原理和背景

分布式光纤声波传感（DAS）技术通过检测背向瑞利散射光，用于感知振动信号（如图一）。相较于传统点式的传感器，通过DAS技术可以将光纤作为信号采集和传输媒介的采集技术，在光纤上的每一点都用于收集环境中的振动信息，适用于长距离连续的检测场景，并具有布设便捷、抗高温高压、无需额外供电、全天候检测、维护成本低等优点。

 

图一 技术原理

 

由于以上的优点，DAS系统越来越多地部署在电力、安防、城市道路、地下管道监测等领域，用于对设施结构安全、入侵检测等监控方面。其中城市地下各类管道在日常生活生产中扮演着重要的角色，随着使用年限的增长，受到各类损坏和老化，需要经常进行检测和维护。尤其是城市地下排水管道，有各种长期检测的痛点需求，包括管道本身断裂漏水、堵塞、沿线异常排放、周边挖掘破坏风险等。传统的检测方法是使用摄像头的潜望镜和CCTV视频检测，这两种检测方式是基于图像分析，大多用于问题发生后的定位，无法实现全天候的监控，且难以形成长距离检测的系统。

本次建设的内容

1. 总体架构设计

• 系统架构

系统采用三层架构，包括环境感知层、数据算法层、用户交互层，支持从数据采集到应用服务的全流程闭环。

• 环境感知层：基于分布式光纤声波传感器（DAS）与单模暗光纤，实现管线振动、应变等物理量的实时采集。
• 数据算法层：包含边缘计算与中心算法库，通过神经网络、信号处理等技术完成数据分析。
• 用户交互层：提供可视化界面与多终端接入，支持缺陷监测、溯源分析等功能。

 

2. 技术路线

• 传感技术：采用DAS探测仪，结合耐腐蚀、免供电的单模暗光纤，适应地下复杂环境。
• 通信协议：以太网UDP、TCP长连接确保数据传输的实时性与稳定性。
• 算法模型：融合阵列信号处理、深度学习神经网络（如Simple NN、Deep Learning NN）与大数据统计，提升分析精度。

 

 

总体架构

 

2. 分项设计说明

1. 环境感知层设计

• 核心设备

• DAS探测仪（如图二）

性能特点：

高性能FPGA算法，支持脉冲压缩编码调制技术，提升信号解析能力。

宽温工作范围，可在更宽的温度范围内有效运行，增强其在多种工况下的适用性。

高性能低功耗设计，兼具卓越的监测能力和能源效能，支持长时间连续运行。

部署方案：

部署5台设备，安装于防破坏设备箱内，就近取电。

 

图二 DAS探测仪

• 单模暗光纤（如图三）

特性：耐潮湿、耐高温、耐腐蚀，无需额外供电与通信模块，铺设成本低。

铺设规划：沿雨水管线铺设50公里光缆，覆盖片区管网。

• 数据采集

• 通过DAS探测仪发射光脉冲，接收背向散射信号，解析管线中的扰动数据。

图三 单模暗光纤

 

• 数据算法层设计

• 边缘计算架构（如图四）

• 功能模块：

DAS分析软件：提供图形化界面，支持光强曲线、瀑布图显示、断纤检测及参数设置。

数据处理：集成积分滤波、应变率读取、RMS统计等算法，实现初步数据清洗。

存储与传输：采用移动硬盘柜扩展存储容量，通过千兆/万兆网口与中心服务器通信。

 

图四 边缘端计算架构

• 中心算法库

• 核心算法：

阵列信号处理：基于均方根能量、距离-频谱分析，定位管线异常点。

地球物理波场重构：结合时域与频域测量数据，反演管线结构状态。

人工智能模型：利用深度学习神经网络，实现缺陷模式识别与预测。

 

• 用户交互层设计

• 功能模块： 

缺陷监测：实时显示管线破损、淤积位置，触发分级预警。

排放溯源：结合流量数据，追踪雨污混排源头。

历史记录：存储缺陷事件、维护记录，支持时间轴回溯。

防外破报警：监测施工振动，推送告警信息至管理终端。

多端适配：支持Web端、手机APP及外围设备接入，实现跨平台协同管理。

 

3. 实现城市地下排水排放系统的实时监测，实现
   1. 晴天雨水管不明异常水源排放的监测。构建数据分析平台，通过大数据分析技术提供实时及历史排放情况的数据报告，并提供可视化管理软件。一旦监测到异常情况，能够快速定位问题并推送至管理单位，避免污水通过雨水直接排放的恶性事件。

 

2. 在线排水管道缺陷检测与长期监测。对常见管道中的缺陷进行检测和监测，如破裂、错口、脱节、沉积、障碍。系统可对大范围内的管道健康状况同时进行评估，筛选出有问题的重点区域，配合CCTV等检测手段，大大提高全区域内的管道健康检测能力，及时修复管道缺陷，降低大型维修成本，避免重大隐患的发生。
3. 在线排水管道防外破监测。对地面上排水管道附近的强振动事件进行识别、定位和报警。通过大数据和人工智能技术，及时对整个区域内，管道周边可能会对地下排水管道造成破坏的活动进行全天候实时监测，大幅降低人工成本，保障区域内的管道结构安全。

通过以上三个功能的实现，提升城市排水系统的智能化管理水平，促进智慧城市基础设施建设，为城市可持续发展提供支撑。

 

4. 预计放置5台设备。雨水管现状长度24304.2公里，为保证检测光缆的连续性，考虑到部分雨水管需光缆来回铺设以及光缆预留等各种因素，预计光缆铺设长度50公里。一台设备检测光缆长度为十公里，因此采用5台设备。