光纤侦听高速公路灾害监测报警系统设计研究

杨帆

摘要 随着我国高速公路建设的快速发展，运营保障成为高速公路运输行业的重点问题。文章从系统、业务功能模块、人机交互界面以及系统优势等方面对光纤侦听高速公路灾害监测报警系统进行详细介绍，对保障高速公路的健康运营具有重要的研究价值，为高速公路智能化管理提供参考。

关键词 光纤侦听；高速公路；灾害监测；报警系统

中图分类号 TP319文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0019-03

0 引言

高速公路在运营过程中，由于行驶车辆高速性和所处地质环境的复杂性，导致滑坡、泥石流等自然灾害和交通事故时常发生，因此我国众多学者对高速公路的灾害监测展开了大量研究[1-4]。韩建超等[5]基于北京山区公路地质灾害特点，以物联网技术为核心，通过数据采集、数据分析、灾害预判等方面的研究，提出了公路高边坡地质灾害监测系统。王慧敏等[6]以重庆某高速公路为背景，基于GNSS技术，从系统介绍、监测内容及监测点布设、数据分析以及数值模拟等方面对高速公路边坡自动化监测系统进行详细介绍。岳秀坤[7]针对我国公路运营中的现状，以公路气象灾害监测和保障公路健康运行为目标，提出了一套公路气象智能预警系统。为对高速公路灾害提供智能化监测，保障其稳定健康运行，该文以分布式光纤侦听技术为核心，提出一套高速公路灾害监测报警系统。

1 系统介绍

1.1 工作原理

利用光纤（光缆）作为传感传输二合一的器件，实行实时、持续对通过直接或经由介质（例如土壤、钢结构、围栏以及气体等）间接触及光纤（缆）产生的各类扰动的监测控制。当光在光缆中传输时，光子与纤芯晶格间发生作用，不断向后传输瑞利散射光。光缆中的纤芯对外界扰动极其敏感，若外界产生振动，纤芯会发生一定程度的形变，从而引起瑞利散射波发生变化，背向瑞利散射光的能量、相位、偏振等光信息随之发生变化，捕捉到振动信号的光反射回光纤传感器时，将发生变化的能量、相位、偏振通过光学系统转换处理，再将信息经由计算机分析、处理，根据声音声纹的分析结果，判断振动事件的性质及类型，并根据检测光与瑞利散射回光的时间差，判断出光缆皮长米数，同时通过定标系统精准找到振动事件发生的具体位置。

1.2 技术特点

光纤侦听高速公路灾害及事故监测报警系统应用到高速公路时，可以实时监测道路上发生的各类事件并准确定位发生地点。管理人员能够通过系统实时了解事件进展情况，及时预警并协调附近巡查人员前往事件发生地点进行处理。光纤侦听高速公路灾害及事故监测报警系统的应用较传统人工巡护而言，实现了道路由被动看护到主动看护的转变，大大降低了人力和物力成本，也减小了交通事故引起二次事故的风险。同时，系统对自然灾害如洪水冲蚀、滑坡、落石等实时报警，对高速交通安全真正起到了保驾护航的作用。主要技术包括：①连续分布式测量，可连续得到沿着探测光缆几十公里的测量信息，实现实时监测。②声音侦听，完全还原现场的声音。③工作人员在值班室即可人工远程实时参与声音的监听分析。④先进的人工智能分析技术，利用监督学习功能，将已知的轮胎碾轧、风声、雨声、雷声、火车经过等声音标记为正常事件，归入白名单。⑤良好的人机交互界面，通过采用二维地图与实际公路坐标一一对应，一图总览，一图管控。

1.3 系统结构组成

系统由光纤侦听探测终端、主控中心和人工智能平台三部分组成。

1.4 业务架构

光纤侦听高速公路灾害及事故监测报警系统可以对高速公路上下行有害事件情况进行提前定位和正确识别，并通过大数据分析技术与AI算法识别技术，来智能识别现场声音信息，对重要事件提前开展先期预警和信息告警，来有效帮助管理人员开展工作，有效阻止车辆撞上落石和预防交通事故产生二次事故灾害的发生。光纤侦听高速公路灾害及事故监测报警系统的智能化业务预警判断如图1所示。

