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管廊光纖安防監測信息管理系統研發與應用
發布時間：2023-07-17 15:36
目 錄
第 1 章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2研究現狀及存在問題 2
1.3研究內容與章節安排 9
第 2 章 管廊光纖安防監測系統研究 11
2.1引言 11
2.2光纖傳感技術簡介 11
2.3光纖傳感技術特點分析 11
2.4光纖傳感系統應用于橫琴管廊的優勢 12
2.4.1光纖甲烷氣體監測系統 13
2.4.2分布式光纖溫度傳感系統 15
2.4.3分布式光纖振動傳感系統 17
2.4.4光纖結構健康狀態監測系統 19
2.5本章小結 20
第 3 章 可視化光纖傳感實時監測模塊研究與開發 21
3.1引言 21
3.2需求分析 21
3.3總體設計 22
3.4具體實現 23
3.4.1電子地圖選型與接入 23
3.4.2管廊與光纜繪制 25
3.4.3報警事件彈窗提示 27
3.4.4報警彈窗美化 28
3.4.5基于全景地圖3D報警定位 29
3.4.6電子地圖嵌入圖表 30
3.4.7地圖服務離線化 31
3.5實際應用 33
3.6本章小結 35
第 4 章 實時光纖傳感數據通信模塊設計與開發 36
4.1引言 36
4.2需求分析 36
4.3關鍵技術介紹 37
4.4總體設計 39
4.5具體實現 40
4.5.1服務器設計 40
4.5.2客戶端設計 41
4.5.3數據通信過程設計 41
4.6實時性測試實驗 42
4.6.1實驗背景 42
4.6.2實驗目的 43
4.6.3實驗方法 43
4.6.4實驗準備 44
4.6.5實驗過程 45
4.6.6實驗結論 46
4.7本章小結 47
第 5 章 通用化光纖傳感信息管理模塊研究及開發 48
5.1引言 48
5.2需求分析 48
5.2.1光纖傳感多樣性優勢分析 48
5.2.2現有管廊信息管理方案的不足 49
5.2.3通用性特點分析 50
5.3總體設計 51
5.4具體實現 52
5.4.1光纖傳感數據接口通用化 52
5.4.2光纖傳感業務流程通用化 54
5.4.3光纖傳感存儲方案通用化 54
5.4.4光纖傳感歷史查詢通用化 55
5.4.5光纖傳感實時通知通用化 57
5.5實際應用 59
5.5.1光纖傳感管廊入侵監測信息管理 59
5.5.2光纖傳感管廊結構沉降監測信息管理 61
VIII
5.5.3光纖傳感集水井液位監測信息管理 61
5.6本章小結 63
第 6 章 全文總結 64
6.1工作總結 64
6.2本研究的創新點與應用價值 65
6.2.1創新點 65
6.2.2應用價值 65
6.3未來工作展望 66
參考文獻 67
作者科研成果 72
致謝 73
第1章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著我國新型城鎮化和城市現代化建設進程的加快，城市綜合管廊已成為城 市建設中必不可少的一部分。綜合管廊位于地下，環境封閉、潮濕，并且收納了 多種市政管線，部分綜合管廊還包含高壓電線、燃氣管線等具有高危險性的管線， 可燃氣體泄漏、地下水滲漏、管廊結構應變等問題都會對管廊的安全造成威脅， 甚至引發連鎖性的安全事故［1］。為了確保管廊的安全運行，需要提高管廊安防監 測管理水平，減少人為干預的頻率，促進管廊安防監測與預警的信息化建設。
