1.概述

随着社会经济的发展，电缆隧道正在逐步形成。为了达到电缆沟/电缆隧道给人们带来安全、舒适、快速服务之目的，还必须依靠电缆沟/电缆隧道现代化管理的支持系统——通信系统的保障和支持。

电缆沟/电缆隧道通信系统不但提供监控系统和收费系统的数据、语音和图像等传输通道，而且要保证电缆沟/电缆隧道各管理部门之间业务联络通讯的畅通，并要为电缆沟/电缆隧道内部各部门和外界建立必要的联系；同时电缆沟/电缆隧道通信系统作为交通专用通信网的重要组成部分，是交通信息的主要传输载体，要为各种网络及会议电视系统提供传输通道。

但是近年来，伴随着电缆沟/电缆隧道网建设和网络改造的进行，通信光缆经常被挖断。通信光纤线路很长，一旦被挖断，排查起来费时费力，如果不能及时抢修，还会影响既有电缆沟/电缆隧道的正常运营。

传统的维护手段多为人工巡线，主要通过摄像头和红外线等传感器来进行监视，只能对局部位置进行监测，会出现盲区。本公司研发的分布式光纤声波振动监测系统，运用分布式光纤声波振动传感技术，使用既有通信光缆作为传感单元，可以实现对第三方破坏事件进行预警和定位，及时提醒管理人员对入侵破坏行为进行阻止，避免发生断缆断通信事件。本方案设计将从以下方面展开：

1. 利用分布式光纤传感系统对光缆管道线路进行实时测量；
2. 当出现可能涉及管道危害事件（如：管道附近施工、人为破坏管道、自然灾害等），即时发出预警，显示异常区域的准确位置，提醒救援人员及时赶往现场；
3. 通信光缆安全在线监测。长距离通信光缆如出现光缆断点，系统显示断点的位置及断纤时间。

一个分布式光纤声波振动监测系统可以保护1- 40 公里的电缆，以及其所在缆沟内的所有线缆。

⚫ 这是一个简单的改造,不需要安装新的电缆。主设备都在机房中，附属设备（传感终端箱）在野外，但是它是无源设备，监测很可靠。

⚫ 解决方案提供了入侵的精确位置，定位精度±5 米范围内，都在人的可视范围。

⚫ 施工方在光缆线路施工的第一刻，营运商可以监测到施工的正确与否及时派遣巡护员,从而防止损害主干布线。

⚫ 采用光开关系统，可以‘时分’巡检各个方向的光缆网络，从而实现二级光网络的全网‘时分’防护，更具经济效益。（选项）

⚫ 关键是它的监测还可以保护同缆沟的所有线缆，从而同时保护了周边线缆安全；分摊到所有维护线缆上，它是一个极低成本的维护仪器。彻底解决了光缆路由维护中第三方侵入的探测问题。

⚫ 对于主干网，当需要保护的通讯光缆长度超过 40KM 以上，且光缆沿线均无国防单位（哨所）设置，无法采用级联方式进行防护时，可以使用 DVS+拉曼放大器方式，实现在需防护的光缆网络起点机房和终点机房各布设一台分布式光纤声波振动监测系统对 120~140km 距离的光缆防护，满足超长距离通讯光缆的预警防护需求。

2.分布式光纤声波振动监测系统（DAS）

2.1.系统简介

分布式光纤声波振动监测系统（DAS）是基于瑞利散射效应、光时域反射技术原理，集成光学、电子、机械和软件算法等组成的复杂系统，是最新一代分布式光纤传感技术的产品。该系统采用单模光纤，光纤既是传输介质，又是传感元件。将光缆敷设于待测体上，即可实时获得光纤上每一点的振动信息，实现超长距离的连续在线监测与精确定位。

分布式光纤声波振动监测系统（DAS）由公司完全自主研发、生产。产品模块化设计，具有性能稳定、定位精确、安装维护简便、功耗低的特点，和监测距离长、全域分布无盲点、无源防爆、抗干扰、隐蔽性强、对环境要求低、使用寿命长、智能融合便捷等优势，适用于长距离油气管线第三方破坏、铁路沿线防护、海底光电复合缆锚害等一系列入侵行为的连续在线监测。

 

