一根光纤，能实时感知地下空洞

本文转自：新华日报

不用破土！东大团队改进道路探测手段——

一根光纤，能实时感知地下空洞

□ 本报记者 谢诗涵

随着城市化快速发展，城市道路塌陷事件时有发生，给人民生命财产带来重大损失。如何多快好省地实现道路全域、全时段监测？其实，一根光纤就可以解决。

用光纤实时给路面“做X光”

大多数城市主要采用人工日常巡检方法对道路状况进行监测，对部分重点路段补充定期探地雷达检测，这也是目前道路地下空洞探测的主要手段。东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程中心主任助理吴栋告诉记者，尽管这种方式具备分辨率高、易开展、无损探测的优点，但在实际使用过程中高度依赖人工现场操作。“利用传统方式探测往往需要耗费较长的时间，且探测数据不具备连续性和持续性，成本高、效率低。”

为此，东南大学团队提出光纤感知技术，深入开发了优化算法，实现了使用分布式光纤声波传感系统（DAS）探测道路空洞的功能。光纤耐腐蚀、寿命长，利用运营商已有的通信光缆，无需破路施工就能够将系统覆盖相应的道路，极大地降低了探测的成本。

吴栋介绍，运营商的通信光缆一般埋设在道路一侧，选取其中一根光纤作为探测传感器，当车辆通过道路时，光纤每个采样点将采集到车辆通过的振动信号，而地下空洞附近点位的信号与非空洞点位信号存在差异。传感装置依托振动特征库与预警算法识别出异常，生成报警信息和报警位置，推送系统平台。

探测雷达是精确地对于某一个位置做出详细的确定，而分布式光纤声波传感系统则是对于大范围的宏观把控，能够识别出一定范围内哪些地方存在比较高的风险，相关单位收到预警后，便可通过人工巡检、探地雷达监测等方式进一步核实确认，有效避免潜在风险演变为现实风险。

“相当于给道路先做个X光，筛查出问题再做CT或者核磁共振。”吴栋表示，与传统的探测法相比，分布式光纤声波传感系统具有低成本、全天候、广覆盖、高性能、免维护等多重优势。如今，我国拥有全球最大规模的光纤网络，足以实现对高速路面全方位实时监测。

道路空洞检出率超70%

“我们一年半之前就开始做这个事情了。”吴栋介绍，2022年江苏省大力推进城市生命线安全工程，东南大学作为江苏省住建厅重要的技术支撑单位，一直着力通过技术手段攻克道路安全问题。

城市道路的沥青层厚度约100—120毫米，沥青之下的水稳层和三合土层厚度约500毫米，而道路空洞往往就出现在这600毫米厚度之下。一般而言，空洞直径在500—600毫米时，人在路面上很难察觉，而真正出现道路形变，往往地下空洞直径已经超过了1.5米，存在较大安全隐患。因此，监测预警前置是关键。

吴栋坦言，针对道路塌陷灾害，团队在技术研发过程中最难的就是精准捕捉特征信号。“路面交通情况复杂多变，经过光纤之上的可能是一台车，也可能是很多台车，而震源的频率、波长、振幅等波形特征并不恒定且相互耦合，这给我们的研发增加了不小的难度。”为了攻破难题，团队耗费4个多月时间开发深度学习算法，借助探测数据时域和地域上的变化进行危险信号的综合判断。

目前，利用分布式光纤声波传感系统（DAS）探测道路空洞单路最远可达40公里，风险定位误差在米级以内。为了验证监测方案的可行性和科学性，项目团队已选取南京市御道街等9条道路进行实验测试，道路空洞在测试路段内检出率超70%。

一根光纤应用多个探测场景

城市生命线是保障城市安全运行的重要基础设施。“监测城市基础设施运行状态的传统做法是大量部署常规传感器，但存在部署成本高、运维困难、系统间不连通等弊端，因此我们需要建立实时、准确、动态感知城市基础设施振动、温度、应变的监测感知网络。”江苏东印智慧工程技术研究院科研创新中心副总监董逸轩表示，除了城市道路之外，分布式光纤声波传感系统在其他场景中也能“施展拳脚”。

董逸轩举例，城市里雨水管、污水管经常发生一些结构性破坏，现有技术手段一般需要将管道排空、冲洗干净，由管道机器人进入拍摄，再由人工判断是否存在“病害”，效率低且成本高。而依托分布式光纤声波传感系统，通过管道光纤，接收沿管道传播的振动信号，遇到脱节、虚接、错口等结构性缺陷处，振动特征发生变化，通过提取振动特征异常，从而监测“病害”所在。

此外，光纤具有布置灵活、成本低、耐高温的特点，能够在建筑空间自由布设，因此能在极端火场条件中稳定工作。基于这一特性，分布式光纤温度传感系统结合BIM三维数字底座，可建立建筑空间全域温度场实时感知，当建筑物发生火灾时，能够引导救援力量准确调配，辅助实现人员精准疏散。

“未来，分布式光纤声波传感系统可搭载施工作业及设备类型识别、道路空洞监测、雨污管线检测等多重算法，满足城市基础设施安全运行监测的多场景业务需求，为城市安全保驾护航。”吴栋说。