楊帆

摘要 隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，運營保障成為高速公路運輸行業(yè)的重點問題。文章從系統(tǒng)、業(yè)務(wù)功能模塊、人機交互界面以及系統(tǒng)優(yōu)勢等方面對光纖偵聽高速公路災(zāi)害監(jiān)測報警系統(tǒng)進行詳細介紹，對保障高速公路的健康運營具有重要的研究價值，為高速公路智能化管理提供參考。

關(guān)鍵詞 光纖偵聽；高速公路；災(zāi)害監(jiān)測；報警系統(tǒng)

中圖分類號 TP319文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0019-03

0 引言

高速公路在運營過程中，由于行駛車輛高速性和所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致滑坡、泥石流等自然災(zāi)害和交通事故時常發(fā)生，因此我國眾多學(xué)者對高速公路的災(zāi)害監(jiān)測展開了大量研究[1-4]。韓建超等[5]基于北京山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害特點，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、災(zāi)害預(yù)判等方面的研究，提出了公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。王慧敏等[6]以重慶某高速公路為背景，基于GNSS技術(shù)，從系統(tǒng)介紹、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點布設(shè)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值模擬等方面對高速公路邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行詳細介紹。岳秀坤[7]針對我國公路運營中的現(xiàn)狀，以公路氣象災(zāi)害監(jiān)測和保障公路健康運行為目標，提出了一套公路氣象智能預(yù)警系統(tǒng)。為對高速公路災(zāi)害提供智能化監(jiān)測，保障其穩(wěn)定健康運行，該文以分布式光纖偵聽技術(shù)為核心，提出一套高速公路災(zāi)害監(jiān)測報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

利用光纖（光纜）作為傳感傳輸二合一的器件，實行實時、持續(xù)對通過直接或經(jīng)由介質(zhì)（例如土壤、鋼結(jié)構(gòu)、圍欄以及氣體等）間接觸及光纖（纜）產(chǎn)生的各類擾動的監(jiān)測控制。當光在光纜中傳輸時，光子與纖芯晶格間發(fā)生作用，不斷向后傳輸瑞利散射光。光纜中的纖芯對外界擾動極其敏感，若外界產(chǎn)生振動，纖芯會發(fā)生一定程度的形變，從而引起瑞利散射波發(fā)生變化，背向瑞利散射光的能量、相位、偏振等光信息隨之發(fā)生變化，捕捉到振動信號的光反射回光纖傳感器時，將發(fā)生變化的能量、相位、偏振通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換處理，再將信息經(jīng)由計算機分析、處理，根據(jù)聲音聲紋的分析結(jié)果，判斷振動事件的性質(zhì)及類型，并根據(jù)檢測光與瑞利散射回光的時間差，判斷出光纜皮長米數(shù)，同時通過定標系統(tǒng)精準找到振動事件發(fā)生的具體位置。

1.2 技術(shù)特點

光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報警系統(tǒng)應(yīng)用到高速公路時，可以實時監(jiān)測道路上發(fā)生的各類事件并準確定位發(fā)生地點。管理人員能夠通過系統(tǒng)實時了解事件進展情況，及時預(yù)警并協(xié)調(diào)附近巡查人員前往事件發(fā)生地點進行處理。光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報警系統(tǒng)的應(yīng)用較傳統(tǒng)人工巡護而言，實現(xiàn)了道路由被動看護到主動看護的轉(zhuǎn)變，大大降低了人力和物力成本，也減小了交通事故引起二次事故的風險。同時，系統(tǒng)對自然災(zāi)害如洪水沖蝕、滑坡、落石等實時報警，對高速交通安全真正起到了保駕護航的作用。主要技術(shù)包括：①連續(xù)分布式測量，可連續(xù)得到沿著探測光纜幾十公里的測量信息，實現(xiàn)實時監(jiān)測。②聲音偵聽，完全還原現(xiàn)場的聲音。③工作人員在值班室即可人工遠程實時參與聲音的監(jiān)聽分析。④先進的人工智能分析技術(shù)，利用監(jiān)督學(xué)習(xí)功能，將已知的輪胎碾軋、風聲、雨聲、雷聲、火車經(jīng)過等聲音標記為正常事件，歸入白名單。⑤良好的人機交互界面，通過采用二維地圖與實際公路坐標一一對應(yīng)，一圖總覽，一圖管控。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)由光纖偵聽探測終端、主控中心和人工智能平臺三部分組成。

1.4 業(yè)務(wù)架構(gòu)

