给城市“肠道”做CT：分布式光纤传感技术

市政排水管道如同城市的“肠道”，一旦老化破裂，极易引发地面塌陷、水体污染等灾害。但传统人工巡检难以及时发现隐蔽损伤——管道深埋地下、环境复杂，仅靠人工目视或机器人抽查，漏检率高且无法实时预警。分布式光纤传感技术（DOFS） 正成为破解这一难题的“透视眼”，通过一根头发丝细的光纤，实现排水管道全生命周期的“把脉问诊”。

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一、技术原理：从“单点监测”到“神经感知网”

分布式光纤传感的核心是将普通通信光缆转化为连续分布的传感器，通过解析激光在光纤中传输时产生的瑞利散射、拉曼散射等信号，同步捕捉管道沿线的振动、温度、应变变化。其突破性优势在于：

全域覆盖：单根光纤可覆盖数十公里管道，空间分辨率达厘米级（如OFDR技术达1 mm）；

多参量融合：同时感知应变（管道形变）、温度（渗漏点温差）、振动（水流异常冲击），提升诊断准确性；

抗干扰性强：光纤耐腐蚀、抗电磁干扰，适合潮湿、阴暗的管道环境，寿命可达20年以上。

案例：重庆大学朱涛团队将光纤编织成“神经网络”，布设于地下管道后，任意点位的微小裂缝或渗漏均可被实时定位，精度达±1 cm。团队成果已转化应用于石油管线和跨江桥梁供水管监测，预警准确率超95%。

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二、在排水管道中的创新应用：从预警到决策

1. 结构损伤监测：捕捉“隐性病变”

应变监测：沿管道内壁螺旋铺设应变感测光纤（管顶、管底、管侧轴线），土壤流失或外力挤压会引发局部负应变，机器学习模型据此计算管道变形量并评估风险等级；

温度溯源：渗漏点与周围土壤形成温差。实验室试验表明，满水管道的渗漏点温度偏低，非满水状态则偏高，结合DTS系统可定位误差≤0.65 m；

振动分析：管道破裂时水流冲击频率发生偏移，浙江大学团队通过抗干扰算法滤除交通振动噪声，精准提取水流异常信号。

2. 智能预警系统：四级风险防控
基于光纤数据构建“风险知情理论”决策体系：

数据清洗：滑动窗口离群值分析剔除异常噪声；

智能诊断：AI模型根据应变、温度、振动偏移量关联分析，划分正常→关注→异常→故障4级风险；

数字孪生：融合BIM模型实现管道状态三维可视化，预警时自动标注隐患点位。

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三、工程实效：从实验室到城市级应用

定位精度突破：埋地PE管道泄漏试验中，融合小波滤波技术实现±1 cm损伤定位；

抗干扰优化：河海大学针对复杂振动噪声，建立“噪声-分辨率”数学模型，动态调整系统参数，提升信噪比50%；

多场景落地：

拉西瓦水电站部署光纤声纹系统，实时监听闸门、水轮机状态；

深圳“智能光电大赛”推动DAS技术与激光雷达融合，构建地下管网“空天地一体”监测网。

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四、未来方向：从感知到城市“智慧神经”

随着多模态感知融合与边缘计算的发展，新一代光纤监测系统正走向：

区块链+数字孪生：确保多节点数据可信共享，动态映射管道健康画像；

自学习模型迭代：如黄河上游水电站项目，通过声纹数据库训练故障模型，实现同类型设备故障自动匹配；

低碳运维：替代传统高能耗检测设备，降低市政巡检成本60%以上。

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结语

一根光纤，串联起城市地下管网的“生命信号”。当排水管道装上“智慧神经”，城市安全便从被动抢险转向主动护航。正如朱涛教授所言：“光纤感知的价值，在于将冰冷数据转化为对城市脉搏的温暖守护。”