管廊安防監測主要包括兩個重要組成部分：安防傳感設備和信息管理系統, 如圖 1.1所示。安防傳感設備是進行現場監測的硬件設備，布放在管廊中，能夠 對管廊的各項安防對象進行不間斷監測，并將監測結果上傳到信息管理系統進行 數據處理；信息管理系統是管廊信息化管理的軟件載體，對安防監測設備提供數 據存儲、歷史查詢、設備遠程控制等功能，能夠滿足管廊監測中實時報警、數據 分析、人機交互、接口控制等需求，為管廊安防監測提供了綜合化、信息化、智 慧化的管理方式。
圖 1.1 管廊、安防傳感設備與信息管理系統的關系
目前多數的綜合管廊的傳感設備主要采用了傳統的傳感器，如電磁、化學物 質、機電等類型的傳感器。雖然這些傳感器具有較長的應用歷史，但其應用在管 廊安防監測中的劣勢也非常明顯：電磁類傳感器在潮濕的環境中易短路，易受到 電力倉儲產生的電磁干擾，影響傳感設備的正常工作；化學物質傳感器易腐蝕， 隨著時間推移，故障率誤報率會升高，更換率和成本也比較高；機電類傳感器僅 能對其埋設位置附近進行局部監測，監測覆蓋面不夠連續，難以反映安防范圍的 監測全貌。
隨著光電器件與光纖技術的發展，近年來，光纖傳感技術逐漸成為管廊安防 監測的重要手段。與傳統傳感技術相比，光纖傳感技術具有實時性強、測量范圍 廣、測量精度高、測量密度大、安全性好等優勢；同時，光纖傳感數據的細節信 息更豐富，有利于對安防報警的原因進行特征識別與智能判定［2］。基于分布式與 準分布式光纖傳感技術，可以在連續空間上對被測物進行持續的測量，特別適合 應用在管廊中進行大范圍、持續可靠的傳感監測［3］。
隨著光纖傳感技術在管廊安防中的應用越來越廣泛，研究并開發適用于光纖 傳感的管廊安防監測信息管理系統，充分發揮光纖傳感技術在管廊監測中的優勢， 是管廊安防信息化建設中迫切需要解決的課題，不僅能明顯提升管廊安防管理水 平，還能夠促使光纖傳感技術在管廊中得到更加廣泛的應用。
1.2研究現狀及存在問題
管廊光纖安防監測信息管理系統，是針對光纖傳感技術進行設計、并應用于 管廊中的安防監測信息管理系統，這類信息系統的研發，需要緊密結合光纖傳感 監測系統的特點及管廊的需求，才能更好地發揮監測系統優勢，提供更高效的信 息管理方式。但目前，在該領域，專門對管廊光纖安防監測的信息管理系統的研 究和開發還未見相關報道，已有的管廊監測運維系統：
江林(2017)基于BIM技術設計研究了智能樓宇集成管理系統，改善樓宇運
維系統集成管理［4］，如圖1.2所示。該系統一定程度上解決了可視化程度低、系 統分散等問題，但其只針對樓宇運行維護階段系統設備和運維信息進行集成管理， 通用性不強。
圖 1.2 基于 BIM 的智能樓宇集成管理系統
李芊等人（2018）基于 BIM 技術開發了綜合管廊運維管理系統［5］，如圖 1.3
所示。亥系統搭建了以BIM為核心的協同管理平臺，支持監控設備基本信息查詢，
但其歷史數據展示方式直觀性、豐富性需要進一步提升。
圖 1.3 基于 BIM 的綜合管廊運維管理系統
馬軍等人（2018）研究了基于 BIM 和 GIS 技術在管廊全生命周期的應用［6］， 結合VR技術虛擬環境在分析方案的合理性與科學性，如圖1.4所示；陸倩倩等 人（2018）研究了 BIM技術在杭州市地下綜合管廊建設中的應用⑺，借助VR技 術預演施工過程，節省建設投資，如圖1. 5所示。這兩個系統均是基于BIM、GIS、 VR等技術，為管廊建設指導施工方案進行評估。
圖 1.4 基于 BIM 和 GIS 技術在管廊全生命周期的應用
圖 1.5 BIM 技術在杭州市地下綜合管廊建設中的應用
