基于分布式光纖傳感技術的城市道路挖掘智能監控系統

田俊杰

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基于分布式光纖傳感技術的城市道路挖掘智能監控系統

田俊杰

（上海市信息管線有限公司，上海 200032）

系統旨在研究利用信息技術、物聯網技術實現對道路挖掘的實時監測，及時發現非法掘路。作為智慧城市建設的有益組成部分，這些技術能有效提升城市的智能感知、安全管理等能力，基于大數據的城市治理，有利于解決信息不對稱、響應不及時等問題，有效推動城市管理的精細化與智慧化。

光纖傳感技術；道路挖掘；DOVS；智慧城市

1 背景

當前，新一輪信息革命正引領人類從工業社會快速向信息社會、共享社會演變，全面影響和重塑整個社會的生產生活方式，社會治理能力已成為衡量一個國家和地區的重要指標[1]。隨著經濟社會的加速轉型升級，堅持創新綠色的新發展理念及以人為本的價值導向，大力提升城市管理能力成為核心任務，也成為推進國家治理體系和治理能力現代化戰略的重要組成部分。同時，我國新型智慧城市試點示范逐步推進，進一步加強對城市管理智慧化水平的研究更具有現實意義，為確保城市運行安全提供支撐。

2 掘路管理現狀

長期以來，相關部門對城市市政道路挖掘、施工有著嚴格的管理制度，其主要的目的是對工程的有序和安全推進進行有效監管，確保城市居民的正常生活秩序和城市的正常運轉[2]。以上海市為例，每年初各建設單位對年內大型掘路項目進行申報，由市政局通過綜合協調、平衡后制訂工程實施計劃俗稱掘路計劃，具體由市市政處、區市政署按計劃核發掘路執照后實施和執行。即便如此，但在實際運作過程中依然存在著不少的現實問題：①工程不確定性。不能按照計劃時間節點掘路施工，由于資金的不到位、工程未正式立項等原因造成計劃下發后難以執行和執行率偏低。②無證違章掘路現象嚴重。部分建設單位未經許可擅自挖掘、未按照掘路執照許可范圍進行施工、擅自超期限挖掘，且不進行相應的報備。③道路管理巡查不到位，巡查后執法效率不高。目前，部分管理執法部門由于人員編制不足等原因存在巡查不足的問題，這將會使占掘路違法行為不能及時被發現，給違法建設單位偷掘私掘道路留下可乘之機。巡查及巡查后的執法效率較低的問題使得失去對違法掘路行為的震懾和威懾作用。④缺乏有效的技術有手段及時發現違法掘路，不能及時阻止這些違法行為，讓這些違法掘路行為得不到監管。

這些問題對城市的安全運行、市政道路設施和地下管線的保護、道路交通秩序帶來巨大威脅，時常發生因違法掘路造成的燃氣爆管、自來水爆管等事故，造成了不良的社會影響，也給百姓的生命財產安全帶來了損失。

3 系統的總體思路

本系統立足于已有的產品基礎和應用基礎，采用物聯網技術和信息技術，結合光纖傳感設備、傳輸系統、GIS平臺等物聯網系統感知層、傳輸層和應用處理層的關鍵技術，探索應用模式，形成以DOVS連續分布式光纖振動傳感技術為核心的信息感知、收集、分析處理、智能聯動的城市道路挖掘智能監控系統，實現對城市市政道路外力破壞引發的沿線光纜振動信號實時信息采集和在線監控。

基于理念先進、多信息融合的分布式光纖傳感的危險源識別算法等核心技術，完成光纖振動信號的特征分析、數據庫建立以及自動識別出路面挖掘行為。與已有的相關部門掘路管理平臺進行深度整合，自動判別城市道路上的非法挖掘行為，并發出告警，為城市道路挖掘工程的監管和執法提供可靠的技術基礎。將挖掘告警信息實時共享給道路及地下管線設施的相關管理單位，通過挖掘信息與這些設施信息的比對及時發現安全隱患排除隱患，確保挖掘過程中對道路和相關的地下管線設施的保護。

