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基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究

基金项目：国家杰出青年基金项目（40225006），国家教育部重点项目（010886），南京大学985工程项目。

索文斌　王宝军　施斌　刘杰

（南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所，南京，210093）

【摘要】BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术，其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点，已逐渐受到工程界的广泛关注。由于监测是分布式的，所以得到的数据与地理位置具有重要的相关性。结合工程实践中遇到的具体问题，研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统。本文重点论述系统的设计要求，包括设计目标、技术框架和特色功能。结合某隧道 BOTDR监测工程开发的一套相应的监测数据管理系统，实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能，是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。

【关键词】BOTDR　GIS　分布式光纤传感器　监测系统

1　引言

光纤传感技术以其良好的耐久性、抗腐蚀、抗电磁干扰，适合于在恶劣环境中长期工作等优点受到越来越多的工程建设者和科研人员的重视[～3]。BOTDR(Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer）布理渊光时域反射计，作为新型的分布式传感技术，逐渐得到工程界的认可。日本、加拿大、瑞士等国已成功地将该技术应用到水坝、桩基、边坡、堤岸等工程的监测中[～3]。我国自2001年由南京大学地球环境计算工程研究所率先从日本引进该技术以来，开展了大量的室内外实验研究，并成功地完成了多个工程项目，取得了一系列重要的研究成果[4-7]。

在具体应用中，BOTDR所提供的监测结果存在诸如直观表现差、数据配准和空间定位困难、综合管理功能弱等方面的缺陷，未经过系统培训的工程技术人员，很难读懂 BOTDR的监测结果，后期成果处理也非常繁琐。本文针对大型工程分布式光纤传感监测领域存在的数据分析与管理中存在的不足，提出了一套比较切合工程实际的解决方案，并结合具体工程实例设计和开发了一套应用系统。实践表明，该系统可以很好地实现对监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示以及监测信息的对比查询等功能。

2　问题的提出

2.1 BOTDR的监测原理[1]

激光在光纤中传播时，光波与光声子相互作用即会产生布理渊散射光。当环境温度的变化量不大（T≤5°）时，布理渊光频率漂移量（vB）与光纤所受的应变量（ε）成正比，其关系式如下式所示：式中：υB（ε）表示光纤受到ε应变时的布理渊频率漂移量；υB(0）表示光纤不受应变时的布理渊频率漂移量；

为比例系数，约为0.5GHz；ε为光纤的实际应变量。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

为了得到沿光纤分布的应变信息，只需测量沿光纤分布的布理渊频率漂移量的变化情况，沿光纤距离光源为Z长度的点可由下式求得：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：c为光速，n为光纤折射率，T为自激光发射与接收到布理渊散射光所经历的时间。

监测原理如图1所示。

图1　BOTDR的应变监测原理图

2.2 BOTDR在结果表现上存在的问题

在实际工程应用中，根据工程实际情况的不同，可按照不同的黏着方式将传感光纤粘贴在所需监测结构（或材料）的表面，从而获得被粘贴结构（或材料的）沿光纤的径向应变分布信息。但 BOTDR所提供的监测结果存在以下几个方面的缺陷：

（1）海量数据的综合管理缺陷。BOTDR提供的监测数据是沿光纤径向的每一点的应变信息（点之间的间距和仪器的距离分解度相关），而这些点的应变信息是以数据点的形式给出的，造成原始数据繁多复杂。

（2）实际里程与监测结果的数据配准问题。分布式光纤传感器在实际铺设过程中，出于定位需要，经常预留一些冗余光纤，为了将所测得的应变量和实际的光纤里程对应起来，必须获得发生应变部位距离光纤光源的实际里程，而 BOTRD提供的监测里程是光纤的实际长度（包括冗余部分），并不是工程实际里程，也就是说监测结果与实际里程之间存在数据配准问题。

（3）监测结果的直观表现不佳。BOTDR原始监测系统并不提供阈值设定功能，即对于特定的工程而言，我们必须人为地设定阈值寻找应变异常信息。

（4）实测数据影响因子多。BDTOR监测结果是在诸如温度影响在内的多种因子的影响下测得的数据，未经处理的实测数据可信度差。

（5）缺乏面向最终用户的监测数据。BOTDR监测结果是未经配准和处理的纯文本文件，这些数据并不是面向最终用户，而是面向具有 BOTDR操作经验的科研人士，也就是说未经专业培训的工程技术人员很难读懂 BOTDR的原始成果。

3　基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统设计

3.1　系统设计目标

针对上述所存在的问题，基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统应该遵循以下的总体设计目标：

（1）完成对所监测工程的日常健康诊断，分析工程安全性。以应变分析为核心，建立工程安全评价体系，完成对影响规划、管理、决策及科学研究的数据进行储存更新、查询检索、智能评价、统计分析、类比判别和制图制表等任务，提高工程管理质量和效率。