這些系統為管廊信息管理系統的設計及功能模塊的開發奠定了一定基礎，此 外，計算機技術在各個領域的廣泛應用，也促進了信息管理系統的高速發展，這 些技術和管理方法可以為實現更加高效、實用的管廊光纖傳感信息管理系統提供 新思路和新方法。例如：
在醫療領域， Douglas Brown( 1992)研究了 Ohmeda Arkive1 患者信息管理 系統，更科學合理地管理手術前和手術后的整合數據，為麻醉護理過程提供了信 息管理功能［8］。
在農機領域，何勇等人(2005)提出并建立了一個基于Web GIS的農機化信 息管理系統,實現了農機化信息可視化管理，促使農機區劃工作更加科學、直觀， 提升了和農機化信息管理的效率［9］，如圖1.6所示。
在交通領域，Bettina Pressl等人(2010)研究了對特定人群可定制的路線 規劃信息管理系統，幫助特殊用戶提升在城市地區的移動能力［10］。
在火災監測方面，Hidemi Fukada等人(2011)研究了一種具有專家決策力 的災害管理系統，具備可視化界面，可用性強，操作簡單，幫助非專業人員輕松 管理災害信息［11］。
在周界安防領域，吳定會等人(2014)提出了一種周界智能安防系統，可對 電纜泄露、電子圍欄進行監測，并配有視頻監控系統和監控中心［12］。
在城鄉發展信息化建設領域，薛千里(2015)研究了農村智能化小區信息系 統［13］，如圖1.7 所示。該系統測重信息管理，并未支持可視化交互功能，實時監
測與數據展示不夠直觀。
在地震研究工作中，高寧(2016)設計并開發了無纜自定位地震儀勘探管理
平臺，用以對接吉林大學儀器科學與電氣工程學院自主研發的無纜自定位地震儀， 使之可以獨立完成地震勘探采集工作，并基于私有云計算技術實現了大規模地震 數據處理［14］，如圖1.8 所示。該系統實現了對多臺無纜自定位地震儀的接入，具 備一定的通用性，且支持處理覆蓋幾十千米監測范圍的傳感采集信號，發揮了傳 感設備監測范圍廣的優勢。然而該系統的數據展示直觀性不足，只能通過表格的 方式展示，無法通過圖形方式展示歷史數據，且不支持實時監測，無法動態觀測 數據監測結果。
圖 1.8 無纜自定位地震儀勘探管理平臺
傳統的信息管理系統雖然能實現信息的管理，但大多并不具備直觀性、可視 化的監測效果。隨著計算機技術的發展，信息管理系統向著可視化、圖形化、易 用化的方向發展，越來越多的信息管理系統提供了基于地理信息、建筑信息模型 的展現方式。例如：
姚得利（2014）設計并實現了基于GIS技術的建筑實時監控系統，圍繞建筑 實時監控，提出了組件式地理信息系統，并融合了無線監控［15］，如圖 1.9 所示。 該系統通過集成GIS與攝像頭進行實時監控，實現了較為準確的報警位置判定, 但無法在圖形化的界面中顯示詳細的報警數據，且監測范圍局限于攝像頭布放位 置與數量，只能滿足一般的區域性建筑監測，無法實現更大范圍例如幾十千米范 圍的連續監測，所以無法直接應用于管廊安防監測。
易加仁（2015）開發并實現了大氣環境分析預測系統，運用Web GIS展開了 大氣環境分析預測方法研究，為大氣污染預測提供了新的思路[16],如圖 1.10 所 示。該系統采用了較為豐富的圖表數據展示方法，具有較好的直觀性，但對于實
圖 1.10 大氣環境分析預測系統
叢晨（2016）在研發公共自行車實時統計監控系統時，實現了基于電子地圖、 電子圖表等直觀的展示方式，能夠對較大范圍內監測目標進行持續監測，如圖 1.11 所示。但該系統實時性不足，只能以5 秒為間隔進行實時監測 [17]。
華磊（2017）在設計 IDC 機房 3D 監控管理系統時，支持動態圖表，支持基 于三維視圖的可視化監測［18］，如圖 1.12 所示。但該系統的實時性不夠，監控數 據圖形化展示頁面的更新速率設定為 60 秒，及每分鐘更新一次數據，這種實時
