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解決方案

基于分布式光纖傳感的智慧道路與橋梁監(jiān)測

監(jiān)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(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)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(fā),且類型、位置、時(shí)刻難以預(yù)知。但傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)無法有效匹配城市基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度,致使運(yùn)維工作面臨著巨大壓力。

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1 頻發(fā)道路與伴行管線事故

本系統(tǒng)依托分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)“智慧道路”,基于振動(dòng)與應(yīng)變信息,實(shí)時(shí)測量道路及其周邊管線的狀態(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的安全運(yùn)行。

 

原理及系統(tǒng)簡介

產(chǎn)品通過Ada-5000系列分布式光纖微擾動(dòng)場感測構(gòu)建監(jiān)測平臺(tái)。在原理上利用相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)技術(shù)來探測振動(dòng)和應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)外破事件的監(jiān)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(chǎn)生的瑞利背向散射(RBS)信號來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(yīng)速度快,能夠?qū)崿F(xiàn)長距離全分布式的無盲區(qū)傳感,非常適合依托地埋光纜對周邊各類異常振動(dòng)信號進(jìn)行監(jiān)測。

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2 相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)工作原理

通過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度變化,最終實(shí)現(xiàn)外部聲場的重構(gòu)。結(jié)合信號分析,就能夠?qū)饫|附近發(fā)生的施工現(xiàn)象進(jìn)行精確定位以及快速識別,達(dá)到提前預(yù)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安全運(yùn)行的目標(biāo)。

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 3 “智慧道路”監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

“智慧道路”監(jiān)測系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于監(jiān)控機(jī)房或監(jiān)測站,用于光信號的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號,并能夠通過數(shù)字信號分析進(jìn)行事件甄別和報(bào)警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)用模塊,可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)站點(diǎn)對多條線路的輪詢檢測,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。一旦光纖傳感設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常,就可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,聯(lián)動(dòng)線路周邊的視頻監(jiān)控設(shè)備,獲得圖像/視頻數(shù)據(jù)。通過綜合分析平臺(tái),該系統(tǒng)能夠在事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測、準(zhǔn)確定位、智能分析,還可以實(shí)現(xiàn)對事故發(fā)生的預(yù)警, 實(shí)現(xiàn)道路狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知,為運(yùn)維人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

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 4 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜4U尺寸檢測裝置硬件外觀

系統(tǒng)的硬件裝置采用如4所示的標(biāo)準(zhǔn)4U結(jié)構(gòu),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定性強(qiáng),能夠安裝在變電站通信機(jī)房的機(jī)柜內(nèi)。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(nèi)置硬盤矩陣,可以完成長時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,利用網(wǎng)絡(luò)接口和4G無線傳輸,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。

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5 基于B/S架構(gòu)的外破信息展示

系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對采集得到的振動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)清洗,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模式識別模塊,分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機(jī)械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)事件,再匹配線路數(shù)據(jù)與相關(guān)閾值參量,形成如6所示實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù),并能夠通過B/S架構(gòu)的軟件界面進(jìn)行遠(yuǎn)程展示與查詢。

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6 報(bào)警閾值的本地化自適應(yīng)設(shè)置

為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性,系統(tǒng)軟件將根據(jù)布設(shè)地點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)線纜周邊環(huán)境背景噪聲特性,自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)調(diào)整報(bào)警閾值,提高設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試的效率如圖6所示。

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 7 外破事件的精準(zhǔn)識別

系統(tǒng)對振動(dòng)信號的時(shí)域特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究信號的形態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律,抽取短時(shí)能量、平均過零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農(nóng)熵典型特征量作為信號判斷和識別的依據(jù),結(jié)合譜減、自適應(yīng)濾波等噪聲抑制方法,能夠有效降低虛警率。系統(tǒng)一方面能夠實(shí)現(xiàn)對單條線路或多條串/并聯(lián)線路的監(jiān)控,形成立體的監(jiān)控體系,另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對道路隱患點(diǎn)的全流程管控,做到線面結(jié)合。系統(tǒng)軟件通過架設(shè)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(jiān)測裝置主機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果連接到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心,實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)列表,供GIS模塊展現(xiàn)及相關(guān)管理人員瀏覽監(jiān)測運(yùn)行日志,以事件為單位實(shí)現(xiàn)對每個(gè)隱患點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、處理全流程管控。同時(shí)利用移動(dòng)端APP軟件,能夠?qū)崟r(shí)發(fā)布、接收事件預(yù)警信息。通過監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同享,可及時(shí)推送故障預(yù)警信息,并可安排距離最近的人員快速達(dá)到現(xiàn)場,避免事故發(fā)生,并可通過遠(yuǎn)程終端指導(dǎo)運(yùn)維檢修,實(shí)現(xiàn)信息的移動(dòng)互聯(lián)。