（2）利用BOTDR提供的数据，经系统处理后再配合工程实地调查数据，完成以工程质量为目标的各项监测工作。应用横向纵向两方面类比模式监测工程安全性，即利用不同光纤反馈回来的数据，以及同一根光纤不同时间测试的数据进行类比分析，得出工程可信的结果。

3.2　系统技术框架

结合目前GIS的发展趋势，并考虑工程实际的可操作性，系统应用ESRI公司提供的MapOb-jects组件，在Visual Basic 6.0环境下开发了以组件式GIS为核心的管理系统，系统的技术框架如图2所示：

图2　系统技术框架图

从图2的技术框架图中可以直观地看出，系统设计以各种不同用户的需求作为指导，并在开发中通过信息反馈不断更新和完善系统功能及工作模式。系统以基础地理及属性数据库为基础利用GIS的开发实现空间数据的提取，结合光纤监测数据库实现监测数据的配准以及可视化表示，以不断更新和完善的管理与决策数据库实现科学决策，构建集基础功能、智能分析、决策管理于一体的多功能系统。

3.3　系统的功能与特色

基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统基本实现了如图3所示功能。

从图3可以看出，该系统基本上可以解决工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测结果的智能化分析，是一个以工程应用为目标，以监测结果为核心的多功能管理与智能化分析系统。

（1）图层控制：系统加载多个图层（ESRI的Shape文件、AutoCAD的DXF文件或图像文件JPG、BMP、GIF、TIF等）。在使用中用户可以通过图层控制图层是否可见、图元颜色、可视化范围、图层顺序等，以便于对特定图层进行浏览。

图3　系统的功能与特色

（2）视图控制：系统提供图像的放大、缩小，全局显示、局部显示，漫游等基本功能。

（3）动态标注：系统实现了空间任意位置的动态跟踪标注。用户点击鼠标后可随时获得鼠标所在位置的属性信息。

（4）数据维护：用户可以选择两种不同方式查询、检索、更改数据，提供完善的从图到属性和从属性到图的数据查询、检索、更改方式。

（5）绘图功能：系统提供自助的绘图方式，用户可按照自己的想法和要求新建图层或者在原图上自行绘制图形，并根据程序提供的属性表为数据添加属性。

（6）元素选取：系统能够识别图中选取的元素，通过线、矩形、区域、多边形、圆来拾取物体，并显示拾取元素的属性数据。当选中特定位置的光纤时，光纤以闪烁3次来回应用户选中的光纤。

除上述功能之外，鉴于分布式光纤监测的工程特点，本系统还具备以下几个特色功能：

（1）数据分析：系统以绘制专题应变曲线图的方式提供数据分析功能。通过 BOTDR实测数据，绘制光纤应变曲线专题图，根据不同的阈值设置不同颜色的应变曲线图。

（2）数据配准：在实测数据与工程实际里程之间，根据实际工程光纤铺设的特征数据信息（光纤定位信息），系统提供一个精确的配准模块，误差小，应用性强。

（3）图例显示：系统提供独特的图例，便于工程管理。如，实际工程若铺设5根光纤，并且光纤铺设在不同墙面，采取二维示意图显示，可以绘制不同的图例显示，用以区别不同墙面铺设的不同光纤。

（4）对比查询：系统提供了由系统操作主界面至应变曲线绘制界面的对比查询方式，用户可选则从图到曲线或从曲线到图的两种方式进行结果查询，这样，工程监测的质量和效率就大大提高了。

4　工程应用实例

4.1　工程概况

某隧道工程是一湖底隧道，全长约2.56km，其中湖底隧道长约1.66km，为双向六车道，三箱室结构形式，其中左右两个箱式为车行道，中间箱室为净宽3m的管廊与检修通道。隧道设计宽约32m，净空高度4.5m，设计车速为60km/h。

2002年7月，隧道项目指挥部经反复调研和论证后，决定采用BOTDR技术进行隧道整体变形监测。2002年11月～12月，项目组完成了传感光纤铺设，铺设情况如图4所示，并分阶段对隧道变形进行监测。2003年1月～4月，为施工监测阶段，2003年5月通车后至9月为常规监测阶段。施工监测阶段主要进行由于后期施工对隧道变形的影响以及隧道箱体接缝变形监测，监测频率为2天/次。常规监测阶段主要进行通车条件下隧道稳定性监测，监测频率3～5次/周。

图4　某隧道光纤总体平面布置图

4.2　隧道工程监测数据管理的系统实现

4.2.1　数据准备

系统的基本数据包括施工区域图、隧道信息、光纤铺设信息、光纤监测数据等四大类。这四类数据既包含了空间信息数据又包含了属性数据，是构成系统数据结构的基础，又是系统数据分析和管理的前提。

