硬核：交通状况智能化监控新方向

2023-02-06 17:55:38, 传感与数采部广州欧美大地仪器科技有限公司

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高速公路超速现象是引发高速公路交通事故的主要原因。所以，实现高速公路的智能化管理，实时测量车流量、车速等交通参数可以为道路拥塞时的紧急疏散以及车辆超速时的违章处罚提供依据，从而减少车辆行车延误和减少交通事故。目前交通参数的获取主要依靠微波雷达、地感线圈、超声波检测器、视频图像等，这些方法不适宜大范围全分布式监测，且容易受到极端天气的影响。

交通分布式光纤声波传感（DAS）监测系统可以将标准单模电信光纤电缆转换为大范围分布式的传感器阵列，通过专用的用户界面或补充交通命令的方法，将整个受监控道路的实时可靠交通监控状况与事件检测信息提供给决策者和控制系统。

分布式光纤声波传感（DAS）技术

Distributed optical fiber acoustic sensor

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分布式光纤传感技术

DAS技术区别于光纤分布式振动传感（DVS），相比于DVS只是对传感光纤沿线的振动信号定性的表征，DAS技术是对DVS技术的改进和提升。由于外界声波的变化与引起的相位变化是线性关系，所以DAS技术基于此可以重建外界振动模型。

显著优势：

传感距离、环境适应性、铺设成本、信息丰富度。

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分布式光纤声波传感技术（DAS）

Φ-OTDR技术于1993年，由H. F. Taylor等人首次提出，使用超窄线宽高相干性的激光器作为光源，通过后向瑞利散射光的干涉效应实现微弱信号的探测。

此后，Φ-OTDR技术开始蓬勃发展，目前Φ-OTDR是分布式光纤传感中灵敏度最高的技术手段之一。

定性监测阶段

阶段主要利用后向瑞利散射的脉冲内干涉图样对光纤沿线的振动信息进行定性表征，在传感探测距离、事件定位精度、环境适应性等方面具有的不可替代的优势。

定量检测阶段

定量检测阶段则通过解调瑞利散射光波的相位信息，利用差分相位与声波的线性关系，定量化重建外界振动信息。

性能提升阶段

主要是针对系统的关键性能参数进行优化，尤其是提升系统在长距离下的带宽和空间分辨率性能尤其是信号处理与事件识别，拓展了ＤＡＳ技术的应用领域。

基于相位敏感光时域反射计的分布式光纤声波传感技术（ＤＡＳ），是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术。

分布式光纤声波传感的结构主要包括三个部分：传感光纤、光信号解调设备、信号处理主机。传感光纤通常采用普通单模通信光纤（依监测物理量而定），具有良好的环境适应性和便捷经济的长期维护性。

普通光纤传感技术优点

抗电磁干扰

隐蔽性好

环境耐受（耐腐蚀、绝缘）

DAS技术特有优点

信息丰度高（声波、振动、应变、温度）

实现长距离动态监测

分布式实时定量外界模型重建

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分布式光纤的布设

两种类型的光纤用来做分布式传感：

DAS：单模光纤（SMF）；

DTS：多模光纤（MMF）。

光纤的完整性用光时域反射仪（OTDR）测试。

良好的光纤通过表面光纤的熔接连接我们的监控单元。

OptaSense公司提供光纤安装向导。

OptaSense公司在操作光纤布设和类型选择上具有丰富经验。能够提供对于分布式传感应用的光纤布设提供建议和指导。

常见布设方式：

夹在外壳外部；
夹在套管上；
作为有线电缆布设。

OptaSense分布式光纤声波传感询问器单元

分布式光纤声波传感（DAS）

公路领域的应用

Distributed optical fiber acoustic sensing applications

# DAS技术的应用 #

车辆监测示意图

分布式光纤声波传感的测距原理

# 交通性能监测参数 #

1. 车流量；

2. 平均车速；

3. 平均车头间距；

4. 车道空间占有率。

信号时空响应矩阵及其分割

高速公路案例

美国北达科他州Fargo市

I-29高速公路

2016年，美国北达科他州交通运输部（NDDOT）在北达科他州Fargo市的I-29高速公路路段成功部署了OptaSense交通监控解决方案（TMS），其成为美国第一个部署分布式光纤交通监控和交通统计技术的州级交通运输部。

在详细分析了该项技术的优势后，北达科他州交通运输部安装了专用光纤电缆，以便在长度4.5英里的试验路段上对I-29公路和选定坡道的两侧进行监控。该初始项目目前已成功完成，北达科他州交通运输部已经向美国国家交通创新委员会（STIC）提交了它们的研究结果以及未来的技术规划。

监控项目

OptaSense交通监测解决方案能够实现以下监控目标：

平均速度；
行程时间；
自动堵塞检测；
自动队列检测。

州际公路案例

美国亚特兰大20号州际公路

由美国佐治亚州交通部投资进行的分布式光纤交通监控应用。亚特兰大地区的公路交通流量在美国名列前茅。2019年，根据美国《城市交通报告》的结论，亚特兰大地区的司机在交通上每年花费的平均时间达到了77小时，这一地区的交通拥堵状况在全美国排名第六。

在2020年第一季度，GDoT成功地在亚特兰大I-20州际高速公路段上部署了OptaSense交通监控解决方案。该项目验证了OptaSense基于分布式光纤声波传感交通监控解决方案的实际性能，并确定该解决方案能够提供公路准确。最新的交通速度和交通计数信息。

未来计划将OptaSense交通监控解决方案采集的数据集成到其现有的交通管理中心系统平台中。

在OptaSense交通监控解决方案中所拍摄的屏幕截图，图中显示了平均交通速度和标距点之间的行程时间。

隧道试验段的评估

英国Southwick Hill隧道试验段的评估

Southwick Hill隧道是一个独立的试验段基础设施，它为英国公路公司提供了一个用于在受控试验条件下评估和测试各种道路检测设备和技术的平台。

在评估项目期间，OptaSense TMS方案以100%的准确度精确检测到450余起堵塞事件，其中还包括3起没有被其他任何对比检测系统检测到的突发事件，并且没有任何事件漏报和错误干扰警报发生。除了附表中所总结的出色性能以外，最终项目报告还对OptaSense TMS出色的便捷安装与调试性能表示了赞赏。