4 可行性分析

目前，系統中涉及的相關關鍵技術已得到成熟應用，比如利用分布式光纖振動傳感技術開展通信管網防入侵、防挖破壞的相關項目也已經實施，并達到了既定目標。

4.1 DOVS多功能光纖傳感信號解調技術

物聯網具有遠距離、大規模、低成本、無人值守、環境復雜、供電受限等特點，對傳感器體積、成本、功耗、抗干擾能力提出了更高的要求。尤其是在城市地下基礎設施應用環境中，感應雷擊、電磁干擾、積水浸泡、污穢腐蝕等對機電式傳感器信號穩定性和工作壽命造成嚴重威脅。利用光纜自身的光纖作為傳感器，DOVS連續分布式多功能光纖傳感信號解調技術主要是對光纖擾動進行在線實時探測。在光纜某處發生入侵或擾動時，當前時刻與前一時刻的光學信號比較，通過小波分解、奇異信號檢測等方法對干擾信號進行檢測及定位。從光纖中不同部分反射回來的瑞利散射光同時到達光探測器而發生干涉，可以探測光纖微弱的擾動；以一個相干光源為參考，背向散射的信號的相位變化為當前光纖應變量，可推算振動強度；結合激光脈沖發射后的散射信號返回時間，就可以推算其發生距離。DOVS連續分布式光纖振動信號解調可以實現多個同步測量通道，每個通道可以對60 km光纖的振動譜信號進行實時、無盲區監測并同時對光纖的不同部分進行監測。DOVS連續分布式多功能光纖傳感信號解調技術原理如圖1所示。

4.2 基于光纖傳感的危險源識別算法

振動波傳輸的影響因素有距離因素和傳輸介質因素，距離越近損耗越小，尖峰效應越明顯；反之效應越差。在硬質材料的介質內傳輸損耗小，尖峰效應明顯；反之效應較差。方案中監控所用的光纖都是敷設于已建成的通信管道中，管道的材質有鋼管、PVC/PE、硅芯管，這些管道材質的硬度各不同，管道所處的土壤環境、道路材料也不盡相同，這些均影響著振動波的傳輸。管道的埋設施工方式有開挖施工和非開挖定向鉆施工等，開挖施工敷設的管道由水泥包封，而非開挖的施工采用拖拽的方式將硅芯管從一端拉向另一段，沒有做包封處理，因此，施工埋設方式也影響到了振動波的傳輸。綜合考慮這些因素已經研發出一套對光纖振動波普識別的算法，能有效地濾除復雜城市環境下道路正常行駛車輛的雜波，準確地提取大型挖機、打樁機、鎬機等設備挖掘的振動波信號。

2016年浦東新區張江路/蔡倫路路口挖掘施工監測波普如圖2所示。

圖1 DOVS連續分布式多功能光纖傳感信號解調技術原理圖

圖2 2016年浦東新區張江路/蔡倫路路口挖掘施工監測波普圖

4.3 相關技術的應用

相關技術已經應用于城市集約化信息基礎設施運營安全監控管理、國防邊界防入侵等領域中。在城市集約化信息基礎設施運營安全監控管理中采用分布式光纖傳感技術建設面向信息基礎設施的監控管理系統，使信息基礎設施監管從“事后搶修”到“預防為主，防搶結合”，在通信管線遭受道路挖掘引起的損壞之前發出預警，給維護人員留出處理時間，最大程度上避免線路中斷和通信故障的發生，進一步提高光纖通信的可靠性和安全性，建立完善的安全防御機制，合理利用集約化資源，最大程度上創造社會效益。

4.4 光纜敷設逐步向地下轉移

為了城市的市容美觀整潔，大部分城市也啟動對“架空線入地”的整治，使得道路沿線光纜的覆蓋率得到明顯提升，為系統的實施提供了傳感光纖、在城市道路高比例覆蓋的有利條件。