（1）施工区域图。主要提供隧道基本信息与周边环境状况，用以确定施工地理信息、施工线路等，为绘制隧道二维示意图提供标准。

（2）隧道信息。主要提供隧道纵剖面、横剖面信息。横剖面信息用于了解光纤铺设里程和方位，纵剖面信息主要用于掌握具体施工操作面，为准确绘制隧道二维示意图做数据基础。

（3）光纤铺设信息。主要提供传感光纤铺设信息。拟铺设的5条传感光纤处在隧道南洞、北洞不同的墙面上，每条光纤的实际铺设长度与工程里程必有误差，通过在铺设过程中了解光纤定位信息，为数据配准模块提供数据基础。

（4）光纤监测数据。主要指 BOTDR实测应变数据，这些实测数据通过数据配准、阈值设定等系统转换处理后，将得到精确的隧道不同位置的应变信息。

4.2.2　系统工作流程

数据管理与分析是该系统的核心组成部分，是得到精确工程监测信息的重要组成部分。数据管理与分析主要靠以下流程来实现：

步骤一：数据准备

将BOTDR实测数据以＊.txt文件存放到指定位置，以备数据处理调用。

步骤二：选择光纤

在5根铺设的光纤中，在主操作界面中点击所需监测光纤，即完成所需光纤的选择，点击所选光纤时，与之相对应的系列在后台被调入。

步骤三：选择系列

所谓系列，就是不同时间监测的不同光纤的应变信息和数据配准信息。选择系列操作包括调入监测数据，选择数据配准，设置隧道变形阈值等。

步骤四：应变分析

进行系列选择之后，选择绘制曲线，系统即在新窗口绘制出经数据配准的隧道整体应变分析图。

除上述主要数据管理与分析功能之外，系统还设置了分段管理与分析的功能，即通过对所需监测段进行设置起点、设置终点操作，进行局部数据的管理与分析。另外，系统还提供了由图到曲线（或曲线到图）的对比查询方式，选择图到曲线（或曲线到图）的菜单项之后，图和曲线完美地对应起来，并提供了阈值设定功能，做到自动预警，避免人为干扰。图5至图7显示了系统数据与管理功能的操作界面，其中，图5为数据分析界面，图6为选择系列界面，图7为隧道应变分析曲线界面。

图5　数据分析界面图

图6　选择系列界面

图7　隧道应变分析曲线界面

5　结语

综上所述，应用GIS管理分布式光纤监测工程可实现海量数据的高效管理。GIS以其独特的数据管理、查询、检索、分析模式成为工程管理的首选。它的海量数据分层管理、数据结果的可视化表现、实现双向查询、面向最终用户的特点更显示其理想的工程管理能力。具体的说，系统具有以下优点：

（1）系统改善了BOTDR原系统中海量数据的综合管理模式，结果显示更加清晰直观。

（2）系统设置了数据配准、阈值管理等模块，监测结果可直接应用，避免了人为判别的误差，提高了工作效率。

（3）系统采用可视化显示，面向最终用户，无须对具体工程监测人员进行系统培训。

（4）系统实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测信息的对比查询等功能，是一个集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。

本系统以具体工程为实例，具有更加科学、高效、直观、方便等优点，并减少了BOTDR监测结果的后期人为干扰，使得测试结果更加客观、准确，有利于科学管理和提高效率。

参考文献

[1]Hiroshige Ohno,Hiroshi Naruse,et al.Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain sensor[J].Optical Fiber Technology 7,2001:45～64

[2]Inaudi D, Casanova N.Geo-structural monitoring with long-gage interferometric Sensors[A].Proceedings Of The Society Of Photo-Optical Instrumentation Engineers(SPIE),3995[C].Bellingham,WA:Spie-Int Society Optical Engineering,2000:164～174

[3]Ohno H, Naruse H,Kurashima T,et al.Application of Brillouin Scattering-Based Distributed Optical Fiber Strain Sensor to Actual Concrete Piles[J].IEICE Trans.Electron,2002,E85-C(4):945～951

[4]Shi B,Xu H Z,Zhang D,et al.A study on BOTDR application in monitoring deformation of a tunnel[A].Proc 1 st inter conf of structuraI health monitoring and intelligent infrastructure[C].Netherlands:A.A.Balkema,2003:1025～1030

[5]Ding Y,Shi B,Cui H L,et al.The stability of optic fiber as strain sensor under invariable stress[A].Proc 1 st inter conf of structural health monitoring and intelligent infrastructure[C].Netherlands:A.A.Balkema,2003:267～270

[6]Zhang D,Shi B,Xu H Z,et al.Application of BOTDR into structural bending monitoring[A].Proc 1 st inter conf of structural health monitoring and intelligent infrastructure[C].Netherlands:A.A.Balkema,2003:271～276

[7]Xu H Z,Shi B,Zhang D,et al.Data processing in the distributed strain measurement of BOTDR based on wavelet analysis[A].Proc 1 st inter conf of structural health monitoring and intelligent infrastructure[C].Netherlands:A.A.Balkema,2003:271～276

[8]Building Applicatins with MapObjects[M]USA.Enviromental System Research,Institute,Inc.1999

如何在环境监测中应用GIS技术?

