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(jiān)控系統(tǒng)

田俊杰

（上海市信息管線有限公司，上海 200032）

系統(tǒng)旨在研究利用信息技術、物聯(lián)網技術實現(xiàn)對道路挖掘的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(yè)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(qū)的重要指標[1]。隨著經濟社會的加速轉型升級，堅持創(chuàng)新綠色的新發(fā)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(xiàn)代化戰(zhàn)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(xiàn)實意義，為確保城市運行安全提供支撐。

2 掘路管理現(xiàn)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(jiān)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(xié)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(qū)市政署按計劃核發(fā)掘路執(zhí)照后實施和執(zhí)行。即便如此，但在實際運作過程中依然存在著不少的現(xiàn)實問題：①工程不確定性。不能按照計劃時間節(jié)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(fā)后難以執(zhí)行和執(zhí)行率偏低。②無證違章掘路現(xiàn)象嚴重。部分建設單位未經許可擅自挖掘、未按照掘路執(zhí)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(zhí)法效率不高。目前，部分管理執(zhí)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(fā)現(xiàn)，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(zhí)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(fā)現(xiàn)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(jiān)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(fā)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(tǒng)的總體思路

本系統(tǒng)立足于已有的產品基礎和應用基礎，采用物聯(lián)網技術和信息技術，結合光纖傳感設備、傳輸系統(tǒng)、GIS平臺等物聯(lián)網系統(tǒng)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(xù)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(lián)動的城市道路挖掘智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對城市市政道路外力破壞引發(fā)的沿線光纜振動信號實時信息采集和在線監(jiān)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(shù)據(jù)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(fā)出告警，為城市道路挖掘工程的監(jiān)管和執(zhí)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(lián)網具有遠距離、大規(guī)模、低成本、無人值守、環(huán)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(huán)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(wěn)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(xù)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(fā)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(fā)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(fā)射后的散射信號返回時間，就可以推算其發(fā)生距離。DOVS連續(xù)分布式光纖振動信號解調可以實現(xiàn)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(qū)監(jiān)測并同時對光纖的不同部分進行監(jiān)測。DOVS連續(xù)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?shù)挠绊懸蛩赜芯嚯x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(jiān)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(huán)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(fā)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(huán)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(qū)張江路/蔡倫路路口挖掘施工監(jiān)測波普如圖2所示。

圖1 DOVS連續(xù)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(qū)張江路/蔡倫路路口挖掘施工監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)控管理系統(tǒng)，使信息基礎設施監(jiān)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(fā)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(fā)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(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的設計面向服務的架構（SOA），采用分層設計，在對各子系統(tǒng)的橫向應用邏輯的基礎上，針對各子系統(tǒng)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(jiān)管密切相關的業(yè)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(yè)務功能模塊。系統(tǒng)的總體架構包括地下設施、現(xiàn)場層、資源層、管控層4個層次，它們相互聯(lián)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(xiàn)場層

選取監(jiān)控道路中光纜的一芯用作傳感，DOVS調節(jié)儀為傳感信號的采集處理前端設備，利用實時監(jiān)測波普信號處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)資源有城市基礎地圖和道路GIS數(shù)據(jù)、挖掘工程監(jiān)管業(yè)務數(shù)據(jù)、各設備設施的臺賬等；平臺資源有現(xiàn)有的掘路管理平臺、GIS平臺、數(shù)據(jù)交換平臺。

5.4 管控層

管控層包含監(jiān)管單位的應用、執(zhí)法單位的應用和數(shù)據(jù)共享接口。監(jiān)管單位主要使用可視化的掘路監(jiān)管平臺實施掘路智能化監(jiān)控，執(zhí)法單位依據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)執(zhí)法，各管線單位、城市應急單位、智慧城市等方面均可通過數(shù)據(jù)接口獲取實時的監(jiān)控結果數(shù)據(jù)來開展應用。

6 系統(tǒng)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(jiān)控網絡基于城市公共光纖網組建。DOVS解調儀實時從監(jiān)控用光芯收集其返回的信號，并進行前端的信號數(shù)據(jù)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(jù)系統(tǒng)的分級管理模式，實時監(jiān)控信息逐級處理，并將操作指令和相關信息下發(fā)到執(zhí)法等單位。管理部門內部的系統(tǒng)應用均為專線網絡，共享至政府部門的數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)邏輯上，從下到上依次分為基礎層、數(shù)據(jù)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(tǒng)、Dot Net4.0類庫、Apache等，為上層提供基礎支撐。②數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)以Oracle、文件系統(tǒng)和基于空間數(shù)據(jù)庫的GIS平臺為支撐，進行海量數(shù)據(jù)的管理，為上層業(yè)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(fā)平臺。④邏輯層。邏輯層對業(yè)務進行抽象，通過服務組件框架、服務數(shù)據(jù)對象，以WebService、GIS Service、Java組件、.NET組件的形式進行封裝，為上層的業(yè)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(tǒng)、可視化監(jiān)管平臺、數(shù)據(jù)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(jiān)管分析，為相關職能部門在監(jiān)管、執(zhí)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(huán)境的新興應用模式，還是進行數(shù)據(jù)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(huán)境中最為合理的解決方案技術。從中間件發(fā)展到目前的WebService是一種基于Internet的發(fā)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(yè)務邏輯和方法的實現(xiàn)還得依賴于底層的CORBA、.NET等技術。將統(tǒng)一建立應用服務層，內容包括數(shù)據(jù)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(tǒng)，提高應用系統(tǒng)構建效率，方便系統(tǒng)維護和升級。