2.2.测量原理

分布式光纤声波振动监测系统（DAS）基于相位敏感的光时域反射（Φ—OTDR）技术，实现对微弱振动信号的检测与定位。当振动信号作用在传感光纤上时，对应位置处的光纤发生振动，由于弹光效应，光纤的折射率、长度等发生微小变化，导致光纤内传输信号的相位发生变化。该系统所用的是高度相干的脉冲光源，因此脉冲宽度区域内散射回来的瑞利信号之间会发生干涉。由振动产生的相位变化使得干涉信号的强度发生变化，通过检测振动前后的瑞利散射光信号的强度变化，即可实现振动事件的探测，并具备多振动事件同时精确定位的功能。

 

 

2.3.智能事件识别

从系统获得的是光纤上各点的时域振动信号，其中包含了非常丰富的原始信号，如何从这些信号中识别出异常事件，是系统降低误报率的关键问题。为了实现对不同种类振动信号的分类，就需要通过信号分析，从信号原始形式中提取出能够区别各类信号的特征，从而进行后续的异常事件识别。因此需要寻求一种特定的变换，将信号分解或映射到一个低维特征空间，使得我们能够获取信号的特征信息，从而从复杂的形式中识别不同的原始信号。

光纤系统智能事件识别算法流程如下图所示。光纤测试系统获得的振动或振动信号，首先通过小波包分解，将其按频率高低分解到不同频率段，计算各个频率段序列的能量所占信号总能量的百分比，作为信号特征输入 BP 神经网络进行分类，从而实现异常事件类型识别。

 

2.4.事件精确定位

光纤监测预警系统监测光缆布放完成后，当有异常事件发生时，其在介质中产生的扰动以振动波的形式往周围传播，如下图，振动波到达监测光缆上各点的路径不一样，光缆各点感受到振动波的相位有差别。采用分布式振动检测仪器测试出光缆上每个点振动信号，在时间和空间域中考察各点振动的分布，就能确定目标的位置。再把时间和空间域进行二维傅里叶变换，得到波数和频率域（k-ω）中的功率谱，对功率分布进行线性拟合，获得目标的移动速度。

 

2.5.信号识别技术

（1）支持向量机（SVM）

支持向量机（support vector machines, SVM）是一种二分类模型，它的基本模型是定义在特征空间上的间隔最大的线性分类器，间隔最大使它有别于感知机；SVM 还包括核技巧，这使它成为实质上的非线性分类器。

SVM 能够正确划分训练数据集并且几何间隔最大的分离超平面。如下图所示， [公式] 即为分离超平面，对于线性可分的数据集来说，这样的超平面有无穷多个（即感知机），但是几何间隔最大的分离超平面却是唯一的。

 

（2）BP（back propagation）神经网络

BP神经网络是一种多层的前馈神经网络，其主要的特点是：信号是前向传播的，而误差是反向传播的。它模拟了人脑的神经网络的结构，而人大脑传递信息的基本单位是神经元，人脑中有大量的神经元，每个神经元与多个神经元相连接。BP神经网络，类似于上述，是一种简化的生物模型。每层神经网络都是由神经元构成的，单独的每个神经元相当于一个感知器。输入层是单层结构的，输出层也是单层结构的，而隐藏层可以有多层，也可以是单层的。输入层、隐藏层、输出层之间的神经元都是相互连接的，为全连接。总得来说，BP神经网络结构就是，输入层得到刺激后，会把他传给隐藏层，至于隐藏层，则会根据神经元相互联系的权重并根据规则把这个刺激传给输出层，输出层对比结果，如果不对，则返回进行调整神经元相互联系的权值。这样就可以进行训练，最终学会，这就是BP神经网络模型。

 

第一区域的来说，它们相当于外界的刺激，是刺激的来源并且将刺激传递给神经元，因此把第一区域命名为输入层。第二区域，表示神经元相互之间传递刺激相当于人脑里面，因此把第二区命名为隐藏层。第三区域，表示神经元经过多层次相互传递后对外界的反应，因此把第三区域命名为输出层。

简单的描述就是，输入层将刺激传递给隐藏层，隐藏层通过神经元之间联系的强度（权重）和传递规则（激活函数）将刺激传到输出层，输出层整理隐藏层处理的后的刺激产生最终结果。若有正确的结果，那么将正确的结果和产生的结果进行比较，得到误差，再逆推对神经网中的链接权重进行反馈修正，从而来完成学习的过程。这就是 BP 神经网的反馈机制，也正是 BP（Back Propagation）名字的来源：运用向后反馈的学习机制，来修正神经网中的权重，最终达到输出正确结果的目的。

2.6.产品特性

分布式光纤声波振动监测系统DAS作为最新一代的OTDR型分布式光纤传感技术，利用沿护栏直线敷设的通信光缆或者传感光缆作为传感器，“传”、“感”合一，现场无需供电、无需额外数据传输设备，可实现单向40公里以上测量距离，具有明显的技术优势，非常适合电缆沟/电缆隧道护栏在线监测。具体如下：

