基于分布式光纤传感技术的城市道路挖掘智能监控系统

田俊杰



基于分布式光纤传感技术的城市道路挖掘智能监控系统

田俊杰

（上海市信息管线有限公司，上海 200032）

系统旨在研究利用信息技术、物联网技术实现对道路挖掘的实时监测，及时发现非法掘路。作为智慧城市建设的有益组成部分，这些技术能有效提升城市的智能感知、安全管理等能力，基于大数据的城市治理，有利于解决信息不对称、响应不及时等问题，有效推动城市管理的精细化与智慧化。

光纤传感技术；道路挖掘；DOVS；智慧城市

1 背景

当前，新一轮信息革命正引领人类从工业社会快速向信息社会、共享社会演变，全面影响和重塑整个社会的生产生活方式，社会治理能力已成为衡量一个国家和地区的重要指标[1]。随着经济社会的加速转型升级，坚持创新绿色的新发展理念及以人为本的价值导向，大力提升城市管理能力成为核心任务，也成为推进国家治理体系和治理能力现代化战略的重要组成部分。同时，我国新型智慧城市试点示范逐步推进，进一步加强对城市管理智慧化水平的研究更具有现实意义，为确保城市运行安全提供支撑。

2 掘路管理现状

长期以来，相关部门对城市市政道路挖掘、施工有着严格的管理制度，其主要的目的是对工程的有序和安全推进进行有效监管，确保城市居民的正常生活秩序和城市的正常运转[2]。以上海市为例，每年初各建设单位对年内大型掘路项目进行申报，由市政局通过综合协调、平衡后制订工程实施计划俗称掘路计划，具体由市市政处、区市政署按计划核发掘路执照后实施和执行。即便如此，但在实际运作过程中依然存在着不少的现实问题：①工程不确定性。不能按照计划时间节点掘路施工，由于资金的不到位、工程未正式立项等原因造成计划下发后难以执行和执行率偏低。②无证违章掘路现象严重。部分建设单位未经许可擅自挖掘、未按照掘路执照许可范围进行施工、擅自超期限挖掘，且不进行相应的报备。③道路管理巡查不到位，巡查后执法效率不高。目前，部分管理执法部门由于人员编制不足等原因存在巡查不足的问题，这将会使占掘路违法行为不能及时被发现，给违法建设单位偷掘私掘道路留下可乘之机。巡查及巡查后的执法效率较低的问题使得失去对违法掘路行为的震慑和威慑作用。④缺乏有效的技术有手段及时发现违法掘路，不能及时阻止这些违法行为，让这些违法掘路行为得不到监管。

这些问题对城市的安全运行、市政道路设施和地下管线的保护、道路交通秩序带来巨大威胁，时常发生因违法掘路造成的燃气爆管、自来水爆管等事故，造成了不良的社会影响，也给百姓的生命财产安全带来了损失。

3 系统的总体思路

本系统立足于已有的产品基础和应用基础，采用物联网技术和信息技术，结合光纤传感设备、传输系统、GIS平台等物联网系统感知层、传输层和应用处理层的关键技术，探索应用模式，形成以DOVS连续分布式光纤振动传感技术为核心的信息感知、收集、分析处理、智能联动的城市道路挖掘智能监控系统，实现对城市市政道路外力破坏引发的沿线光缆振动信号实时信息采集和在线监控。

基于理念先进、多信息融合的分布式光纤传感的危险源识别算法等核心技术，完成光纤振动信号的特征分析、数据库建立以及自动识别出路面挖掘行为。与已有的相关部门掘路管理平台进行深度整合，自动判别城市道路上的非法挖掘行为，并发出告警，为城市道路挖掘工程的监管和执法提供可靠的技术基础。将挖掘告警信息实时共享给道路及地下管线设施的相关管理单位，通过挖掘信息与这些设施信息的比对及时发现安全隐患排除隐患，确保挖掘过程中对道路和相关的地下管线设施的保护。

4 可行性分析

目前，系统中涉及的相关关键技术已得到成熟应用，比如利用分布式光纤振动传感技术开展通信管网防入侵、防挖破坏的相关项目也已经实施，并达到了既定目标。

4.1 DOVS多功能光纤传感信号解调技术

物联网具有远距离、大规模、低成本、无人值守、环境复杂、供电受限等特点，对传感器体积、成本、功耗、抗干扰能力提出了更高的要求。尤其是在城市地下基础设施应用环境中，感应雷击、电磁干扰、积水浸泡、污秽腐蚀等对机电式传感器信号稳定性和工作寿命造成严重威胁。利用光缆自身的光纤作为传感器，DOVS连续分布式多功能光纤传感信号解调技术主要是对光纤扰动进行在线实时探测。在光缆某处发生入侵或扰动时，当前时刻与前一时刻的光学信号比较，通过小波分解、奇异信号检测等方法对干扰信号进行检测及定位。从光纤中不同部分反射回来的瑞利散射光同时到达光探测器而发生干涉，可以探测光纤微弱的扰动；以一个相干光源为参考，背向散射的信号的相位变化为当前光纤应变量，可推算振动强度；结合激光脉冲发射后的散射信号返回时间，就可以推算其发生距离。DOVS连续分布式光纤振动信号解调可以实现多个同步测量通道，每个通道可以对60 km光纤的振动谱信号进行实时、无盲区监测并同时对光纤的不同部分进行监测。DOVS连续分布式多功能光纤传感信号解调技术原理如图1所示。

