技術研究院7一、背景介紹大多數城市針對道路基礎設施，主要采用人工日常巡檢方法對道路狀況進行監測，對部分重點路段補充定期探地雷達檢測。傳統的視頻監控、人工巡檢等方式無法全方位覆蓋道路基礎設施的實時監測需求，目前道路監測領域缺少全域、全時段的實時監測手段。當前探測手段存在不足人工巡檢重點路段探地雷達道路全域全時段實時監測分布式光纖聲波傳

4、感系統（DAS）利用既有通信光纖作為傳感器，實現道路全域實時探測。二、技術路線江蘇東印智慧工程技術研究院8江蘇東印智慧工程技術研究院9二、技術路線分布式光纖傳感系統（DAS）光在光纖中傳輸時，由于光纖材料的密度、折射率等光學性質存在微觀不均勻性，入射光會產生散射現象。當環境溫度變化或光纖產生形變時，光纖中的散射光相位會隨之變化，且其變化與光纖周圍的溫度和軸向應變成線性關系?？赏ㄟ^提取位置該不同時刻的信號并解調，實現外界物理量的數據測量和采集?；驹砻?0米的光纖段都是一個采樣點位散射光的相位變化江蘇東印智慧工程技術研究院10二、技術路線分布式光纖傳感系統（DAS）探測道路空洞的基本原理運營商

5、既有通信光纖一般沿道路埋設于一側。當車輛通過道路時，光纖每個采樣點將采集到車輛通過的振動信號。地下空洞附近點位的信號將與非空洞點位信號存在差異。既有通信光纖車輛行駛振動信號被光纖接收地下空洞不同測點采集到振動信號會存在差異江蘇東印智慧工程技術研究院11二、技術路線分布式光纖傳感系統（DAS）探測道路空洞的優勢DAS具有無源、全天候、連續測量等鮮明特點，在各種大型設備、施工過程、軌道交通等均具有一定的可用性優勢，是未來智慧城市建設的重要基礎技術手段之一。分布式聲傳感技術利用光纖作為傳感載體，“傳”“感”合一，具有耐久性高、免維護、壽命長、低成本等天然優勢。優勢方面優勢介紹長距離 數十公里連續的信

6、息獲取，例如火情、通風狀態等，空間分辨率在米級全尺度實時測量所有通道的幅度、頻率、相位等全方面的信息低成本單模光纖，成本較低，高性價比，可使用現有已安裝的普通光纖廣應用為各應用領域提供聲音或振動信息小尺寸組網能力強江蘇東印智慧工程技術研究院12二、技術路線分布式光纖傳感系統（DAS）的系統架構系統平臺光纖可視化展示頂層：應用層中層：數據層底層：物理層算法分析與預警數據采集與解調高風險點位預警風險統計信息振動特征庫江蘇東印智慧工程技術研究院13二、技術路線分布式光纖傳感系統（DAS）的系統架構本系統主要由光纖數據采集、傳輸、存儲、識別及顯示等模塊組成，實現了在監測范圍內的目標信息的采集、傳輸及識

7、別等功能。l光纖振動監測儀：對光信號的調制及解調，獲得對應的振動信號 l系統軟件：根據應用需求對振動信號解析、模式識別、提出報警信息l客戶終端：用戶接收報警信息江蘇東印智慧工程技術研究院14二、技術路線國外案例：瑞士omnisens聲傳感DAS事件識別實例DAS設備n 10 m 定位精度n 5m范圍內人類活動識別n 10m范圍內機器活動識別特征信號提取第三方施工信號變化顯示瀑布圖識別事件車輛行駛識別管線破損識別地面墜物識別高頻特征信號提取三、實驗驗證江蘇東印智慧工程技術研究院15江蘇東印智慧工程技術研究院16三、實驗驗證無空洞路段振動信號監測示例光纖空中架設平坦公路商業區居民區辦公區平坦公路n

8、 路段位于江蘇省南京市n 路線約15公里n 沿路布設光纖約18公里n 途徑商業區、居民區、公路等多種不同功能區域n 部分路段的光纖架設于空中光纖路徑確定光纖點位標定江蘇東印智慧工程技術研究院17三、實驗驗證無空洞路段振動信號監測示例n 線路平均損耗約1.41dB/km，符合監測需求n 熔接質量較好的光纜損耗可達到1dB/km以下光強衰減測試確定光纖信號可用江蘇東印智慧工程技術研究院18三、實驗驗證無空洞路段振動信號監測示例空中光纖平坦公路（車流量少）平坦公路（車流量多）居民區施工現場（作業中）施工現場（基本完工）商業區辦公區人為敲擊光纖事件（此處繪圖局部拉伸）光交站光交站車輛軌跡夯土機風致振動