5 系統總體架構

基于分布式光纖傳感技術的城市道路挖掘智能監控系統的設計面向服務的架構（SOA），采用分層設計，在對各子系統的橫向應用邏輯的基礎上，針對各子系統里面的基礎功能模塊采用通用組件及服務的方式設計，在此之上再搭建與道路挖掘監管密切相關的業務組件和服務。這樣的設計方法既保證了基礎功能模塊的完整性，又易于擴展業務功能模塊。系統的總體架構包括地下設施、現場層、資源層、管控層4個層次，它們相互聯系，形成一個有機的整體，具體如圖3所示。

圖3 方案的總體架構

5.1 地下設施

地下設施是城市道路的組成部分，利用道路沿線的通信管道及里面的光纜作為傳感器端，整條光纜的每部分都是傳感器的一部分。

5.2 現場層

選取監控道路中光纜的一芯用作傳感，DOVS調節儀為傳感信號的采集處理前端設備，利用實時監測波普信號處理系統對信號進行分析、提取有用信號、識別挖掘信號，反饋挖掘類別和位置等信息。

5.3 資源層

資源層包含IT基礎設施資源、數據資源、平臺資源3部分。其中，IT基礎設施資源有機房、存儲設備、計算資源、網絡和安全防護；數據資源有城市基礎地圖和道路GIS數據、挖掘工程監管業務數據、各設備設施的臺賬等；平臺資源有現有的掘路管理平臺、GIS平臺、數據交換平臺。

5.4 管控層

管控層包含監管單位的應用、執法單位的應用和數據共享接口。監管單位主要使用可視化的掘路監管平臺實施掘路智能化監控，執法單位依據監控數據執法，各管線單位、城市應急單位、智慧城市等方面均可通過數據接口獲取實時的監控結果數據來開展應用。

6 系統網絡架構

圖4 方案的網絡架構

基于分布式光纖傳感技術的城市道路挖掘智能監控網絡基于城市公共光纖網組建。DOVS解調儀實時從監控用光芯收集其返回的信號，并進行前端的信號數據處理，識別出光纖振動、挖掘等信息；各前端傳感設備服務器通過專線接入管理部門核心服務器。依據系統的分級管理模式，實時監控信息逐級處理，并將操作指令和相關信息下發到執法等單位。管理部門內部的系統應用均為專線網絡，共享至政府部門的數據通過VPN網絡，社會單位或無政務網的單位可使用防火墻等安全措施后通過Internet網絡實現數據共享。

7 技術路線

7.1 總體技術架構

方案的總體技術架構如圖5所示。

系統邏輯上，從下到上依次分為基礎層、數據層、平臺層、邏輯層、應用層5個層次，分別完成以下功能：①基礎層。包括計算機網絡硬件基礎設施、光纖網絡、基礎支撐軟件平臺，比如操作系統、Dot Net4.0類庫、Apache等，為上層提供基礎支撐。②數據層。系統以Oracle、文件系統和基于空間數據庫的GIS平臺為支撐，進行海量數據的管理，為上層業務應用，提供有力支持。③平臺層。平臺層包括ArcGIS平臺、Java EE等開發平臺。④邏輯層。邏輯層對業務進行抽象，通過服務組件框架、服務數據對象，以WebService、GIS Service、Java組件、.NET組件的形式進行封裝，為上層的業務應用提供可復用的服務支持。⑤應用層。通過利用信號處理系統、可視化監管平臺、數據交換平臺提供的功能，可快速地對道路挖掘行為進行獲取、定位、檢索查詢和監管分析，為相關職能部門在監管、執法、決策等方面提供支持。

圖5 方案的總體技術架構

7.2 采用面向SOA架構的應用服務模式

WebService的應用不僅是基于網絡環境的新興應用模式，還是進行數據共享和信息集成的有效機制。從應用領域的角度來看，復雜的應用連接和程序代碼造成了應用的維護代價和更新代價過高，而WebService正好能較好地解決這一問題，成為目前應用環境中最為合理的解決方案技術。從中間件發展到目前的WebService是一種基于Internet的發展需求。我們可以將WebService簡單理解為對已有中間件技術的更高層次的封裝。其業務邏輯和方法的實現還得依賴于底層的CORBA、.NET等技術。將統一建立應用服務層，內容包括數據集成服務、應用集成服務、報表服務、GIS服務等，在此基礎上構建各系統，提高應用系統構建效率，方便系統維護和升級。