4.2 基于光纤传感的危险源识别算法

振动波传输的影响因素有距离因素和传输介质因素，距离越近损耗越小，尖峰效应越明显；反之效应越差。在硬质材料的介质内传输损耗小，尖峰效应明显；反之效应较差。方案中监控所用的光纤都是敷设于已建成的通信管道中，管道的材质有钢管、PVC/PE、硅芯管，这些管道材质的硬度各不同，管道所处的土壤环境、道路材料也不尽相同，这些均影响着振动波的传输。管道的埋设施工方式有开挖施工和非开挖定向钻施工等，开挖施工敷设的管道由水泥包封，而非开挖的施工采用拖拽的方式将硅芯管从一端拉向另一段，没有做包封处理，因此，施工埋设方式也影响到了振动波的传输。综合考虑这些因素已经研发出一套对光纤振动波普识别的算法，能有效地滤除复杂城市环境下道路正常行驶车辆的杂波，准确地提取大型挖机、打桩机、镐机等设备挖掘的振动波信号。

2016年浦东新区张江路/蔡伦路路口挖掘施工监测波普如图2所示。

图1 DOVS连续分布式多功能光纤传感信号解调技术原理图

图2 2016年浦东新区张江路/蔡伦路路口挖掘施工监测波普图

4.3 相关技术的应用

相关技术已经应用于城市集约化信息基础设施运营安全监控管理、国防边界防入侵等领域中。在城市集约化信息基础设施运营安全监控管理中采用分布式光纤传感技术建设面向信息基础设施的监控管理系统，使信息基础设施监管从“事后抢修”到“预防为主，防抢结合”，在通信管线遭受道路挖掘引起的损坏之前发出预警，给维护人员留出处理时间，最大程度上避免线路中断和通信故障的发生，进一步提高光纤通信的可靠性和安全性，建立完善的安全防御机制，合理利用集约化资源，最大程度上创造社会效益。

4.4 光缆敷设逐步向地下转移

为了城市的市容美观整洁，大部分城市也启动对“架空线入地”的整治，使得道路沿线光缆的覆盖率得到明显提升，为系统的实施提供了传感光纤、在城市道路高比例覆盖的有利条件。

5 系统总体架构

基于分布式光纤传感技术的城市道路挖掘智能监控系统的设计面向服务的架构（SOA），采用分层设计，在对各子系统的横向应用逻辑的基础上，针对各子系统里面的基础功能模块采用通用组件及服务的方式设计，在此之上再搭建与道路挖掘监管密切相关的业务组件和服务。这样的设计方法既保证了基础功能模块的完整性，又易于扩展业务功能模块。系统的总体架构包括地下设施、现场层、资源层、管控层4个层次，它们相互联系，形成一个有机的整体，具体如图3所示。

图3 方案的总体架构

5.1 地下设施

地下设施是城市道路的组成部分，利用道路沿线的通信管道及里面的光缆作为传感器端，整条光缆的每部分都是传感器的一部分。

5.2 现场层

选取监控道路中光缆的一芯用作传感，DOVS调节仪为传感信号的采集处理前端设备，利用实时监测波普信号处理系统对信号进行分析、提取有用信号、识别挖掘信号，反馈挖掘类别和位置等信息。

5.3 资源层

资源层包含IT基础设施资源、数据资源、平台资源3部分。其中，IT基础设施资源有机房、存储设备、计算资源、网络和安全防护；数据资源有城市基础地图和道路GIS数据、挖掘工程监管业务数据、各设备设施的台账等；平台资源有现有的掘路管理平台、GIS平台、数据交换平台。

5.4 管控层

管控层包含监管单位的应用、执法单位的应用和数据共享接口。监管单位主要使用可视化的掘路监管平台实施掘路智能化监控，执法单位依据监控数据执法，各管线单位、城市应急单位、智慧城市等方面均可通过数据接口获取实时的监控结果数据来开展应用。