監測方法無法支撐管廊火災預警監測、管廊非法入侵監測等高實時性監測需求。
楊嬌等人（2018）在實現地鐵屏蔽門數據監控系統時，設計了基于圖表的可 視化數據展示，實時報警查詢時間間隔為 3 秒，具有較好的實時性［19］，如圖1.13 所示。然而該系統在報警展示方式上，缺乏直觀性，難以自動化給出明確的報警 指示與分析。
綜上所述，信息管理系統在各個領域已有飛速發展，但現有的大多信息管理 系統尚不能直接應用于管廊并支持光纖傳感監測，主要有以下原因：
（1） 現有信息管理系統的監測結果展示方式不夠直觀，展示監測結果與通 知報警主要依賴聲音提示、指示燈、監控視頻等方式，難以發揮光纖傳感技術測 量的分布式、高密度、范圍廣等優勢；
（2） 現有信息管理系統實時性不佳，客戶端與服務器之間通信速度不高， 監測間隔較長，無法充分發揮光纖傳感技術實時性高、采樣速度快等優勢；
（3） 現有信息管理系統通用性不強，每種設備單獨配備上位機信息管理軟 件。由于光纖傳感設備種類多樣，用戶需要使用多種界面風格不統一、操作習慣 不一致的軟件系統，導致用戶學習成本過高，難以培養用戶的使用習慣，不利于 快速發現排查問題，無法充分發揮光纖傳感技術監測多樣性優勢。
1.3研究內容與章節安排
本研究以珠海市橫琴管廊的光纖傳感安防監測應用為背景，以發揮光纖傳感 技術在管廊中的優勢為目標，圍繞光纖傳感技術的特點，結合管廊光纖安防監測 需求，應用計算機信息管理與網站Web開發等技術，研究并開發了信息管理系統 的主要功能模塊，定期將本研究研發成果投入到珠海橫琴管廊實際運行，在實地 應用中對研究成果進行測試與檢驗，持續迭代與改進優化，最終實現一個更加適 用于光纖傳感技術的管廊信息管理系統。本文具體研究內容及章節安排如下：
第二章：管廊光纖安防監測系統研究。介紹了光纖傳感技術的原理與特點， 展示了光纖傳感技術在管廊中的實際應用，對橫琴管廊中各類光纖傳感監測系統 包括甲烷氣體監測系統、溫度傳感系統、振動傳感系統、結構健康狀態監測系統 進行了分析，突出了光纖傳感技術應用于橫琴管廊的優勢。本章是本文后續研究 內容的基礎和重中之重，為系統的整體需求分析、設計和研發提供依據。
第三章：可視化實時監測模塊研發。針對光纖傳感技術分布式測量、連續性 測量、精度高等特點，研發了可視化實時監測模塊。首先研究了電子地圖與各類 監測對象、各類報警信息結合的方法，以利用電子地圖提高管廊監測直觀性；其 次研究了全景 3D 地圖與管廊報警結合方法，輔助管理人員以更直觀的方式快速 定位報警位置；第三研究了在電子地圖中直接嵌入其他繪圖框架的方法，實現了 在電子地圖中顯示動態折線圖，支持用戶在實時監測的同時查看歷史數據圖形； 第四研究了電子地圖離線化方法，設計離線瓦片服務器，保證了無網狀態下能夠 正常使用地圖功能。
第四章：數據通信模塊設計與開發。針對光纖傳感技術實時性高、采樣頻率 高、傳感速度快等優勢，設計并開發了實時數據通信模塊，提出了基于長連接技 術替代傳統短連接進行數據通信的方法。首先在服務端研究了基于 Spring 開發 WebSocket 服務的方法，其次基于 JavaScript 實現了 WebSocket 客戶端，第三 研究了 WebSocket 數據通信過程。通過上述研究，開展了實驗測試，驗證了本模 塊通信的高實時性。