光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報警系統(tǒng)可以對高速公路上下行有害事件情況進行提前定位和正確識別，并通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與AI算法識別技術(shù)，來智能識別現(xiàn)場聲音信息，對重要事件提前開展先期預(yù)警和信息告警，來有效幫助管理人員開展工作，有效阻止車輛撞上落石和預(yù)防交通事故產(chǎn)生二次事故災(zāi)害的發(fā)生。光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報警系統(tǒng)的智能化業(yè)務(wù)預(yù)警判斷如圖1所示。

2 業(yè)務(wù)功能模塊

2.1 光纜質(zhì)量監(jiān)測模塊

光纜在線質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)基于WDAS的光纖性能實時分析，對光纜鏈路的光強、接頭盒、光衰點及盤纖點進行實時監(jiān)測。

2.2 防破壞監(jiān)測模塊

光纜防破壞監(jiān)測子系統(tǒng)實現(xiàn)對長距離沿線因交通事故或自然災(zāi)害（例如地震、路面沉降、暴雨、山洪、泥石流及滑坡等）引起的破壞事件進行預(yù)報預(yù)警和定位，還能對沿線遠距離發(fā)生的危害事件進行分析和判斷，定性事件的類型，保障道路的安全管理與維護。

2.3 故障點精準定位模塊

光纜故障點精準定位子系統(tǒng)利用聲學(xué)原理來篩查架空、綁扎在護欄上或者埋在地下的目標光纜狀況。只需輕敲光纜附著物（如電桿、槽道）或光纜上方的地表，現(xiàn)場終端捕捉到聲音振動后即可精準分析出光纜的各類參數(shù)。

2.4 光纜設(shè)備管理模塊

光纜設(shè)備管理系統(tǒng)包含光纜臺賬系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及地下管廊設(shè)備系統(tǒng)通過對設(shè)備運行中發(fā)生的各種數(shù)據(jù)進行存儲分類、統(tǒng)計分析等。

2.5 巡檢管理模塊

巡檢管理模塊通過人力巡檢、無人機巡檢及機器人巡檢實現(xiàn)高速公路維護管理工作的過程跟蹤管理，加強運維工作的閉環(huán)管理，提高工作效率和工作執(zhí)行力。

2.6 短信模塊

當有有害事件發(fā)生時，系統(tǒng)及時通過短信模塊，將位置信息發(fā)送到巡檢值班人員預(yù)設(shè)的手機上。

2.7 視頻監(jiān)控模塊

當發(fā)生有害事件時，系統(tǒng)可以第一時間通過視頻監(jiān)控模塊，聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將事件發(fā)生的位置信息（經(jīng)緯度信息）發(fā)送給視頻監(jiān)控模塊，然后由該模塊發(fā)送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)，最終調(diào)動事件最近的攝像機，通過云臺完成PTZ操作，精準地捕捉到事件位置的圖像。

2.8 App模塊

系統(tǒng)配有手機移動端App，值守人員或者管理人員下載App后，可以隨時通過移動終端訪問預(yù)警系統(tǒng)。

2.9 無人機模塊

如果事件處理中，值班管理人員確認確實需要啟動無人機進行緊急干預(yù)的，可通過系統(tǒng)發(fā)布指令，通過無人機處理模塊，聯(lián)動無人機系統(tǒng)，將事件的精確經(jīng)緯度發(fā)送給無人機，并要求無人機系統(tǒng)立即起飛。同時，將事件位置的無人機視頻圖像保存在系統(tǒng)內(nèi)進行證據(jù)留存，以便于警方隨時調(diào)用。無人機同時帶有喊話器，值班人員可以通過無人機喊話器，警告事故現(xiàn)場人員以及后方車輛。

3 人機交互界面

3.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)的主界面圖像中間部位是二維的GIS地圖，黃色線條表示高速公路走向，綠色的圓點是工作人員的助記符（例如公路樁、匝道出入口、收費站等等）。當有事件發(fā)生時，地圖上會顯示事件的精確位置和已經(jīng)分析的事件結(jié)果。圖像下邊緣是事件的詳細信息，如事件位置、影響范圍寬度、事件類型、開始時間、最新的時間、處置菜單等等信息。圖像的左右各有三個聯(lián)動系統(tǒng)模塊窗口，如登入人員信息、無人機聯(lián)動情況、視頻監(jiān)控聯(lián)動情況、手機App、人工智能系統(tǒng)情況等等。

3.2 GIS地圖信息與歷史查詢記錄

系統(tǒng)存儲超過3個月的歷史信息，操作人員可以通過地圖，調(diào)取某一個時間段、某一段圍欄段的歷史數(shù)據(jù)資料，進行反復(fù)播放復(fù)核。