6 系统网络架构

图4 方案的网络架构

基于分布式光纤传感技术的城市道路挖掘智能监控网络基于城市公共光纤网组建。DOVS解调仪实时从监控用光芯收集其返回的信号，并进行前端的信号数据处理，识别出光纤振动、挖掘等信息；各前端传感设备服务器通过专线接入管理部门核心服务器。依据系统的分级管理模式，实时监控信息逐级处理，并将操作指令和相关信息下发到执法等单位。管理部门内部的系统应用均为专线网络，共享至政府部门的数据通过VPN网络，社会单位或无政务网的单位可使用防火墙等安全措施后通过Internet网络实现数据共享。

7 技术路线

7.1 总体技术架构

方案的总体技术架构如图5所示。

系统逻辑上，从下到上依次分为基础层、数据层、平台层、逻辑层、应用层5个层次，分别完成以下功能：①基础层。包括计算机网络硬件基础设施、光纤网络、基础支撑软件平台，比如操作系统、Dot Net4.0类库、Apache等，为上层提供基础支撑。②数据层。系统以Oracle、文件系统和基于空间数据库的GIS平台为支撑，进行海量数据的管理，为上层业务应用，提供有力支持。③平台层。平台层包括ArcGIS平台、Java EE等开发平台。④逻辑层。逻辑层对业务进行抽象，通过服务组件框架、服务数据对象，以WebService、GIS Service、Java组件、.NET组件的形式进行封装，为上层的业务应用提供可复用的服务支持。⑤应用层。通过利用信号处理系统、可视化监管平台、数据交换平台提供的功能，可快速地对道路挖掘行为进行获取、定位、检索查询和监管分析，为相关职能部门在监管、执法、决策等方面提供支持。

图5 方案的总体技术架构

7.2 采用面向SOA架构的应用服务模式

WebService的应用不仅是基于网络环境的新兴应用模式，还是进行数据共享和信息集成的有效机制。从应用领域的角度来看，复杂的应用连接和程序代码造成了应用的维护代价和更新代价过高，而WebService正好能较好地解决这一问题，成为目前应用环境中最为合理的解决方案技术。从中间件发展到目前的WebService是一种基于Internet的发展需求。我们可以将WebService简单理解为对已有中间件技术的更高层次的封装。其业务逻辑和方法的实现还得依赖于底层的CORBA、.NET等技术。将统一建立应用服务层，内容包括数据集成服务、应用集成服务、报表服务、GIS服务等，在此基础上构建各系统，提高应用系统构建效率，方便系统维护和升级。

7.3 用大型关系数据库管理海量数据

传统GIS图层的维护管理是采用文件服务器的方式来实现的，在用户管理安全性方面与数据库相比存在很大的差距。采用空间数据引擎（ArcSDE）可以轻松实现空间数据库（GeoDatabase）与大型关系型数据库的连接访问，图形、数据的显示、查询、编辑十分迅速。

7.4 数据融合技术

本系统的数据平台融合是通过对空间分布的多源信息及各种光纤传感器的采样，对所关注的光纤路由进行检测、关联、定位和综合等多功能处理，以更高的精度、概率或置信度得到道路的状态和保持完整，及时地将态势提供给管理者决策。系统基于多技术、多平台所建的系统，涉及的技术广、数据类型多。系统涵盖卫星定位技术、GIS技术、无线数据传输、海量数据存储技术、分布式光纤传感技术等，数据包括城市基础地理数据、道路GIS数据、光纤路由数据、实时监控数据、挖掘监管业务数据、现场管理者的实时位置数据等。系统的数据交换平台实现数据融合，其关键问题是数据转换、数据相关、态势数据库等。

7.4.1 数据转换

由于各平台系统传感器的数据形式、结构等都不一样，数据融合中心为了综合处理这些不同来源的信息，首先必须把这些数据转换成相同的形式之后才能进行相关处理。数据转换的难度在于，不仅要转换不同层次之间的信息，而且同样需要转换描述或说明的不同之处和相似之处。即使是同一层次的信息，也存在不同的描述或说明。

7.4.2 数据相关

数据相关的核心问题是如何克服传感监测的不精确性和干扰等引起的相关二义性，即保持数据的一致性；如何控制和降低相关计算的复杂性，开发相关处理、融合处理和系统模拟的算法和模型。

7.4.3 态势数据库

态势数据库可分为实时数据库和非实时数据库。实时数据库的作用是把当前各传感设备、智能终端设备的测量数据及时提供给融合处理，并提供融合处理所需要的各种其他数据。同时，也储存融合处理的最终决策分析结果和中间结果。非实时数据库储存传感设备、智能终端设备、基础设施资产的历史数据、有关道路挖掘源识别的参照数据和融合处理的历史信息。态势数据库所要解决的难题是容量要大、搜索要快、开放互联性好，并具有良好的用户接口，因此，要开发更有效的数据模型、新的有效查找和检索机制。

