借助运营商的光纤接入光纤调制解调设备，继而优化算法，检测道路空洞最近，东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程中心(以下简称中心)的科研人员们穿梭在南京的街头和光纤接入机房，力求用他们的分布式光纤传感技术，为道路“做CT”，以防道路塌陷。
近年来，城市道路塌陷灾害进入集中爆发期。根据《全国地下管线月，由于地下管线引起的道路塌陷事件高达269起。
自2022年起，东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程中心开始研发分布式光纤传感技术，通过既有光纤接入光纤调制解调设备，接收、分析通过光纤散射光还原的振动信号，从而为排除道路隐患提供技术支撑。
“我们希望，通过一根光纤，就能够实现全天候监测道路地下空洞的愿景。”5月20日，接受科技日报记者采访时，该中心主任助理吴栋如是说。
“当前，探测地下空洞的主要手段是采用探地雷达。这种方法能够精确探知地下空洞的位置、深度和尺寸。但在实际使用过程中，由于采购费用和服务费用均较高，探测速度较慢，地下水影响地下空洞判读，所以难以大面积推广。”吴栋介绍，对于地下空洞探测来说，急需寻找一种能够扩大传感器监测范围，降低传感器布设成本，能实时、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。
光在光纤中传播时，受光纤状态及光纤周边环境影响而发生变化。利用相关原理，科研人员可以对光纤周边的振动、应变、温度进行测量、分析和定位。
“具体来说，就是将光纤接入光纤调制解调设备，设备向光纤发出入射光。这束光在光纤中传输时，由于光纤材料的密度、折射率等光学性质存在微观不均匀性，入射光就会产生散射现象。”吴栋介绍，当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中的散射光相位便会随之变化。
“而道路的不同病症散射回光纤调制解调设备的信号具备各自特点。我们为这些特定场景构建了声纹库，当道路发生空洞、进行破坏性施工或者雨污管线发生结构性破损时，光纤的振动、应变、温度信号会有差异。后台的计算机算法通过声纹库比对，就能知道道路出了什么问题。”吴栋举例说，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。而地下空洞点位的信号与正常点位信号相比，存在更大能量衰减，因此通过光纤振动信号分析可有效监测道路空洞。
目前，该团队研发的光纤振动分析算法能识别的作业主要有挖掘机砸地、风炮作业、切割机作业、夯机作业、顶管机作业等。
为验证监测方案的可行性和科学性，2023年，科研团队选取了南京市御道街一条2公里的道路进行实验测试验证。科研人员发现，道路两侧外侧车道有密集分布的小规模空洞，最小空洞直径为1米左右。
“我们将测试结果数据与市政道路养护数据对比后发现，监测总体准确率达85%，但这里的主要空洞为市政窨井。”吴栋说。
2022年11月2日，分布式光纤感知监测到，当天13时36分至13时42分，南京德基广场二期东侧停车场入口附近有工程机械破碎作业。项目组成员随即赶至停车场入口现场确认，发现在围挡中确有挖掘机作业。
而若要感知道路隐患，选取的监测点越密集越好。吴栋介绍，分布式光纤感知技术目前可以实现40公里连续的感知信息获取，风险定位误差在米级以内。如今，团队对于光纤常规监测点的间隔距离设定为10米，一旦发现信号异常，还可以加密测量的监测点，以便更精准地找到道路“出血点”。
“更重要的是，运用分布式光纤感知技术，无须破路施工，只需将运营商已有的通讯光缆中的光纤接入感知设备，就可以进行监测，一般3至5年内根据需要升级布设在机房中的硬件设备，便于维护。”吴栋表示，目前，团队已经在无锡、苏州昆山、宿迁等地布设分布式光纤传感设备、调试算法。下一步，团队将进行区域示范，力求不断提供道路空洞等不良事件的识别精度，同时探索降低使用成本，为城市安全保驾护航。
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