GIS技术，即地理信息系统，在环境监测系统中发挥着不容忽视的作用，不仅能整合、分析过去的研究结果，还能为未来的研究方向和保护工作提供建议及对策。具体来说，GIS在监测农家生态旅游环境中的主要应用领域如下：

（1）建立稀有动物数据库。利用野外调查数据，确定野生动物的分布地点和族群量，再将这些数据及动植物基本数据输入GIS。这些数据可与其他空间性数据如植被分布图、土地利用图、土地发展趋势图等相结合。这些数据也可与同级程序结合，进行仿真模拟，以预测环境改变对这些动植物的影响，同时还可用来进行资源保护和经营管理等。

（2）生物资源调查的规划。地理信息系统可通过数据处理，将环境划分为均质（Homogeneous）的小区域，以方便研究者在每一个区域内选定观测点进行调查，并进行各区域内生物族群组成的比较研究。

（3）建立动植物分布数据库。使用GIS能建立生物分布的数据库，若能配合遥测技术所得的数据，就可得到生物所在地的状况，再借由图形数据来展现动物的分布，以提高数据可读性，并可进行深入的分析。生物资源数据库的建立，可帮助了解周围的环境状况，在资源规划、利用、生态保护、景观生态学研究、环境教育和国际交流上，都有其应用范围。

电力GIS的PASS技术

伴随着计算机技术、传感器技术、数字化技术的不断发展，智能化GIS高压变电站——PASS技术，最近几年得到迅速的推广和应用，介绍如下： PASS是具有金属外壳的、气体绝缘的、内装有断路器、隔离开关、接地开关、电压/电流传感器的全封闭组合电器。PASS反映了GIS制造技术的最新成果。其主要特点概括如下：

3.1.1　采用了先进的组合式电压/电流传感器技术和组合式隔离开关/接地开关技术，使设备更加紧凑，体积更加小型化。

3.1.2　在测量、控制、保护系统中，采用了计算机技术，数字化技术，光纤通讯技术，支持数字式继电器，继电保护系统引入了微机处理和分段监控保护。

3.1.3　采用了预安装技术，整套设备在出厂前安装、调试完毕。 在PASS中，常规的电压、电流互感器已被新一代组合电压/电流传感器取代，采用罗柯夫斯基(Rogowiski)电流传感器技术来测量电流，其很宽的线性特性，保证了在所测量或保护的电流范围内不会出现饱和。电压的测量采用的是具有金属外壳封装的电容分压器，很好地避免了铁磁谐振。

检测到的电压、电流信号由PASS自身进行处理，先由传感器和执行器的处理器接口PISA(Process Interface for Sensors and Actuators)将模拟信号数字化后经光纤通讯母线以串行方式传输到就地的间隔控制柜中的智能控制和保护单元。传感器安装在断路器的出口处，这样既可以满足继电保护系统和计量表计的需要，也可以用于其他的目的。如有必要，也可以在断路器的母线侧安装额外的传感器。 PASS采用了如下技术：

3.3.1　所有测量、保护信号经PISA预处理后经串行光纤总线送至间隔控制柜。

3.3.2　面向间隔的控制、保护、测量功能的装置设在就地控制柜内。

3.3.3　间隔与间隔之间、间隔与变电站之间的通讯也采用串行通讯光纤总线。

3.3.4PASS支持保护用的数字继电器，也兼顾了传统的机电式继电器，若使用后者，需另行安装电磁式互感器。

PASS的操作机构控制、气体绝缘强度的测量以及其他物理量的在线状态监测也可采用先进的传感器技术来实现，例如设备自检、绝缘气体强度趋势分析、断路器状态(操作能量需求、触头位移、剩余寿命预测)等。 AIS和PASS间隔的单线图，PASS技术和常规AIS模式，两者的差别就在于PASS在间隔的线路侧省去一组隔离开关和接地开关。在常规的AIS中，线路侧的隔离开关主要用于当设备检修时隔离之用，在PASS中，因为PASS具有高度的可靠性，故可不用该隔离开关和接地开关。

采用PASS技术后，除了提高了变电站的整体技术水平外，由于整个变电站的占地面积大大减少，土地利用率大大提高，带来的益处是显而易见的：

3.4.1　由于PASS可采用管型母线布置，从而减小了相间距离，可大大缩短软母线。

3.4.2　可减小间隔的长度和宽度，由于绝缘子的数量减少，绝缘子闪络的危险大大降低；需用更少的钢构架和接地钢材，电缆沟的数量也随之减少。