7.3 用大型關系數據庫管理海量數據

傳統GIS圖層的維護管理是采用文件服務器的方式來實現的，在用戶管理安全性方面與數據庫相比存在很大的差距。采用空間數據引擎（ArcSDE）可以輕松實現空間數據庫（GeoDatabase）與大型關系型數據庫的連接訪問，圖形、數據的顯示、查詢、編輯十分迅速。

7.4 數據融合技術

本系統的數據平臺融合是通過對空間分布的多源信息及各種光纖傳感器的采樣，對所關注的光纖路由進行檢測、關聯、定位和綜合等多功能處理，以更高的精度、概率或置信度得到道路的狀態和保持完整，及時地將態勢提供給管理者決策。系統基于多技術、多平臺所建的系統，涉及的技術廣、數據類型多。系統涵蓋衛星定位技術、GIS技術、無線數據傳輸、海量數據存儲技術、分布式光纖傳感技術等，數據包括城市基礎地理數據、道路GIS數據、光纖路由數據、實時監控數據、挖掘監管業務數據、現場管理者的實時位置數據等。系統的數據交換平臺實現數據融合，其關鍵問題是數據轉換、數據相關、態勢數據庫等。

7.4.1 數據轉換

由于各平臺系統傳感器的數據形式、結構等都不一樣，數據融合中心為了綜合處理這些不同來源的信息，首先必須把這些數據轉換成相同的形式之后才能進行相關處理。數據轉換的難度在于，不僅要轉換不同層次之間的信息，而且同樣需要轉換描述或說明的不同之處和相似之處。即使是同一層次的信息，也存在不同的描述或說明。

7.4.2 數據相關

數據相關的核心問題是如何克服傳感監測的不精確性和干擾等引起的相關二義性，即保持數據的一致性；如何控制和降低相關計算的復雜性，開發相關處理、融合處理和系統模擬的算法和模型。

7.4.3 態勢數據庫

態勢數據庫可分為實時數據庫和非實時數據庫。實時數據庫的作用是把當前各傳感設備、智能終端設備的測量數據及時提供給融合處理，并提供融合處理所需要的各種其他數據。同時，也儲存融合處理的最終決策分析結果和中間結果。非實時數據庫儲存傳感設備、智能終端設備、基礎設施資產的歷史數據、有關道路挖掘源識別的參照數據和融合處理的歷史信息。態勢數據庫所要解決的難題是容量要大、搜索要快、開放互聯性好，并具有良好的用戶接口，因此，要開發更有效的數據模型、新的有效查找和檢索機制。

8 系統的實施

本系統的主要建設內容包含所監控道路沿線的光纖網絡、機房和監控前端設備、傳輸網絡、數據交換中心、監控中心、相關系統平臺等。

8.1 監控用光纖網和機房

系統中所需的光纖主要是作為道路現場感知網，就像傳感器，每條道路需要沿線光纜中的一芯光纖用作監控。因為每條道路僅需要一芯光纜，重新布設光纜會造成浪費，因此，監控所用的光纖可以利用已建成的城市光纖網絡，這些網絡的主體主要包括集約化信息基礎設施單位、電信運營商等。依據監控目標道路，調查這些道路上的光纖資源現狀、光纖路由走向，優化選取光纜纖芯。由于城市光纖網絡的拓撲關系復雜，每條光纖所通過的道路走向有著巨大差別，導致光纖最終匯聚機房相對比較分散。因此，合理統籌規劃光纖網、合理選取光纖節點和匯聚機房是方案建設最為關鍵的一步，也是方案實施中的難點。