2 业务功能模块

2.1 光缆质量监测模块

光缆在线质量监测子系统基于WDAS的光纤性能实时分析，对光缆链路的光强、接头盒、光衰点及盘纤点进行实时监测。

2.2 防破坏监测模块

光缆防破坏监测子系统实现对长距离沿线因交通事故或自然灾害（例如地震、路面沉降、暴雨、山洪、泥石流及滑坡等）引起的破坏事件进行预报预警和定位，还能对沿线远距离发生的危害事件进行分析和判断，定性事件的类型，保障道路的安全管理与维护。

2.3 故障点精准定位模块

光缆故障点精准定位子系统利用声学原理来筛查架空、绑扎在护栏上或者埋在地下的目标光缆状况。只需轻敲光缆附着物（如电杆、槽道）或光缆上方的地表，现场终端捕捉到声音振动后即可精准分析出光缆的各类参数。

2.4 光缆设备管理模块

光缆设备管理系统包含光缆台账系统、视频监控系统及地下管廊設备系统通过对设备运行中发生的各种数据进行存储分类、统计分析等。

2.5 巡检管理模块

巡检管理模块通过人力巡检、无人机巡检及机器人巡检实现高速公路维护管理工作的过程跟踪管理，加强运维工作的闭环管理，提高工作效率和工作执行力。

2.6 短信模块

当有有害事件发生时，系统及时通过短信模块，将位置信息发送到巡检值班人员预设的手机上。

2.7 视频监控模块

当发生有害事件时，系统可以第一时间通过视频监控模块，联动视频监控系统。系统将事件发生的位置信息（经纬度信息）发送给视频监控模块，然后由该模块发送给视频监控系统，最终调动事件最近的摄像机，通过云台完成PTZ操作，精准地捕捉到事件位置的图像。

2.8 App模块

系统配有手机移动端App，值守人员或者管理人员下载App后，可以随时通过移动终端访问预警系统。

2.9 无人机模块

如果事件处理中，值班管理人员确认确实需要启动无人机进行紧急干预的，可通过系统发布指令，通过无人机处理模块，联动无人机系统，将事件的精确经纬度发送给无人机，并要求无人机系统立即起飞。同时，将事件位置的无人机视频图像保存在系统内进行证据留存，以便于警方随时调用。无人机同时带有喊话器，值班人员可以通过无人机喊话器，警告事故现场人员以及后方车辆。

3 人机交互界面

3.1 系统主界面

系统的主界面图像中间部位是二维的GIS地图，黄色线条表示高速公路走向，绿色的圆点是工作人员的助记符（例如公路桩、匝道出入口、收费站等等）。当有事件发生时，地图上会显示事件的精确位置和已经分析的事件结果。图像下边缘是事件的详细信息，如事件位置、影响范围宽度、事件类型、开始时间、最新的时间、处置菜单等等信息。图像的左右各有三个联动系统模块窗口，如登入人员信息、无人机联动情况、视频监控联动情况、手机App、人工智能系统情况等等。

3.2 GIS地图信息与历史查询记录

系统存储超过3个月的历史信息，操作人员可以通过地图，调取某一个时间段、某一段围栏段的历史数据资料，进行反复播放复核。

3.3 精准定标

定标模块是将光缆的皮长米数和地图GIS坐标进行一一对应的一个工作。其主要任务是把三条光缆的皮长与地理位置进行对应，并根据先后顺序判断事件入侵方向。

3.4 智能识别/分析

系统报警逻辑是当布放在公路两侧护栏上的光缆被某事件触发后，系统立即在大屏地图上显示出事件位置和事件提醒信息。此时，系统会自动进行录音，同时保存该位置的其他三条光缆上该附近点左右各3个单位的声音信息，进行10 s的事件记录。记录后的声音送给人工智能系统进行分析。

