楊帆

摘要 隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，運(yùn)營保障成為高速公路運(yùn)輸行業(yè)的重點(diǎn)問題。文章從系統(tǒng)、業(yè)務(wù)功能模塊、人機(jī)交互界面以及系統(tǒng)優(yōu)勢等方面對光纖偵聽高速公路災(zāi)害監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，對保障高速公路的健康運(yùn)營具有重要的研究價(jià)值，為高速公路智能化管理提供參考。

關(guān)鍵詞 光纖偵聽；高速公路；災(zāi)害監(jiān)測；報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào) TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0019-03

0 引言

高速公路在運(yùn)營過程中，由于行駛車輛高速性和所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致滑坡、泥石流等自然災(zāi)害和交通事故時(shí)常發(fā)生，因此我國眾多學(xué)者對高速公路的災(zāi)害監(jiān)測展開了大量研究[1-4]。韓建超等[5]基于北京山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、災(zāi)害預(yù)判等方面的研究，提出了公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。王慧敏等[6]以重慶某高速公路為背景，基于GNSS技術(shù)，從系統(tǒng)介紹、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值模擬等方面對高速公路邊坡自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。岳秀坤[7]針對我國公路運(yùn)營中的現(xiàn)狀，以公路氣象災(zāi)害監(jiān)測和保障公路健康運(yùn)行為目標(biāo)，提出了一套公路氣象智能預(yù)警系統(tǒng)。為對高速公路災(zāi)害提供智能化監(jiān)測，保障其穩(wěn)定健康運(yùn)行，該文以分布式光纖偵聽技術(shù)為核心，提出一套高速公路災(zāi)害監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

利用光纖（光纜）作為傳感傳輸二合一的器件，實(shí)行實(shí)時(shí)、持續(xù)對通過直接或經(jīng)由介質(zhì)（例如土壤、鋼結(jié)構(gòu)、圍欄以及氣體等）間接觸及光纖（纜）產(chǎn)生的各類擾動(dòng)的監(jiān)測控制。當(dāng)光在光纜中傳輸時(shí)，光子與纖芯晶格間發(fā)生作用，不斷向后傳輸瑞利散射光。光纜中的纖芯對外界擾動(dòng)極其敏感，若外界產(chǎn)生振動(dòng)，纖芯會(huì)發(fā)生一定程度的形變，從而引起瑞利散射波發(fā)生變化，背向瑞利散射光的能量、相位、偏振等光信息隨之發(fā)生變化，捕捉到振動(dòng)信號(hào)的光反射回光纖傳感器時(shí)，將發(fā)生變化的能量、相位、偏振通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換處理，再將信息經(jīng)由計(jì)算機(jī)分析、處理，根據(jù)聲音聲紋的分析結(jié)果，判斷振動(dòng)事件的性質(zhì)及類型，并根據(jù)檢測光與瑞利散射回光的時(shí)間差，判斷出光纜皮長米數(shù)，同時(shí)通過定標(biāo)系統(tǒng)精準(zhǔn)找到振動(dòng)事件發(fā)生的具體位置。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用到高速公路時(shí)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測道路上發(fā)生的各類事件并準(zhǔn)確定位發(fā)生地點(diǎn)。管理人員能夠通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解事件進(jìn)展情況，及時(shí)預(yù)警并協(xié)調(diào)附近巡查人員前往事件發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行處理。光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用較傳統(tǒng)人工巡護(hù)而言，實(shí)現(xiàn)了道路由被動(dòng)看護(hù)到主動(dòng)看護(hù)的轉(zhuǎn)變，大大降低了人力和物力成本，也減小了交通事故引起二次事故的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)對自然災(zāi)害如洪水沖蝕、滑坡、落石等實(shí)時(shí)報(bào)警，對高速交通安全真正起到了保駕護(hù)航的作用。主要技術(shù)包括：①連續(xù)分布式測量，可連續(xù)得到沿著探測光纜幾十公里的測量信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。②聲音偵聽，完全還原現(xiàn)場的聲音。③工作人員在值班室即可人工遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)參與聲音的監(jiān)聽分析。④先進(jìn)的人工智能分析技術(shù)，利用監(jiān)督學(xué)習(xí)功能，將已知的輪胎碾軋、風(fēng)聲、雨聲、雷聲、火車經(jīng)過等聲音標(biāo)記為正常事件，歸入白名單。⑤良好的人機(jī)交互界面，通過采用二維地圖與實(shí)際公路坐標(biāo)一一對應(yīng)，一圖總覽，一圖管控。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)由光纖偵聽探測終端、主控中心和人工智能平臺(tái)三部分組成。