第五章：通用化信息管理模塊研發。針對光纖傳感監測目標多樣、監測設備 種類多樣等優勢，研究并開發了通用化信息管理模塊。首先研究了通用化數據接 口，使采集數據管理統一化，方便接入新類型的設備；其次設計并開發了通用化 業務流程模板，充分重用固有流程，更合理地管理業務流程；第三提出了通用數 據存儲方案，使得不同類型光纖傳感數據能夠統一存儲；第四開發了通用化歷史 查詢界面，為不同光纖傳感系統提供統一的界面風格、同類的數據查詢方法，以 此降低了用戶學習成本，提升了問題定位效率；第五開發了通用的實時通知功能， 保證用戶能夠在同一個操作界面觀測多種類型的光纖傳感數據，提升用戶管理效 率。
第六章：總結展望，對本文的研究內容與實際應用進行了總結，并對未來的 工作提出了進一步規劃和建議。
第2章 管廊光纖安防監測系統研究
2.1 引言
相比傳統傳感技術，光纖傳感技術具有監測范圍廣、采樣點密集、實時性好、 監測多樣性等優勢，已經被越來越多地應用于安防監測領域中。本章介紹了光纖 傳感技術的原理與特點，展示光纖傳感技術在珠海橫琴管廊中的實際應用，并通 過與傳統傳感技術的對比，突出光纖傳感技術應用于管廊安防監測的優勢。
2.2光纖傳感技術簡介
光纖是一種本證絕緣的材料，具有防水、防雷、防潮、質量輕、體積小、可 塑性強等特點［20］［21］，不受電磁波干擾，不宜被接觸的氣體、液體腐蝕，安全性高， 能夠保證傳感功能在較為惡劣的環境中長期可用［22］。光纖傳感技術是一種以光波 為載體，以光纖、光柵等半導體材料作為傳輸媒介、通過感知內部光信號來測量 外部物理量的新型傳感技術［23］［24］。基于光纖傳感技術的監測系統可以實現對多種 目標的監測，例如，基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統，可實現溫度測量 和火災監測［25］［26］；基于相位敏感光時域反射技術的分布式光纖振動傳感系統可實 現非法入侵、非法破壞監測［27］［28］；基于光纖光柵的位移和應變傳感系統可實現結 構健康監測［29］［30］；基于光譜吸收的光纖氣體監測系統可對危險氣體泄露情況進行 實時監測［31］［32］；基于光纖光柵的液位傳感系統可對集水井液位變化情況進行監測。
2.3光纖傳感技術特點分析
相比于傳統的傳感技術，光纖傳感技術主要具有以下特點：
（1）光纖傳感監測距離大，范圍廣，采樣密集
分布式光纖傳感測溫系統中，感溫光纜本身作為分布式溫度傳感器，沿安防 區域呈線形布放，可以覆蓋幾千米的測量距離。光纖內部激光的強度、相位等參 數變化能夠反映外界溫度變化，通過光纖光柵解調儀器的解調計算，可以得到距 離與溫度一一對應的映射列表。為了提高定位精度，保證發生高溫報警時能夠準 確定位故障點，需要較高的位置分辨率。而分布式光纖傳感的位置計算是基于光 纖折射率與光在光纖中的運行時長，單位時間內采集的次數越多，位置分辨率就 越高。
（ 2）光纖傳感采樣速度快，實時性好
光纖傳感靈敏度高，采集速度快。相比于傳統傳感器，光纖能夠更準、更快 速地感知外界擾動，識別安防威脅。以基于光纖拉曼技術的分布式光纖溫度傳感 系統為例，當入射光脈沖和光纖介質的分子作用，產生后向散射光，外界溫度變 化會導致光纜的散射特性將發生變化。這種以光信號為信息承載的傳感方式，對 外界擾動的感知速度理論上可達到光速的級別，配合高速數據采集卡，每次對幾 十千米范圍進行全量采集的耗時在毫秒級別。其他類型的光纖傳感安防應用也都 具有良好的實時性，例如基于光纖的分布式溫度采集系統，每次采集只需200 毫 秒；基于光纖傳感的危險氣體濃度監測系統，可以在100 毫秒內進行一次危險氣 體濃度測量；基于光纖傳感的建筑結構健康應變監測系統，當被測建筑結構結構 發生微小形變時，能夠在幾十毫秒內感知。