8.2 監控前端設備

目前，每臺DOVS解調儀一般最多可以同時對4個光纖通道進行實時監測，每個通道可以監控60 km光纖，理論上每臺DOVS解調儀可以實現對240 km道路進行開挖行為監測。解調儀每時每刻監測的數據量十分龐大，需采用實時的信號采集和分析提取運算，直接獲取關鍵信息傳輸給監測服務器。DOVS解調儀、檢測服務器均部署在光纖匯聚機房，通過專用光纖鏈接核心交換機，監測數據傳輸至相關的數據存儲服務器。

8.3 傳輸網絡

節點機房與匯聚機房、機房與數據中心、數據中心與應用等的連接均使用光纖專線，可確保數據信息傳輸的安全，信息發布、數據共享使用VPN網絡。

8.3.1 數據中心

數據中心是本方案系統的核心，主要實現數據匯聚存儲、數據計算、數據交換與共享。數據中心收集各監測服務器的監測數據。

8.3.2 監控中心

監控中心包含綜合布線系統、可視化系統、各系統平臺的部署等。

9 系統的應用前景分析

本系統的主要應用單位為政府監管部門，以此為后盾進一步規范城市道路掘路施工行為，使掘路管理和文明施工管理水平與社會技術發展相對應。該方案實現對城市道路挖掘智能化管理及安全監管，是城市安全管理的重要組成部分，能顯著提升政府城市管理與服務水平。該項目的市場經濟效益主要體現如下：①本系統為監管單位提供了可靠的技術手段，可及時發現非法城市道路挖掘行為，很好地解決了在監管執法人員不足的情況下主動地開展全方位監管的問題，提升了城市治理的能力，同時也節約了管理成本。②系統的實施可為城市基礎設施的安全管理帶來巨大的社會效益。近年來，由于監管執法不到位，因城市非法開挖而造成的設施損壞、人員傷亡事故時有發生。另外，由于國內外形勢越發復雜，傳統與非傳統威脅正悄悄“走近”我們，安全工作十分嚴峻，城市地下基礎設施作為城市的重要組成部分，已然成為安全保衛工作的重要環節。比如上海世博會、上海亞信峰會，城市人井等設施均受到重點防護。本項目的成果也能對城市地下通信基礎設施監控管理，對非正常非計劃的井蓋開啟、通信線纜的破壞性入侵也有著十分準確的掌控，為安全管理提供了決策所需的實時信息。③本系統的分布式光纖振動傳感技術也為國家戰略安全提供光纖線路防竊聽、信息保密技術手段。光纖竊聽對光纖傳輸的損耗不到1/1 000，傳統技術手段無法準確識別，系統對光纖竊聽的識別明顯優于以往技術，準確率達95%以上。因此，系統的建立也能有效防止光纖竊聽，確保國家信息安全。④市場前景廣闊，產業輻射性強。僅上海市有通信類管網資產的單位有近10家，危化管線量很大，目前，這些單位的運營管理模式都是比較傳統的，缺乏對整體解決方案的支持。本項目作為一套整體解決方案，不僅僅只是適用單一的道路挖掘監控，在個別方面稍作調整并可滿足城市地下管網運營管理的需求。基礎設施的管理總是隨著社會科技的進步而發生變革，本方案正是這些變革的排頭兵，引領管理的潮流。項目成果應用的需求廣、范圍大、適用性強，也可帶動光纖、電子標識制造、傳感器等相關產業的蓬勃發展。

［1］國家發展改革委城市和小城鎮改革發展中心.中國城市治理智慧化水平評估報告［R］.出版社不詳，2017.

［2］朱昊，王磊，張會娜.掘路與施工交通組織管理及其服務信息化研究［J］.交通與運輸，2008（05）.

［3］馬魯振.城市道路挖掘管理現狀與發展趨勢研究［J］.山東工業技術，2014（06）.

2095－6835（2018）21－0049－05

D624

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.049

田俊杰（1980—），男，湖北云夢人，大學本科，高級工程師，現主要從事集約化信息基礎設施的信息化管理工作。

〔編輯：張思楠〕