①长距离分布式测量：可以实时测量光纤沿线任一点上的温度、振动 等分布信息，覆盖管道全线范围，无测量盲区，最大实时监测距离可达40km。

②多事件定位：OTDR型分布式光纤传感器先天具备多振动事件探测及定位功能。

④定位精度灵敏度高：精准识别入侵事件，如：人工或机械开挖缆沟/管道、系统对各种事件发出的异常声音非常灵敏，可检测光缆沿线的机械振动、撞击、机械碰撞等；入侵定位±5米

⑤本质安全：分布式光纤传感器采用光信号测量，抗电磁干扰；管道现场无需供电，防爆阻燃

⑥寿命长：单模通信光纤本身就是传感器，“传”“感”合一，并且光纤寿命可达30年，可以长年累月地实时监测线路安全，后期维护成本低。

 

2.7.系统软件

作为预警系统硬件和终端用户之间交互的桥梁，系统软件负责信号处理、威胁事件识别、数据存储、报警管理等任务。系统软件主要包括如下功能模块：

（1）系统能够实现异常事件安全威胁事件的实时检测与自动报警，软件主界面为 GIS 地图显示，当自动检测到管道有威胁事件的发生，立即在地图上显示报警地点并配合声光报警，提醒监控人员进行处理，同时记录预警地点、时间和事件类型。根据客户需要，可提供短信报警功能，对指定手机号码发送报警短信。

（2）报告生成模块可生成地图式和参数式两种报警报告，内容包括系统状态、报警状态、报警位置、报警级别、报警类型、报警时间。

（3）波形回放和分析工具，可对采集到的光纤信号进行深入分析，通过人工方法进行威胁事件判断。

（4）瀑布式监控显示，可清楚显示威胁事件随时间和空间的发展趋势，辅助威胁事件的人工识别。

（5）软件提供报警查询功能，能够根据事件类型、发生日期、操作用户等进行历史报警查询。

（6）3 种用户接入模式：用户、管理员、工程师，可自定义访问权限。

（7）系统软件采用多进程技术，具有自恢复功能，系统软件崩溃后可自动恢复运行。

 

采集的一些振动事件波形图举例：

 

 小型工具钻探的振动波形图

 

挖掘机作业的振动波形图

 

2.8.性能指标

产品指标
输入电压	220V±10%，50HZ±5%
额定功率	80W
频率响应	10Hz～10KHz
探测距离	典型40km（最远50km），2通道，最长可到100km
信号响应时间	<3s
定位精度	±10m
工作温度	-10～+50℃（室内）
湿度	10～90% @25℃（非冷凝）
光纤接口	FC/APC
尺寸（长×宽×高）	482.6×343.8×88mm（19寸机架式）
传感光纤
光纤种类	单模光纤传感光缆
使用寿命	>15年
光缆损耗	<0.20 dB/km
工作温度	-40℃～+90℃（室外）

