——分布式光纤传感技术高效排查空洞隐患

    借助运营商的光纤接入光纤调制解调设备，继而优化算法，监测道路空洞……近日，东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程中心（以下简称中心）的科研人员们穿梭在南京街头和光纤接入机房，运用分布式光纤传感技术，为道路“做CT”，以防道路塌陷。

    近年来，城市道路塌陷灾害在部分地区发生。自2022年起，中心开始研发分布式光纤传感技术，通过既有光纤接入光纤调制解调设备，接收、分析通过光纤散射光还原的振动信号，从而为排除道路隐患提供技术支撑。

    “我们希望，通过一根光纤，就能够全天候监测道路地下空洞。”中心主任助理吴栋在接受科技日报记者采访时说。

    光纤传感叠加算法，把脉道路不同“病症”

    “当前，探地雷达是探测地下空洞的主要手段。这种方法能够精确探知地下空洞的位置、深度和尺寸。但在实际使用过程中，该方法采购费用和服务费用均较高，探测速度较慢，且受地下水影响，难以大面积推广。”吴栋介绍，目前急需寻找一种能够扩大传感器监测范围，降低传感器布设成本，实时、准确、动态感知城市基础设施振动、温度、应变的监测感知网络。

    而光纤是中心科研人员的首选。

    光在光纤中传播时，受光纤状态及光纤周边环境影响而发生变化。利用光瑞利散射、布里渊散射等原理，可以对光纤周边的振动、应变、温度进行测量、分析和定位。

    “具体来说，就是将光纤接入光纤调制解调设备。由于光纤材料的密度、折射率等光学性质存在微观不均匀性，光在光纤中传播时会发生散射。”吴栋介绍，当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中的散射光相位会随之变化。

    “光信号散射回光纤调制解调设备后，会被还原成振动信号。这些振动信号各有特点。我们为这些特定场景构建了‘声纹库’，当道路发生空洞、遭遇破坏性施工或者雨污管线发生结构性破损时，光纤的振动、应变、温度信号都会有差异。后台的计算机算法通过‘声纹库’比对，就能知道道路出了什么问题。”吴栋举例，当车辆通过道路时，光纤每个采样点可采集到车辆通过的振动信号，而地下空洞点位的信号与正常点位信号相比存在更大衰减，因此通过光纤振动信号分析可有效监测道路空洞。

    目前，该团队研发的光纤振动分析算法能识别的作业行为主要有挖掘机砸地、风炮作业、切割机作业、夯机作业、顶管机作业等。

    开展道路实验验证，监测准确率达85%

    为验证监测方案的可行性和科学性，2023年，科研团队选取了南京市御道街一条2公里的道路进行实验测试验证，结果发现道路两侧外侧车道有密集分布的小规模空洞，最小空洞直径为1米左右，预计总数量超过30处。

    “我们将测试结果数据与市政道路养护数据对比后发现，监测总体准确率达85%。当然，空洞主要为市政窨井。南京并不是道路空洞高发的城市。”吴栋说。

    施工监测的验证结果，也让科研团队倍感振奋。

    2022年11月2日，分布式光纤感知监测到，13时36分至13时42分，南京德基广场二期东侧停车场入口附近有工程机械破碎作业。项目组成员随即赶至停车场入口现场确认，发现在围挡中确有挖掘机作业。

    若要感知道路隐患，选取的监测点越密集越好。吴栋介绍，分布式光纤感知技术目前可以实现40公里连续的感知信息获取，风险定位误差在米级以内。如今，团队对于光纤常规监测点的间隔距离设定为10米，一旦发现信号异常，还可以加密监测点，以便更精准地找到道路隐患点。

    “更重要的是，运用分布式光纤感知技术，无需破路施工，只需将运营商已有的通讯光缆中的光纤接入感知设备，就可以进行监测。一般3至5年内根据需要升级布设在机房中的硬件设备即可，非常便于维护。”吴栋说，目前，团队已经在无锡、苏州昆山、宿迁等地布设分布式光纤传感设备、调试算法。下一步，他们将进行区域示范，力求不断提升道路空洞等不良事件的识别精度，同时降低使用成本。

    除了城市道路，分布式光纤声波传感系统在其他场景中也能“施展拳脚”。吴栋介绍，城市雨水管、污水管经常发生一些结构性破坏，现有技术手段一般需要将管道排空、冲洗干净，由管道机器人进入拍摄，再由人工判断是否存在“病害”，效率低、成本高。

    而依托分布式光纤声波传感系统，通过管道光纤，接收沿管道传播的振动信号，遇到脱节、虚接、错口等结构性缺陷，振动特征会发生变化。因此，通过提取振动特征，就能发现“病害”所在。

    “未来，分布式光纤声波传感系统可搭载施工作业及设备类型识别、道路空洞监测、雨污管线检测等多重算法，满足城市基础设施安全运行监测的多场景业务需求，为城市安全保驾护航。”吴栋说。