（ 3）光纖傳感具有多樣性，傳感設備種類豐富，支持測量多種物理量 在管廊中，光纖傳感技術可以測量溫度、振幅、瓦斯濃度、水位高度等物理 量，基于光纖傳感技術可以實現分區火災預警、人員非法入侵、建筑結構健康、 危險氣體泄露、集水井液位等情況的實時監測。在下一小節將詳細介紹各類光纖 傳感技術在管廊中的應用場景與優勢。
2.4光纖傳感系統應用于橫琴管廊的優勢
珠海橫琴新區綜合管廊，是目前國內一次性投入最大、建設長度最長、輻射 面最廣、納入管線種類最多、施工最復雜的地下綜合管廊工程［33］，能滿足橫琴未 來100年的城市地下公共管線需求。橫琴新區地下綜合管廊全長33.4km，納入 其中的管線類型共計6種，包括給水管、通信管、220KV電力電纜、冷凝水管、 中水管和垃圾真空管。為了實施安全防范監測工作，橫琴管廊配有各類傳感監測 系統，持續對管廊進行采集監測。
目前，管廊中常用的監測目標主要有甲烷氣體，甲烷氣體的泄露會導致管廊 發生不可估量的傷亡和巨大的經濟損失，因此，氣體監測是管廊中監測的重要目 標之一，其次是溫度監測，以預防管廊內發生火災，造成資源的損失，第三是人 為破壞或動物等意外情況的監測，最后是管廊內部結構健康的狀態監測。
由于橫琴地質原因，管廊伸縮縫沉降錯臺和滲漏水較為嚴重。而且由于地下 空間潮濕，對附屬設施設備的損壞破壞也較大。管廊現有的電子監測設備較多處 于故障或者誤報狀態，為提高管廊的安全系數和運營效率，應采用先進的技術手 段解決管廊存在的問題。通過科學對比和實際環境測試，光纖監測技術能有效解 決橫琴管廊安全監測問題。自 2017 年開始，橫琴管廊先后投入使用多種光纖傳 感系統，包括光纖甲烷氣體監測系統、分布式光纖溫度傳感系統、分布式光纖振 動傳感系統、光纖結構健康狀態監測系統。這四種系統應用于橫琴管廊時，相較 于傳統系統均有不同的優勢和特點，本文為構建能夠突出光纖傳感系統優勢的信 息管理系統，特針對橫琴管廊中不同監測目標，對傳統監測系統和光纖傳感類監 測系統進行了研究和對比分析。
2.4.1光纖甲烷氣體監測系統
（1）傳統傳感方案
目前國內外對于瓦斯氣體的監測方法多種多樣，監測效果也是參差不齊。瓦 斯氣體監測系統經過長期的發展與改進，也催生出了多種監測傳感器。其中管廊 應用常以催化燃燒式和電化學式為主。
傳統電化式產品進入管廊必須以弱電網絡為主，并加以安裝防爆管套（如圖
2.1所示），安裝成本高，弱電中繼設備安裝、更換及維護成本高。管廊為地下密 閉空間，故時常會出受潮、停電、排洪等情況，以弱電為主的線路和設備會因遇 水，出現線路短路、漏電、打火等情況，如果管廊中有易燃（甲烷）等氣體，極 易造成氣體燃燒、爆炸。
傳統電化設備，隨著時間流逝，受化學減弱影響，常出現監測精度下降。20 個月后必須更換探頭，應用在運營時間以百年計的管廊系統上，會造成更換頻繁、 成本過高的問題。
（2）光纖傳感方案
橫琴管廊采用了光纖傳感甲烷監測系統，對瓦斯氣體濃度進行監測。利用瓦 斯氣體在紅外光譜波段的吸收特性，采用光學氣室、光纖傳導技術及微光學元件， 將隨瓦斯濃度變化的光強信息通過無源光纖傳輸至解調主機轉化為線性輸出的
[34][35]
圖 2.2 分布式光纖瓦斯氣體傳感系統
圖 2.3 便攜式光纖瓦斯傳感器
圖 2.4 光纖瓦斯傳感器
采用光纖瓦斯傳感器在管廊中進行監測，具有以下明顯的優勢［36］：
•使用壽命長，安全，可靠；
•靈敏度高，精確度高，響應時間快，重復性好，不需頻繁標定;
•易于反復用，便于成網；
•可設定多級報警方式，有預測報警功能；
•精確定位氣體暴露發生位置；
•防電磁干擾，可以做網絡化分布，防塵，防爆，防水，防潮。
2.4.2分布式光纖溫度傳感系統
（1）傳統傳感方案
城市管廊中的安防標準沿用了隧道等建筑的消防標準，傳統的溫度傳感系統 采用點式電化溫度傳感探頭，加以防爆管的安裝方式，沿管廊頂部中央直線鋪設，