4 系统优势

4.1 技术优势

4.1.1 高性能

该系统高性能主要体现在6个方面：①监测距离远。单台设备可探测两条50 km皮长的光缆（上下行方向四条护栏20多公里高速），能对事件发生地精准定位并及时判别。②连续分布式测量，可以同时监测多个点位和事件，且各点位及事件不会出现相互干扰。③具有实时声音复核手段，历史记录声音回放功能，可以对全路段任意位置进行实时声音监听，辅助操作人员进行人工判别。④误报率极低。系统运行核心是侦听声音，经智能系统对捕捉的声音进行快速、准确的分析，预警错误率控制在3%以内。⑤反应迅速。通道扫描周期低至0.5 ms，声音延迟0.5 s。⑥稳定性好。遇到风、雨、雷电等危险及恶劣天气时，系统仍可以正常使用，预警准确率高，系统经过多轮高低温和交变湿热的环境测试，已确认适应各种恶劣环境。

4.1.2 低成本

该系统具有成本较低的特点，主要体现在4方面：①智能化程度高，无需人员值守。发现异常事件，系统直接通过短信和网络将信息反馈给相关人员。开放性设计，便于数据管理及现场控制。②可靠性高。与视频监控和振动光缆等技术不同，探测光缆布置在高速护栏的外侧，目标不明显，大大减少了被恶意破坏的可能。③成本低。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；光缆可长时间浸泡在液体里。④施工简单，维护方便。光纤接上设备后，简单调试即可投入应用。

4.1.3 运行安全

该系统具有运行安全的特点，主要体现：①本征安全可靠。系统使用的光纤不怕高压电、强磁场、核辐射、刮风下雨打雷等影响，在极端恶劣的户外环境下都可以正常传感。②电磁绝缘性极好。光纤本身不带电，体积小，质量小，塑性好，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。系统使用的光纤其材质是石英，完全绝缘，不受雷击影响。

4.2 技术特点

该系统的技术特点主要有6点：①连续分布式声波采集。每1 m光缆都是独立的传声器，可独立地将声音采集回来，并且可以实时播放每一个位置的现场声音。②完善的人工智能分析。系统已存储有数十万条声纹模型库，如众多的轮胎碾轧声音、火车、汽车、拖拉机、履带车、打桩机、挖掘机、触碰光缆等声纹库，如遇到新的声纹信息可以非常方便地进行二次深度学习。③多系统联动。系统可联动原有的三维可视化系统和视频监控系统。④灵敏度高，测量精度高，定位精度±2～8 m。⑤寿命长，可达10年以上（光缆可达20年以上），维修维护成本低，系统维护简单。⑥光纤体积小、质量轻、传感长、感知多。

5 结语

通过该系统的应用，能够实现高速公路灾害的准确监测与反馈，极大地提高高速公路运行部门的管理效率，对减少高速公路灾害的危害、提高运行质量以及降低运营成本具有重要的研究意义。

参考文献

[1]江俊翔， 牛红梅， 周富华， 等. 广西公路地质灾害智能监测预警系统[Z]. 南宁：广西交通科学研究院， 2016.

[2]宋常军， 王健， 吴立堅. 山区公路堑坡滑坡灾害实时监控研究[J]. 中国安全生产科学技术， 2014（9）： 95-100.

[3]罗威， 马然. 高速公路滑坡智能监测系统解决方案和应用[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2015（5）： 32-33.

[4]杨昱， 郝立生， 孙玫玲， 等. 天津市公路交通气象灾害风险监测预警系统分析[J]. 通讯世界， 2018（1）： 280-282.

[5]韩建超， 张亮， 任凯珍， 等. 基于物联网公路高边坡地质灾害监测系统研究[J]. 城市地质， 2020（1）： 76-80.

[6]王慧敏， 罗忠行， 肖映城， 等. 基于GNSS技术的高速公路边坡自动化监测系统[J]. 中国地质灾害与防治学报， 2020（6）： 60-68.

[7]岳秀坤. 公路交通气象灾害智能监测预警系统应用分析[J]. 山西电子技术， 2021（1）： 20-22.