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 8 基于GIS信息展示、移動(dòng)端信息推送智能巡檢平臺(tái)

依托本系統(tǒng)可以有效降低人工查巡工作量,提高故障搶修的效率。系統(tǒng)設(shè)備安裝在機(jī)房,采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數(shù)據(jù)通訊,無需在現(xiàn)場額外加裝傳感器和供電電源,且全線路無盲區(qū)。系統(tǒng)軟件提供檢測預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問接口,以備用戶二次開發(fā)與集成。系統(tǒng)所構(gòu)建的“線面結(jié)合、移動(dòng)互聯(lián)” 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu),可極大降低事故發(fā)生率和巡檢的工作強(qiáng)度,提升工作質(zhì)量,是道路運(yùn)維水平的又一次提升!

 

系統(tǒng)特點(diǎn)

無需停電安裝、無需沿線巡視、無需專人蹲守、無需盯監(jiān)控屏

具備監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力(30天以上);

能展示沿線GIS地圖;

具備沿線異常信息的即時(shí)展示;

具備沿線隱患預(yù)警推送功能;

支持特征數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程更新、配置與調(diào)試

通信具備遠(yuǎn)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(shù)據(jù)傳輸方式

 

技術(shù)指標(biāo)

傳感光纖數(shù)量要求:每個(gè)電纜通道1芯

傳感光纖模式要求:單模光纖

光纖接口:FC/APC

工作電源:AC220V/ 50HZ

功耗:<150W

單路監(jiān)測距離:40km

監(jiān)測線路數(shù)量:2

空間分辨率:10~50m

定位偏差:<50m

垂直振動(dòng)感測距離(中型拖拉機(jī)底盤)>35m

響應(yīng)時(shí)間:<5s

事件識別類型:人工挖掘風(fēng)鎬等小型作業(yè)機(jī)械、夯機(jī)等大型作業(yè)機(jī)械

數(shù)據(jù)文件格式:CSV格式

數(shù)據(jù)訪問方式:B/S或C/S方式

通訊接口:WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/GPRS/CDMA/SMS等無線通信接口;網(wǎng)絡(luò)接口(RJ-45),可接入光纖傳輸單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式:以數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)

軟件運(yùn)行環(huán)境:Windows 10

 

典型監(jiān)測方案

1、 路面塌陷監(jiān)測

根據(jù)路面塌陷成因,路面塌陷監(jiān)測采用分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)對路面塌陷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,沿監(jiān)測道路中央,路基土層3cm下方直線埋設(shè)鎧裝應(yīng)變監(jiān)測光纜,易產(chǎn)生塌陷區(qū)域(城市供水管道接頭處、閥門處供氣管道接頭處、閥門處等)監(jiān)測光纜采用正弦曲線方式敷設(shè),見圖9

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9 道路塌陷監(jiān)測光纜敷設(shè)示意

由于自然因素或人為因素,在路基下方土體出現(xiàn)松動(dòng)的地方,路基下方的監(jiān)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(jiān)測光纜受力保持不變,受力發(fā)生變化的光纜的應(yīng)變發(fā)生變化,這樣通過計(jì)算應(yīng)變的變化量就可以計(jì)算出監(jiān)測光纜的拉伸量,進(jìn)而計(jì)算出路面的下沉變化量。通過連續(xù)記錄路面下沉變化率,可以預(yù)測路面塌陷的概率。再根據(jù)光纖測距原理和地理信息可以準(zhǔn)確定位路面塌陷位置。