實現對整個管廊的溫度監測，如圖 2.5 所示。
傳統設備具有明顯的缺點：采用弱電系統，安裝過程繁瑣，必須安裝防爆管。 采用點式布放進行測量，精度低，中繼設備多，不方便管理人員進行維護。此外， 還需要定期進行檢查，頻繁更換設備，維護成本高。
圖 2.5 傳統點式溫度監測設備
（2）光纖傳感方案
橫琴管廊采用分布式光纖溫度傳感系統（DTS）進行長距離、分布式溫度實 時監測。分布式光纖溫度傳感系統是以光纖作為傳感器來測量溫度的光學儀器。 該系統利用單根光纖同時實現溫度監測和信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應
（Raman Scattering）和光時域反射測量技術（OTDR）來獲取空間溫度分布信息 [37]。系統能夠連續測量光纖沿線的溫度分布情況，特別適用于在管廊中進行長距 離、大范圍、高精度、多點的實時溫度測量[38][39]。圖 2.6 展示了分布式光纖溫度 傳感系統在橫琴管廊的實際應用。
圖 2.6 橫琴管廊感溫光纜安裝案例
2.4.3分布式光纖振動傳感系統
（ 1）傳統傳感方案
近年來，傳統周界安防技術大致分為三類：紅外對射、電子柵欄和攝像機圖 像智能分析等。紅外對射技術瓶頸主要為室外受干擾因素太多，誤報率很高。電 子柵欄穩定性高，適用于室外。攝像機圖像智能周界受光線影響較大，適用于火 線穩定環境。
傳統設備具有一些明顯的缺點：紅外對射設備適用于管廊環境，但屬弱電產 品，安裝需要布弱電線，并加以安裝防爆外套，安裝成本高，線路維護繁瑣。安 裝于 1米左右，容易遇水短路或設備因受潮壞損等。攝像機圖像能夠較為直觀地 實現現場監測，如圖 2.7 所示，但也屬弱電產品，誤報率易受燈光及生物影響 產生誤報，且系統安裝及維護成本較高。
圖 2.7 傳統基于攝像頭的周界安防監測
（2）光纖傳感方案
分布式光纖振動傳感系統（DVS）是基于光時域反射技術（OTDR）和光纖干 涉技術發展而成的先進的光纖傳感設備，它同時具有光時域反射技術定位精度高 和光纖干涉技術靈敏度高的特點［40］，可以以S型鋪設或沿護欄布設，進行長距離 安防監測，如圖2.8 所示。
圖 2.8 光纖傳感長距離安防監測
當外界有振動作用于傳感光纜時，振動敏感光纜中的纖芯會發生形變，引起
纖芯長度和折射率發生變化，導致光纜中光的相位發生改變［41］。當光在光纜中傳
輸時，由于光子與纖芯晶格間發生作用，不斷向后傳輸瑞利散射光。當外界有振
動發生時，背向瑞利散射光的相位隨之發生變化，這些攜帶外界振動信息的信號 光，反射回系統主機時，經光學系統處理，將微弱的相位變化轉換為光強變化， 經光電轉換和信號處理后，進入計算機進行數據分析［42］，原理示意圖如圖 2.9 所 示。系統根據分析的結果，判斷入侵事件的發生類別，并確認擾動位置［43］［44］。
2.4.4光纖結構健康狀態監測系統
通過測量置于光纖中的布拉格光柵反射光峰值頻率的頻移和強度變化［45］［46］， 可同時測量傳感光纖感受的溫度,應變、壓力、位移、加速度［47］［48］。圖 2.10 和圖 2.11 分別表示了分布式光纖健康狀態監測探頭和組網圖
圖 2.10 分布式光纖健康狀態監測探頭
2.5 本章小結
本章節介紹了光纖傳感技術在管廊中的應用情況，針對光纖傳感技術特征以 及目前存在的問題進行了分析。首先，對光纖傳感技術做了簡要介紹，其次，分 析了光纖傳感技術具有監測范圍大、實時性強、設備種類多等特點；最后，介紹 了光纖傳感技術在管廊安防監測的應用優勢，展示了光纖傳感技術在管廊中測量 甲烷、溫度、振動、結構健康等場景，通過與傳統傳感技術對比，突出光纖傳感 技術在管廊中的應用優勢。