2.9. 系统优势

◆ 实现长距离管道的监控：产品可保护 20KM~40KM 光缆主干链路

◆探测率极高 ：伤害光缆事件单次触发（触摸光缆、人工挖掘、机械挖掘、鼠害等）的探测率＞99.7%，伤害光缆事件多次触发的探测率=100%。

◆ 误报率极低：系统具有 AI 学习机制，安装校验后，经过‘训练集数据采集与‘盲测’，建立了事件数据库，（虚警）误报率小于 1%。

◆定位精度 高：探测触发报警事件，光缆纵向定位精确到±5 米范围内，都在人的可视范围。

◆ 即时告警：系统的报警响应时间小于 3 秒。

◆横向灵敏度校验：可满足业主个性化需求，如：根据业主场景探测需要，

对手工挖掘事件，可设置光缆上方横向探测 3 米（建议值）；机械挖掘事件，

光缆上方横向探测 10 米（建议值）。并且，可对不同介质进行振动波形图采

集，如：水泥、沙石、粘土等，以提升个性化触发事件探测率和减低误报率。

◆ 系统设置具有人性化与多样性：可针对不同的事件，对系统进行设置，对

于正常的施工等常规作业事件，可手工设置为正常事件，从而减少误报。

◆ 敏 感 数据光缆保护：一旦开启系统，即可监控光缆，任何的光缆触摸即可

探测到，从而防止了数据的截断及数据的盗窃，因此实现保密通信。

◆ 早期预警非法的机械施工、非授权的人工挖掘：在还没有挖到光缆，或者刚开始施工时，系统即可发现并报警，给线缆巡护员充分的到场时间。

◆ 减少蓄意破坏：偷盗电缆、光缆，增加井盖传感装置，贼人在开入孔时，系统即可探测到位置，可立即派附近线缆巡护员进行制止。

◆ 确保施工的准确性：多台设备应用后，可确认光缆拓扑结构，监控施工方向的对错。

◆ 光缆全域安全管理：监控光缆内全部光纤，及同路由的缆线，实现全域管理。

◆ 系统兼容性强，无干扰：监控与现有的数据传输不冲突，不需担心干扰。

◆ 实现对光缆网络的有效管理：翻新了现有的数据网络，从放任自流的管理到全域预警可控的 7*24 小时的精细化管理。

3.系统方案

3.1.设计目标

基于业界最先进的分布式光纤传感技术，利用电缆沟/电缆隧道已有的通信光缆里面的光纤纤芯连接到光纤振动探测主机，实时在线监测通信光纤线路管道沿途的各种第三方入侵、盗挖等，及时阻止破坏事件，保护光纤通信安全。设计目标包括：

• 实时在线的光纤管道沿线振动监测；
• 提供异常振动事件的早期探测；
• 当探测到第三方挖掘破坏时，及时进行精确地预警和定位；
• 当发生光缆断纤或故障时，及时进行精确地预警和定位。

3.2.设计依据

中华人民共和国安全防范行业标准（GA/T74-94）

中华人民共和国公共安全行业标准（GA/T70-99）

《安全防范工程程序与要求》（GA／T75－94）

《安全防范工程程序与要求》（GT／T75-94）

《光缆接头盒第一部分：室外接头盒》（YD/T814.1）

《电信网光纤数字传输系统工程及验收暂行技术规定》（YDJ44）

《通信电源设备安装设计规范》（YD5040）

《通信电源设备安装设计规范》（YD5040）

《计算机站场地技术条件》（GB 2887）

《数字处理设备的安全》（GB 4943）

《低压配电设计规范》（GB 50054）

《通用用电设备配电设计规范》（GB 50055）

《自动化仪表工程施工及验收规范》（GB 50093）

《电信网光纤数字传输系统工程及验收暂行技术规定》（YDJ44）

《通信电源设备安装设计规范》（YD5040）

《光缆线路性能测量方法第二部分：光纤接头损耗》（YD/T1588.2-2006）

3.3.技术特点

分布式光纤声波振动监测系统（DAS）是基于瑞利散射效应、光时域反射技术原理，集成光学、电子、机械和软件算法等组成的复杂系统，是最新一代分布式光纤传感技术的产品。该系统采用单模光纤，光纤既是传输介质，又是传感元件。将光缆敷设于待测体上，即可实时获得光纤上每一点的振动信息，实现超长距离的连续在线监测与精确定位。

道路护栏碰撞预警及定位系统优点

• 长距离分布式光纤声波振动监测系统的工程实施技术
• 复杂环境噪声下典型事件的模型数据库与神经网络识别技术
• 基于小波分析的复杂环境噪声下事件的精确定位技术

3.4.方案设计

主要应用在智能电网城市电力地埋电缆及管道、油气管道、电信运营商光缆主干网线路等地埋管道防外力破坏预警防护上，通过1根光纤组成40KM的长距离分布式光纤传感器，借助模式识别的事件数据库，通过机器学习机制，培育AI系统，在入侵事件发生时，准确判定事件类型和决策告警。

应用行业布设示例：城市电力地埋电缆及通道的防外力破坏预警防护系统利用原有通信光纤作为传感元件探测周围环境中的振动信号，无须再另外敷设振动传感光缆，并通过光缆将相应信号传输给系统主机部分进行分析处理判断是否发生报警。系统产生的报警信号可以通过继电器扩展模块发出继电器信号直接与其他系统联动，也可以通过软件协议方式与其他系统联动。

 

系统结构图

举例：线路全长100km，在两端的设备机房，从通信光缆中取预留的2芯作为传感探测光缆使用，分别接入到分布式光纤声波振动监测系统（DAS），每台DAS主机可以监测最远1-50km长度的线路环境。，如下图所示。

 

设备布置图

3.5.设备清单

序号	名  称	单位	数量	规格
1	分布式光纤声波振动监测系统主机	台	1	测量距离50公里，包含智能事件识别算法
2	尾纤、接线盒、终端盒	套	1	以实际使用量为准
3	显示器、键鼠	套	1	19英寸