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分布式光纖傳感技術(shù)在港口碼頭安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

更新時(shí)間：2026-09-05　點(diǎn)擊量：149

摘要：港口碼頭作為物流貿(mào)易關(guān)鍵樞紐，碼頭臺(tái)樁護(hù)岸樁基受風(fēng)浪、船舶靠泊沖擊易產(chǎn)生振動(dòng)失穩(wěn)，集裝箱堆場(chǎng)、海關(guān)倉(cāng)儲(chǔ)同時(shí)面臨入侵偷盜、貨物自燃火災(zāi)多重風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器、視頻監(jiān)控方案，存在海邊環(huán)境易腐蝕、監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)、惡劣天氣可靠性差等局限。本文研究DAS分布式聲學(xué)振動(dòng)傳感與DTS分布式溫度傳感一體化技術(shù)，構(gòu)建港口碼頭多參量光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用無(wú)源抗鹽霧光纜完成碼頭樁基振動(dòng)、周界擾動(dòng)、倉(cāng)儲(chǔ)溫度火情的分布式采集；介紹系統(tǒng)架構(gòu)、核心算法、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)方案，分析工程應(yīng)用效果。結(jié)果表明，分布式光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)全天候監(jiān)測(cè)，有效識(shí)別樁基異常振動(dòng)、圍欄入侵、早期溫度熱點(diǎn)，填補(bǔ)港口基礎(chǔ)設(shè)施本體監(jiān)測(cè)短板，對(duì)智慧港口安全運(yùn)維具備較高工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；DAS；DTS；港口碼頭；樁基振動(dòng)監(jiān)測(cè)；周界安防；倉(cāng)儲(chǔ)火災(zāi)預(yù)警

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)智慧港口快速發(fā)展，碼頭作業(yè)負(fù)荷持續(xù)提升。碼頭接駁臺(tái)樁、護(hù)岸樁基長(zhǎng)期承受船舶撞擊、波浪循環(huán)荷載，會(huì)逐步出現(xiàn)松動(dòng)、開(kāi)裂、基礎(chǔ)形變，直接威脅岸橋起重設(shè)備運(yùn)行安全；集裝箱堆場(chǎng)、海關(guān)保稅倉(cāng)儲(chǔ)貨物密集，偷盜翻越入侵、貨物自燃、電氣起火事故時(shí)有發(fā)生。

現(xiàn)階段港口安全監(jiān)測(cè)大多聚焦岸橋、門(mén)機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備狀態(tài)，碼頭土建基礎(chǔ)設(shè)施、堆場(chǎng)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域監(jiān)測(cè)相對(duì)薄弱。點(diǎn)式加速度、應(yīng)變傳感器安裝于戶(hù)外海邊，高鹽霧環(huán)境下極易銹蝕失效，布點(diǎn)數(shù)量有限，測(cè)點(diǎn)之間存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；視頻監(jiān)控受夜間、大霧、降雨天氣制約，僅僅能夠做到事件發(fā)生之后事后識(shí)別，很難實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)提前預(yù)警。

分布式光纖傳感技術(shù)，光纜本身作為感知介質(zhì)，具備無(wú)源抗腐蝕、長(zhǎng)距離、分布式連續(xù)測(cè)量的特點(diǎn)。DAS分布式聲學(xué)振動(dòng)傳感可以獲取沿線振動(dòng)擾動(dòng)信息，DTS分布式光纖測(cè)溫實(shí)現(xiàn)全線溫度場(chǎng)測(cè)量。將二者結(jié)合應(yīng)用到港口碼頭，同時(shí)實(shí)現(xiàn)樁基結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、堆場(chǎng)周界安防、倉(cāng)儲(chǔ)火情預(yù)警，為港口安全提供全新技術(shù)路徑。

2 分布式光纖傳感基本原理

2.1 DAS分布式聲學(xué)振動(dòng)傳感原理

激光脈沖注入傳感光纜，產(chǎn)生瑞利相干背向散射；當(dāng)光纜沿線出現(xiàn)振動(dòng)、擾動(dòng)作用時(shí)，光纖產(chǎn)生形變，背向散射光相位隨之發(fā)生改變。解調(diào)主機(jī)采集背向散射光信號(hào)，解析相位變化，得到沿線每一處位置振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件定位，用于識(shí)別樁基振動(dòng)異常、圍欄攀爬撞擊、外來(lái)擾動(dòng)。

2.2 DTS分布式光纖測(cè)溫原理

基于拉曼散射效應(yīng)，反斯托克斯光強(qiáng)對(duì)溫度敏感，對(duì)比斯托克斯與反斯托克斯光信號(hào)比值解算光纖沿線溫度，設(shè)置溫度閾值、溫升速率雙重判據(jù)，實(shí)現(xiàn)集裝箱堆場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房的早期火災(zāi)熱點(diǎn)預(yù)警。

2.3 一體化系統(tǒng)架構(gòu)