1.4 業(yè)務(wù)架構(gòu)

光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)可以對高速公路上下行有害事件情況進(jìn)行提前定位和正確識(shí)別，并通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與AI算法識(shí)別技術(shù)，來智能識(shí)別現(xiàn)場聲音信息，對重要事件提前開展先期預(yù)警和信息告警，來有效幫助管理人員開展工作，有效阻止車輛撞上落石和預(yù)防交通事故產(chǎn)生二次事故災(zāi)害的發(fā)生。光纖偵聽高速公路災(zāi)害及事故監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的智能化業(yè)務(wù)預(yù)警判斷如圖1所示。

2 業(yè)務(wù)功能模塊

2.1 光纜質(zhì)量監(jiān)測模塊

光纜在線質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)基于WDAS的光纖性能實(shí)時(shí)分析，對光纜鏈路的光強(qiáng)、接頭盒、光衰點(diǎn)及盤纖點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 防破壞監(jiān)測模塊

光纜防破壞監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對長距離沿線因交通事故或自然災(zāi)害（例如地震、路面沉降、暴雨、山洪、泥石流及滑坡等）引起的破壞事件進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警和定位，還能對沿線遠(yuǎn)距離發(fā)生的危害事件進(jìn)行分析和判斷，定性事件的類型，保障道路的安全管理與維護(hù)。

2.3 故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位模塊

光纜故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位子系統(tǒng)利用聲學(xué)原理來篩查架空、綁扎在護(hù)欄上或者埋在地下的目標(biāo)光纜狀況。只需輕敲光纜附著物（如電桿、槽道）或光纜上方的地表，現(xiàn)場終端捕捉到聲音振動(dòng)后即可精準(zhǔn)分析出光纜的各類參數(shù)。

2.4 光纜設(shè)備管理模塊

光纜設(shè)備管理系統(tǒng)包含光纜臺(tái)賬系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及地下管廊設(shè)備系統(tǒng)通過對設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分類、統(tǒng)計(jì)分析等。

2.5 巡檢管理模塊

巡檢管理模塊通過人力巡檢、無人機(jī)巡檢及機(jī)器人巡檢實(shí)現(xiàn)高速公路維護(hù)管理工作的過程跟蹤管理，加強(qiáng)運(yùn)維工作的閉環(huán)管理，提高工作效率和工作執(zhí)行力。

2.6 短信模塊

當(dāng)有有害事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)通過短信模塊，將位置信息發(fā)送到巡檢值班人員預(yù)設(shè)的手機(jī)上。

2.7 視頻監(jiān)控模塊

當(dāng)發(fā)生有害事件時(shí)，系統(tǒng)可以第一時(shí)間通過視頻監(jiān)控模塊，聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將事件發(fā)生的位置信息（經(jīng)緯度信息）發(fā)送給視頻監(jiān)控模塊，然后由該模塊發(fā)送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)，最終調(diào)動(dòng)事件最近的攝像機(jī)，通過云臺(tái)完成PTZ操作，精準(zhǔn)地捕捉到事件位置的圖像。

2.8 App模塊

系統(tǒng)配有手機(jī)移動(dòng)端App，值守人員或者管理人員下載App后，可以隨時(shí)通過移動(dòng)終端訪問預(yù)警系統(tǒng)。