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10 分布式定點(diǎn)光纜&金屬基索狀應(yīng)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(yīng)變感測光纜植入路基中,監(jiān)測路基路面形變。

 

2、 邊坡健康綜合監(jiān)測

邊坡防護(hù)分為工程護(hù)坡和綠化護(hù)坡兩種,工程護(hù)坡會(huì)隨著時(shí)間流逝,工程件老化導(dǎo)致防護(hù)能力下降;綠化護(hù)坡會(huì)在特別惡劣的氣候條件出現(xiàn)瞬間崩潰的情況。采用光纖傳感方式進(jìn)行邊坡防護(hù),可及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部自然結(jié)構(gòu)發(fā)生的微小結(jié)構(gòu)變化。

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11邊坡災(zāi)害綜合示意圖

對邊坡健康綜合監(jiān)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(yīng)變數(shù)據(jù)。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(jié)構(gòu)與人工結(jié)構(gòu)交接面的應(yīng)變數(shù)據(jù)。第一種方式可以分析出歷史應(yīng)變變化趨勢,對結(jié)構(gòu)災(zāi)變時(shí)間進(jìn)行預(yù)測;第二種方式可以監(jiān)測當(dāng)前自然結(jié)構(gòu)微小應(yīng)變集中的區(qū)域,對結(jié)構(gòu)災(zāi)變的范圍進(jìn)行估計(jì)。通過對這兩種主要布線方案采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間及災(zāi)害程度進(jìn)行預(yù)測。

 

3、 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

對于盾構(gòu)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(jié)構(gòu)變形,其中前者占主要。當(dāng)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(cuò)位等變形,通過監(jiān)測隧道拱頂?shù)淖冃?,可對隧道沉降進(jìn)行整體的把控。

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a 縱向布線示意圖             b 光纜壁掛示意圖

12隧道內(nèi)壁光纖布置方案示意圖

隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其力學(xué)特點(diǎn),需要將光纖如圖12所示布置在隧道內(nèi)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(cè)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,橫剖面布線為了獲得隧道局部的詳細(xì)周向應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過縱橫交錯(cuò)布線,可實(shí)現(xiàn)隧道進(jìn)行網(wǎng)格化監(jiān)測,便于及時(shí)處理隱患。

 

4、 公路橋梁健康安全監(jiān)測

橋梁監(jiān)測主要關(guān)注在荷載情況下,其應(yīng)變和溫度分布情況。利用分布式光纖傳感系統(tǒng),結(jié)合鋪設(shè)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。通過振動(dòng)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(lián)動(dòng)視頻裝置捕捉車輛牌號,建立超重車輛黑名單。利用應(yīng)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(jié)果再結(jié)合定位系統(tǒng)與微氣象觀測站,可以準(zhǔn)確反映橋梁對應(yīng)位置及橋梁整體發(fā)生的形變,為橋梁結(jié)構(gòu)健康評估提供有力的依據(jù)。

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13路橋梁健康安全監(jiān)測方案示意圖

 

5、 地埋管線外破監(jiān)測

道路2側(cè)地埋的伴行管線,如通信管、污水管、燃?xì)夤堋⑼ㄐ啪€路、輸電線路等,非常容易受外力破壞或由于自身老化而發(fā)生事故。通過伴行的既有通信光纖或?qū)iT敷設(shè)的傳感光纖,結(jié)合分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù),可以對各類異常進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲與識別。如圖14所示。

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14伴行管線監(jiān)測方案示意圖

例如供水管、燃?xì)夤艿男孤稌?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)。外部工程車輛的抵近施工,其底盤或操作臂也會(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(shù)可以監(jiān)測波長量級(微米)的動(dòng)態(tài)形變,將非常容易清晰捕獲這類振動(dòng)信號。

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15自然環(huán)境噪聲與泄露事件頻率差異

不同類型的振動(dòng)事件反映在瑞利散射信號特征是有差異的,可以根據(jù)信號特征的差異判別振動(dòng)事件類型。自然環(huán)境中噪聲一般為低頻寬譜噪聲。油氣等運(yùn)輸管道中的氣體壓強(qiáng)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(jù)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。

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15多種振動(dòng)事件特征判別示意圖

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

 

 


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