一體化解調(diào)主機(jī)同時(shí)兼容DAS振動(dòng)監(jiān)測(cè)與DTS測(cè)溫監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)抗鹽霧鎧裝復(fù)合光纜，信號(hào)傳回機(jī)房主機(jī)，完成信號(hào)解調(diào)；數(shù)據(jù)分為兩路，一路本地上位機(jī)存儲(chǔ)展示，另一路經(jīng)無(wú)線基站上傳云端數(shù)據(jù)中心；報(bào)警信號(hào)輸出繼電器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可聯(lián)動(dòng)港口原有安防平臺(tái)，調(diào)取對(duì)應(yīng)位置監(jiān)控?cái)z像頭。

3 港口碼頭監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方案

3.1 碼頭臺(tái)樁與護(hù)岸樁基布設(shè)

振動(dòng)光纜沿著臺(tái)樁豎向、護(hù)岸堤頂連續(xù)敷設(shè)，固定于樁基、護(hù)岸混凝土結(jié)構(gòu)表面，采集風(fēng)浪、船舶靠泊帶來(lái)的整體振動(dòng)信號(hào)；通過(guò)后臺(tái)頻譜分析，區(qū)分正常作業(yè)振動(dòng)和樁基開(kāi)裂松動(dòng)帶來(lái)的異常振動(dòng)。

3.2 堆場(chǎng)周界圍欄布設(shè)

振動(dòng)光纜沿集裝箱堆場(chǎng)、海關(guān)倉(cāng)儲(chǔ)圍墻、隔離圍擋敷設(shè)，通過(guò)算法過(guò)濾大風(fēng)海浪帶來(lái)的環(huán)境干擾信號(hào)，識(shí)別人員攀爬翻越、機(jī)械撞擊圍欄等入侵事件。

3.3 倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房、集裝箱堆垛測(cè)溫光纜布設(shè)

DTS感溫光纜沿庫(kù)房電纜橋架、貨物堆垛間隙敷設(shè)，監(jiān)測(cè)電纜接頭過(guò)熱、貨物自燃產(chǎn)生的溫度異常。

光纜全部選用耐海洋鹽霧特種鎧裝光纜，抵御海邊高濕度、鹽霧腐蝕環(huán)境，保障長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

4 系統(tǒng)功能與算法策略

4.1 樁基振動(dòng)異常識(shí)別算法

采集樁基多組正常工況下振動(dòng)頻譜作為基準(zhǔn)樣本；當(dāng)監(jiān)測(cè)頻譜、振動(dòng)幅值偏離基準(zhǔn)閾值，系統(tǒng)判定樁基存在松動(dòng)、開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，輸出報(bào)警位置，提醒運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)核查。

4.2 周界入侵智能識(shí)別算法

針對(duì)港口環(huán)境做信號(hào)濾波，濾除海浪拍打、大風(fēng)引起的無(wú)效振動(dòng)；建立事件模型，區(qū)分攀爬翻越、車(chē)輛撞擊、機(jī)械作業(yè)等不同事件類(lèi)型，降低系統(tǒng)誤報(bào)率。

4.3 火災(zāi)預(yù)警雙重判據(jù)

同時(shí)設(shè)置固定溫度閾值、溫升速率閾值，兩種條件均可觸發(fā)預(yù)警，捕捉緩慢升溫自燃以及突發(fā)短路過(guò)熱兩種不同火情。

5 工程應(yīng)用效果分析

將光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署在集裝箱碼頭場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里碼頭、堆場(chǎng)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。

1）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面：能夠?qū)崟r(shí)捕捉船舶靠泊下臺(tái)樁振動(dòng)變化，在樁基出現(xiàn)早期損傷階段輸出預(yù)警，改變過(guò)去只有發(fā)生明顯損壞之后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的現(xiàn)狀。

2）周界安防方面：夜間、大霧天氣依舊正常工作，彌補(bǔ)視頻監(jiān)控的缺陷，有效識(shí)別非法翻越入侵。

3）火災(zāi)預(yù)警方面：在產(chǎn)生明火冒煙之前捕捉局部熱點(diǎn)，給出精確位置，為消防處置爭(zhēng)取時(shí)間。

整套系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)有源電子器件，在海邊鹽霧工況下，相比傳統(tǒng)傳感器，大幅降低后期維護(hù)工作量。但系統(tǒng)也存在一定局限，光纜敷設(shè)施工質(zhì)量直接影響監(jiān)測(cè)效果，項(xiàng)目實(shí)施階段需要嚴(yán)格把控光纜固定工藝，減少光纜受外力擠壓帶來(lái)的干擾。

6 結(jié)論

港口碼頭面臨樁基結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、堆場(chǎng)入侵偷盜、倉(cāng)儲(chǔ)火災(zāi)多重安全風(fēng)險(xiǎn)。DAS+DTS一體化分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依靠光纜無(wú)源抗腐蝕、長(zhǎng)距離分布式感知優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)碼頭樁基健康、周界安防、火情預(yù)警多參量綜合監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的短板，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)前置預(yù)警，在智慧港口、海關(guān)倉(cāng)儲(chǔ)安全領(lǐng)域具備廣闊推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] JTS 167?2018，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]