2.9 無人機(jī)模塊

如果事件處理中，值班管理人員確認(rèn)確實(shí)需要啟動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行緊急干預(yù)的，可通過系統(tǒng)發(fā)布指令，通過無人機(jī)處理模塊，聯(lián)動(dòng)無人機(jī)系統(tǒng)，將事件的精確經(jīng)緯度發(fā)送給無人機(jī)，并要求無人機(jī)系統(tǒng)立即起飛。同時(shí)，將事件位置的無人機(jī)視頻圖像保存在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行證據(jù)留存，以便于警方隨時(shí)調(diào)用。無人機(jī)同時(shí)帶有喊話器，值班人員可以通過無人機(jī)喊話器，警告事故現(xiàn)場人員以及后方車輛。

3 人機(jī)交互界面

3.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)的主界面圖像中間部位是二維的GIS地圖，黃色線條表示高速公路走向，綠色的圓點(diǎn)是工作人員的助記符（例如公路樁、匝道出入口、收費(fèi)站等等）。當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，地圖上會(huì)顯示事件的精確位置和已經(jīng)分析的事件結(jié)果。圖像下邊緣是事件的詳細(xì)信息，如事件位置、影響范圍寬度、事件類型、開始時(shí)間、最新的時(shí)間、處置菜單等等信息。圖像的左右各有三個(gè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)模塊窗口，如登入人員信息、無人機(jī)聯(lián)動(dòng)情況、視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)情況、手機(jī)App、人工智能系統(tǒng)情況等等。

3.2 GIS地圖信息與歷史查詢記錄

系統(tǒng)存儲(chǔ)超過3個(gè)月的歷史信息，操作人員可以通過地圖，調(diào)取某一個(gè)時(shí)間段、某一段圍欄段的歷史數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行反復(fù)播放復(fù)核。

3.3 精準(zhǔn)定標(biāo)

定標(biāo)模塊是將光纜的皮長米數(shù)和地圖GIS坐標(biāo)進(jìn)行一一對應(yīng)的一個(gè)工作。其主要任務(wù)是把三條光纜的皮長與地理位置進(jìn)行對應(yīng)，并根據(jù)先后順序判斷事件入侵方向。

3.4 智能識(shí)別/分析

系統(tǒng)報(bào)警邏輯是當(dāng)布放在公路兩側(cè)護(hù)欄上的光纜被某事件觸發(fā)后，系統(tǒng)立即在大屏地圖上顯示出事件位置和事件提醒信息。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行錄音，同時(shí)保存該位置的其他三條光纜上該附近點(diǎn)左右各3個(gè)單位的聲音信息，進(jìn)行10 s的事件記錄。記錄后的聲音送給人工智能系統(tǒng)進(jìn)行分析。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

4.1.1 高性能

該系統(tǒng)高性能主要體現(xiàn)在6個(gè)方面：①監(jiān)測距離遠(yuǎn)。單臺(tái)設(shè)備可探測兩條50 km皮長的光纜（上下行方向四條護(hù)欄20多公里高速），能對事件發(fā)生地精準(zhǔn)定位并及時(shí)判別。②連續(xù)分布式測量，可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)點(diǎn)位和事件，且各點(diǎn)位及事件不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。③具有實(shí)時(shí)聲音復(fù)核手段，歷史記錄聲音回放功能，可以對全路段任意位置進(jìn)行實(shí)時(shí)聲音監(jiān)聽，輔助操作人員進(jìn)行人工判別。④誤報(bào)率極低。系統(tǒng)運(yùn)行核心是偵聽聲音，經(jīng)智能系統(tǒng)對捕捉的聲音進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，預(yù)警錯(cuò)誤率控制在3%以內(nèi)。⑤反應(yīng)迅速。通道掃描周期低至0.5 ms，聲音延遲0.5 s。⑥穩(wěn)定性好。遇到風(fēng)、雨、雷電等危險(xiǎn)及惡劣天氣時(shí)，系統(tǒng)仍可以正常使用，預(yù)警準(zhǔn)確率高，系統(tǒng)經(jīng)過多輪高低溫和交變濕熱的環(huán)境測試，已確認(rèn)適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