3.3 精準定標

定標模塊是將光纜的皮長米數(shù)和地圖GIS坐標進行一一對應(yīng)的一個工作。其主要任務(wù)是把三條光纜的皮長與地理位置進行對應(yīng)，并根據(jù)先后順序判斷事件入侵方向。

3.4 智能識別/分析

系統(tǒng)報警邏輯是當布放在公路兩側(cè)護欄上的光纜被某事件觸發(fā)后，系統(tǒng)立即在大屏地圖上顯示出事件位置和事件提醒信息。此時，系統(tǒng)會自動進行錄音，同時保存該位置的其他三條光纜上該附近點左右各3個單位的聲音信息，進行10 s的事件記錄。記錄后的聲音送給人工智能系統(tǒng)進行分析。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

4.1.1 高性能

該系統(tǒng)高性能主要體現(xiàn)在6個方面：①監(jiān)測距離遠。單臺設(shè)備可探測兩條50 km皮長的光纜（上下行方向四條護欄20多公里高速），能對事件發(fā)生地精準定位并及時判別。②連續(xù)分布式測量，可以同時監(jiān)測多個點位和事件，且各點位及事件不會出現(xiàn)相互干擾。③具有實時聲音復(fù)核手段，歷史記錄聲音回放功能，可以對全路段任意位置進行實時聲音監(jiān)聽，輔助操作人員進行人工判別。④誤報率極低。系統(tǒng)運行核心是偵聽聲音，經(jīng)智能系統(tǒng)對捕捉的聲音進行快速、準確的分析，預(yù)警錯誤率控制在3%以內(nèi)。⑤反應(yīng)迅速。通道掃描周期低至0.5 ms，聲音延遲0.5 s。⑥穩(wěn)定性好。遇到風、雨、雷電等危險及惡劣天氣時，系統(tǒng)仍可以正常使用，預(yù)警準確率高，系統(tǒng)經(jīng)過多輪高低溫和交變濕熱的環(huán)境測試，已確認適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

4.1.2 低成本

該系統(tǒng)具有成本較低的特點，主要體現(xiàn)在4方面：①智能化程度高，無需人員值守。發(fā)現(xiàn)異常事件，系統(tǒng)直接通過短信和網(wǎng)絡(luò)將信息反饋給相關(guān)人員。開放性設(shè)計，便于數(shù)據(jù)管理及現(xiàn)場控制。②可靠性高。與視頻監(jiān)控和振動光纜等技術(shù)不同，探測光纜布置在高速護欄的外側(cè)，目標不明顯，大大減少了被惡意破壞的可能。③成本低。光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；光纜可長時間浸泡在液體里。④施工簡單，維護方便。光纖接上設(shè)備后，簡單調(diào)試即可投入應(yīng)用。

4.1.3 運行安全

該系統(tǒng)具有運行安全的特點，主要體現(xiàn)：①本征安全可靠。系統(tǒng)使用的光纖不怕高壓電、強磁場、核輻射、刮風下雨打雷等影響，在極端惡劣的戶外環(huán)境下都可以正常傳感。②電磁絕緣性極好。光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量小，塑性好，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。系統(tǒng)使用的光纖其材質(zhì)是石英，完全絕緣，不受雷擊影響。

4.2 技術(shù)特點

該系統(tǒng)的技術(shù)特點主要有6點：①連續(xù)分布式聲波采集。每1 m光纜都是獨立的傳聲器，可獨立地將聲音采集回來，并且可以實時播放每一個位置的現(xiàn)場聲音。②完善的人工智能分析。系統(tǒng)已存儲有數(shù)十萬條聲紋模型庫，如眾多的輪胎碾軋聲音、火車、汽車、拖拉機、履帶車、打樁機、挖掘機、觸碰光纜等聲紋庫，如遇到新的聲紋信息可以非常方便地進行二次深度學(xué)習(xí)。③多系統(tǒng)聯(lián)動。系統(tǒng)可聯(lián)動原有的三維可視化系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。④靈敏度高，測量精度高，定位精度±2～8 m。⑤壽命長，可達10年以上（光纜可達20年以上），維修維護成本低，系統(tǒng)維護簡單。⑥光纖體積小、質(zhì)量輕、傳感長、感知多。

5 結(jié)語

通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路災(zāi)害的準確監(jiān)測與反饋，極大地提高高速公路運行部門的管理效率，對減少高速公路災(zāi)害的危害、提高運行質(zhì)量以及降低運營成本具有重要的研究意義。

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