9、重載車輛l時域圖存在明顯的區域特征，能很好反映道路附近不同事件l光交站引起的基底噪聲覆蓋全時段l人為敲擊、夯土機、風致振動均能引起光纖信號的劇烈變化l車輛軌跡、車流量、車輛速度、重車等均能夠較好觀測到示例監測時長：8分鐘江蘇東印智慧工程技術研究院19三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析路段選擇：蘇源大道（秣周東路-真武路），道路存在多處窨井，以窨井模擬地下空洞。江蘇東印智慧工程技術研究院20三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析12345678910、11121314151617，181920212223242526實地驗證：該路段的機動車道路面存在多個窨井，深度不一江蘇東印智慧

10、工程技術研究院21三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析：時域分析979、980975971967965964960958955953949948947944940935931929926923919918時域圖特征：l各點位信號接收能力不一致l相同路面事件導致的幅值差異較大l振動幅值瀑布圖大致呈分段式豎向條帶監測時長：5分鐘時域標注空洞位置后：l道路空洞的分布情況與時域圖能夠一一對應l道路空洞對應的監測點位，其振動幅值普遍較小監測指標：各點位振動幅值江蘇東印智慧工程技術研究院22三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析：頻域分析頻域圖特征：l各點位信號接收能力不一致l不同點位振動能

11、量分布不同l頻域能量瀑布圖大致呈分段式豎向條帶標注空洞位置后：l道路空洞的分布情況與頻域圖能夠一一對應l道路空洞對應的監測點位，其振動能量更集中050Hz的低頻段，高頻信號難以接收到監測指標：各點位振動信號頻域能量分布979、980975971967965964960958955953949948947944940935931929926923919918監測頻率：0200Hz江蘇東印智慧工程技術研究院23三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析：分時對比11月8日 夜間23點15分11月9日 凌晨1點30分11月9日 凌晨3點30分不同時間段（車流量較小的夜間）驗證：信號特征基本一致江蘇

12、東印智慧工程技術研究院24三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析：有無空洞路段對比無空洞路段有空洞路段l 無空洞路段，地下土體分布均勻，各點位信號接收情況趨近一致，車輛軌跡能較好識別。l 有空洞路段，因氣體介質的振動傳播能力遠低于固體介質，較高頻段的振動信號被濾除，低頻振動信號經周邊擴散接收，導致其整體幅值較小，因而瀑布圖呈現條帶狀，車輛軌跡難以直接識別。江蘇東印智慧工程技術研究院25三、實驗驗證有空洞路段振動信號監測及對比分析：有無空洞路段對比典型道路空洞處，由于空洞作用，車輛通過造成的振動，時域圖上存在明顯條帶狀斷點，可判定空洞位置。典型空洞路段內，車輛通行振動數據展示四、智慧系統平

13、臺江蘇東印智慧工程技術研究院26江蘇東印智慧工程技術研究院27四、智慧系統平臺江蘇東印智慧工程技術研究院28四、智慧系統平臺江蘇東印智慧工程技術研究院29四、智慧系統平臺城市生命線光纖感知分析系統：可以有效監測光纖周邊的實時情況，準確把握動態。實現三維可視化、統計分析、振動數據分析、多事件預警等功能。通過對基礎信息的集成、控制和利用，為城市安全管理提供有效的技術保障。江蘇東印智慧工程技術研究院30四、智慧系統平臺對光纖感知到的道路空洞等高風險事件進行預警，并展示預警點位位置信息，供管理單位核查校驗。五、拓展應用江蘇東印智慧工程技術研究院31江蘇東印智慧工程技術研究院32五、拓展應用路域第三方施工破壞第三方施工破壞長距有壓管道燃氣泄漏長距有壓管線泄露重車識別、車流識別重車識別交通軌跡識別交通軌跡識別積淹水監測積淹水點位長期監測道路空洞監測廣域長時道路空洞監測管道定位隧道火災監測市政管道探測定位隧道火災長期全域監測感謝觀看