4.1.2 低成本

該系統(tǒng)具有成本較低的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在4方面：①智能化程度高，無需人員值守。發(fā)現(xiàn)異常事件，系統(tǒng)直接通過短信和網(wǎng)絡(luò)將信息反饋給相關(guān)人員。開放性設(shè)計(jì)，便于數(shù)據(jù)管理及現(xiàn)場控制。②可靠性高。與視頻監(jiān)控和振動(dòng)光纜等技術(shù)不同，探測光纜布置在高速護(hù)欄的外側(cè)，目標(biāo)不明顯，大大減少了被惡意破壞的可能。③成本低。光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；光纜可長時(shí)間浸泡在液體里。④施工簡單，維護(hù)方便。光纖接上設(shè)備后，簡單調(diào)試即可投入應(yīng)用。

4.1.3 運(yùn)行安全

該系統(tǒng)具有運(yùn)行安全的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)：①本征安全可靠。系統(tǒng)使用的光纖不怕高壓電、強(qiáng)磁場、核輻射、刮風(fēng)下雨打雷等影響，在極端惡劣的戶外環(huán)境下都可以正常傳感。②電磁絕緣性極好。光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量小，塑性好，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。系統(tǒng)使用的光纖其材質(zhì)是石英，完全絕緣，不受雷擊影響。

4.2 技術(shù)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)主要有6點(diǎn)：①連續(xù)分布式聲波采集。每1 m光纜都是獨(dú)立的傳聲器，可獨(dú)立地將聲音采集回來，并且可以實(shí)時(shí)播放每一個(gè)位置的現(xiàn)場聲音。②完善的人工智能分析。系統(tǒng)已存儲(chǔ)有數(shù)十萬條聲紋模型庫，如眾多的輪胎碾軋聲音、火車、汽車、拖拉機(jī)、履帶車、打樁機(jī)、挖掘機(jī)、觸碰光纜等聲紋庫，如遇到新的聲紋信息可以非常方便地進(jìn)行二次深度學(xué)習(xí)。③多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)可聯(lián)動(dòng)原有的三維可視化系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。④靈敏度高，測量精度高，定位精度±2～8 m。⑤壽命長，可達(dá)10年以上（光纜可達(dá)20年以上），維修維護(hù)成本低，系統(tǒng)維護(hù)簡單。⑥光纖體積小、質(zhì)量輕、傳感長、感知多。

5 結(jié)語

通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路災(zāi)害的準(zhǔn)確監(jiān)測與反饋，極大地提高高速公路運(yùn)行部門的管理效率，對減少高速公路災(zāi)害的危害、提高運(yùn)行質(zhì)量以及降低運(yùn)營成本具有重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)

[1]江俊翔， 牛紅梅， 周富華， 等. 廣西公路地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[Z]. 南寧：廣西交通科學(xué)研究院， 2016.

[2]宋常軍， 王健， 吳立堅(jiān). 山區(qū)公路塹坡滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)控研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2014（9）： 95-100.

[3]羅威， 馬然. 高速公路滑坡智能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案和應(yīng)用[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2015（5）： 32-33.

[4]楊昱， 郝立生， 孫玫玲， 等. 天津市公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)分析[J]. 通訊世界， 2018（1）： 280-282.

[5]韓建超， 張亮， 任凱珍， 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 城市地質(zhì)， 2020（1）： 76-80.

[6]王慧敏， 羅忠行， 肖映城， 等. 基于GNSS技術(shù)的高速公路邊坡自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2020（6）： 60-68.

[7]岳秀坤. 公路交通氣象災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用分析[J]. 山西電子技術(shù)， 2021（1）： 20-22.