8 系统的实施

本系统的主要建设内容包含所监控道路沿线的光纤网络、机房和监控前端设备、传输网络、数据交换中心、监控中心、相关系统平台等。

8.1 监控用光纤网和机房

系统中所需的光纤主要是作为道路现场感知网，就像传感器，每条道路需要沿线光缆中的一芯光纤用作监控。因为每条道路仅需要一芯光缆，重新布设光缆会造成浪费，因此，监控所用的光纤可以利用已建成的城市光纤网络，这些网络的主体主要包括集约化信息基础设施单位、电信运营商等。依据监控目标道路，调查这些道路上的光纤资源现状、光纤路由走向，优化选取光缆纤芯。由于城市光纤网络的拓扑关系复杂，每条光纤所通过的道路走向有着巨大差别，导致光纤最终汇聚机房相对比较分散。因此，合理统筹规划光纤网、合理选取光纤节点和汇聚机房是方案建设最为关键的一步，也是方案实施中的难点。

8.2 监控前端设备

目前，每台DOVS解调仪一般最多可以同时对4个光纤通道进行实时监测，每个通道可以监控60 km光纤，理论上每台DOVS解调仪可以实现对240 km道路进行开挖行为监测。解调仪每时每刻监测的数据量十分庞大，需采用实时的信号采集和分析提取运算，直接获取关键信息传输给监测服务器。DOVS解调仪、检测服务器均部署在光纤汇聚机房，通过专用光纤链接核心交换机，监测数据传输至相关的数据存储服务器。

8.3 传输网络

节点机房与汇聚机房、机房与数据中心、数据中心与应用等的连接均使用光纤专线，可确保数据信息传输的安全，信息发布、数据共享使用VPN网络。

8.3.1 数据中心

数据中心是本方案系统的核心，主要实现数据汇聚存储、数据计算、数据交换与共享。数据中心收集各监测服务器的监测数据。

8.3.2 监控中心

监控中心包含综合布线系统、可视化系统、各系统平台的部署等。

9 系统的应用前景分析

本系统的主要应用单位为政府监管部门，以此为后盾进一步规范城市道路掘路施工行为，使掘路管理和文明施工管理水平与社会技术发展相对应。该方案实现对城市道路挖掘智能化管理及安全监管，是城市安全管理的重要组成部分，能显著提升政府城市管理与服务水平。该项目的市场经济效益主要体现如下：①本系统为监管单位提供了可靠的技术手段，可及时发现非法城市道路挖掘行为，很好地解决了在监管执法人员不足的情况下主动地开展全方位监管的问题，提升了城市治理的能力，同时也节约了管理成本。②系统的实施可为城市基础设施的安全管理带来巨大的社会效益。近年来，由于监管执法不到位，因城市非法开挖而造成的设施损坏、人员伤亡事故时有发生。另外，由于国内外形势越发复杂，传统与非传统威胁正悄悄“走近”我们，安全工作十分严峻，城市地下基础设施作为城市的重要组成部分，已然成为安全保卫工作的重要环节。比如上海世博会、上海亚信峰会，城市人井等设施均受到重点防护。本项目的成果也能对城市地下通信基础设施监控管理，对非正常非计划的井盖开启、通信线缆的破坏性入侵也有着十分准确的掌控，为安全管理提供了决策所需的实时信息。③本系统的分布式光纤振动传感技术也为国家战略安全提供光纤线路防窃听、信息保密技术手段。光纤窃听对光纤传输的损耗不到1/1 000，传统技术手段无法准确识别，系统对光纤窃听的识别明显优于以往技术，准确率达95%以上。因此，系统的建立也能有效防止光纤窃听，确保国家信息安全。④市场前景广阔，产业辐射性强。仅上海市有通信类管网资产的单位有近10家，危化管线量很大，目前，这些单位的运营管理模式都是比较传统的，缺乏对整体解决方案的支持。本项目作为一套整体解决方案，不仅仅只是适用单一的道路挖掘监控，在个别方面稍作调整并可满足城市地下管网运营管理的需求。基础设施的管理总是随着社会科技的进步而发生变革，本方案正是这些变革的排头兵，引领管理的潮流。项目成果应用的需求广、范围大、适用性强，也可带动光纤、电子标识制造、传感器等相关产业的蓬勃发展。

［1］国家发展改革委城市和小城镇改革发展中心.中国城市治理智慧化水平评估报告［R］.出版社不详，2017.

［2］朱昊，王磊，张会娜.掘路与施工交通组织管理及其服务信息化研究［J］.交通与运输，2008（05）.

［3］马鲁振.城市道路挖掘管理现状与发展趋势研究［J］.山东工业技术，2014（06）.

2095－6835（2018）21－0049－05

D624

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.049

田俊杰（1980—），男，湖北云梦人，大学本科，高级工程师，现主要从事集约化信息基础设施的信息化管理工作。

〔编辑：张思楠〕