7.3 用大型關系數(shù)據(jù)庫管理海量數(shù)據(jù)

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

7.4 數(shù)據(jù)融合技術

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(lián)、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(tài)和保持完整，及時地將態(tài)勢提供給管理者決策。系統(tǒng)基于多技術、多平臺所建的系統(tǒng)，涉及的技術廣、數(shù)據(jù)類型多。系統(tǒng)涵蓋衛(wèi)星定位技術、GIS技術、無線數(shù)據(jù)傳輸、海量數(shù)據(jù)存儲技術、分布式光纖傳感技術等，數(shù)據(jù)包括城市基礎地理數(shù)據(jù)、道路GIS數(shù)據(jù)、光纖路由數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、挖掘監(jiān)管業(yè)務數(shù)據(jù)、現(xiàn)場管理者的實時位置數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，其關鍵問題是數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)相關、態(tài)勢數(shù)據(jù)庫等。

7.4.1 數(shù)據(jù)轉換

由于各平臺系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)形式、結構等都不一樣，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換成相同的形式之后才能進行相關處理。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)相關

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

7.4.3 態(tài)勢數(shù)據(jù)庫

態(tài)勢數(shù)據(jù)庫可分為實時數(shù)據(jù)庫和非實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫的作用是把當前各傳感設備、智能終端設備的測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)庫儲存?zhèn)鞲性O備、智能終端設備、基礎設施資產的歷史數(shù)據(jù)、有關道路挖掘源識別的參照數(shù)據(jù)和融合處理的歷史信息。態(tài)勢數(shù)據(jù)庫所要解決的難題是容量要大、搜索要快、開放互聯(lián)性好，并具有良好的用戶接口，因此，要開發(fā)更有效的數(shù)據(jù)模型、新的有效查找和檢索機制。

8 系統(tǒng)的實施

本系統(tǒng)的主要建設內容包含所監(jiān)控道路沿線的光纖網絡、機房和監(jiān)控前端設備、傳輸網絡、數(shù)據(jù)交換中心、監(jiān)控中心、相關系統(tǒng)平臺等。

8.1 監(jiān)控用光纖網和機房

系統(tǒng)中所需的光纖主要是作為道路現(xiàn)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(jiān)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(jiān)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(jù)監(jiān)控目標道路，調查這些道路上的光纖資源現(xiàn)狀、光纖路由走向，優(yōu)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(tǒng)籌規(guī)劃光纖網、合理選取光纖節(jié)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(jiān)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(jiān)測，每個通道可以監(jiān)控60 km光纖，理論上每臺DOVS解調儀可以實現(xiàn)對240 km道路進行開挖行為監(jiān)測。解調儀每時每刻監(jiān)測的數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至相關的數(shù)據(jù)存儲服務器。

8.3 傳輸網絡

節(jié)點機房與匯聚機房、機房與數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心與應用等的連接均使用光纖專線，可確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩畔l(fā)布、數(shù)據(jù)共享使用VPN網絡。

8.3.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是本方案系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚存儲、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)交換與共享。數(shù)據(jù)中心收集各監(jiān)測服務器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

8.3.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心包含綜合布線系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、各系統(tǒng)平臺的部署等。

9 系統(tǒng)的應用前景分析

本系統(tǒng)的主要應用單位為政府監(jiān)管部門，以此為后盾進一步規(guī)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(fā)展相對應。該方案實現(xiàn)對城市道路挖掘智能化管理及安全監(jiān)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(xiàn)如下：①本系統(tǒng)為監(jiān)管單位提供了可靠的技術手段，可及時發(fā)現(xiàn)非法城市道路挖掘行為，很好地解決了在監(jiān)管執(zhí)法人員不足的情況下主動地開展全方位監(jiān)管的問題，提升了城市治理的能力，同時也節(jié)約了管理成本。②系統(tǒng)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(jiān)管執(zhí)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(fā)生。另外，由于國內外形勢越發(fā)復雜，傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)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(wèi)工作的重要環(huán)節(jié)。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(jiān)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(tǒng)的分布式光纖振動傳感技術也為國家戰(zhàn)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?shù)膿p耗不到1/1 000，傳統(tǒng)技術手段無法準確識別，系統(tǒng)對光纖竊聽的識別明顯優(yōu)于以往技術，準確率達95%以上。因此，系統(tǒng)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(yè)輻射性強。僅上海市有通信類管網資產的單位有近10家，?；芫€量很大，目前，這些單位的運營管理模式都是比較傳統(tǒng)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(jiān)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?；A設施的管理總是隨著社會科技的進步而發(fā)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(yè)的蓬勃發(fā)展。

［1］國家發(fā)展改革委城市和小城鎮(zhèn)改革發(fā)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(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究［J］.山東工業(yè)技術，2014（06）.

2095－6835（2018）21－0049－05

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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(xiàn)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〕