本章節是后續研究內容的基礎和重中之重，為系統的整體需求分析、設計和 研發提供依據。
第3章 可視化光纖傳感實時監測模塊研究與開發
3.1 引言
光纖傳感技術具備持續、高時效性監測的能力，采集點更加密集，測量結果 更加準確。傳統信息管理系統可視化程度不高，為了更好地向人們展示監測到的 信息，充分發揮光纖傳感技術高實時性優勢，本章節將圍繞電子地圖、動態圖表 等元素，研究更加直觀的實時監測結果展示方式。
本章將以橫琴管廊光纖傳感安防監測的實際運行情況為背景，在介紹研究內 容與方法的同時，展示研究成果在橫琴管廊的實際應用。
3.2 需求分析
在安防監測中，當發現異常情況需要報警時，需要第一時間通知管廊工作人 員，以便快速響應。傳統信息管理系統大多依賴控制臺指示燈、聲音提示、監視 攝像頭等方式進行報警提示，如圖 3.1 展示了橫琴管廊現有的基于視頻圖像的 實時監控方式。傳統監測方式雖然能達到通知的效果，但不夠具體直觀，還需要 管理人員介入，通過報警儀器編號、對照監控攝像等進行二次確認，分析是否產 生報警，必要時需要對報警情況進行原因分析、位置確定，進而展開排查。這樣 的監測方式不能充分發揮基于光纖傳感的優勢，而且浪費了人力、物力、財力。 因此，針對光纖傳感系統設計可視化監測功能顯得十分重要和迫切。
圖 3.1 現有管廊普遍采用攝像頭監控
為了充分發揮光纖傳感技術實時性強、監測范圍廣等優勢，如果能有可視化
監測功能，不僅能將光纖監測到的數據傳到客戶端，幫助用戶直觀地觀測目標每 一秒鐘的變化，還可以幫助人們在復雜繁瑣的數據中清晰直觀地獲取需要的信息。
本文圍繞實現更加直觀的實時監測方式，設計了可視化光纖傳感實時監測模 塊，該模塊具備以下特點：
（1）直觀性：引入電子地圖、圖表等可視化展示方式，增加用戶使用的直 觀性。
（2）定位準確：當有報警產生時，能夠展示報警位置，定位精度達到 1米。
（3）實時性：監測數據實時上顯，在折線圖等動態圖形界面中動態播報最 新監測結果。
（4）界面友好性：開發圖形化的人機交互界面，實現更加直觀、形象、多 樣化的安防監測動態展示方式。
3.3 總體設計
可視化光纖傳感實時監測模塊包括以下四個部分（如圖 3.2 所示）：
（1） 基于地圖覆蓋物、地圖事件等API開發基本圖形繪制與報警彈窗功能, 實現分布式光纖測溫報警彈窗，提高報警消息觀測的直觀性，對彈窗效果進行美 化，保證界面的友好性。
（2） 基于全景地圖開發報警位置3D實地展示，實現人員光纖傳感入侵報警 高效定位，提升監測直觀性。
（3） 嵌入繪制圖表框架，提供實時監測與歷史消息同時展示，實現多探頭 光纖瓦斯濃度實時監測與歷史查詢，發揮了光纖傳感實時性優勢。
（4） 電子地圖離線化，支持通過調用本地資源查看地圖，避免網絡故障導 致地圖功能失效，提升了地圖服務的可靠性。
圖 3.2 可視化光纖傳感實時監測模塊結構
3.4 具體實現
3.4.1電子地圖選型與接入
目前常用的 Web 端電子地圖開發框架有百度地圖、谷歌地圖、天地圖等。本
研究結合需求進行了指標分析，對比結果如表格 3.1 所示。
表格 3.1 電子地圖開發框架對比圖
指標 百度地圖 谷歌地圖 天地圖
衛星圖分辨率 清晰 清晰 分辨率不夠
API 功能 多 多 較少
界面友好性 好 一般 一般
信息查詢準確性 一般 準確 一般
支持全屏 支持 不支持 支持
三維模式 支持 支持 需要裝插件
室內地圖 支持 支持 不支持
通過對比，根據本系統業務需求綜合分析后，采用百度地圖作為本系統電子 地圖開發框架。此外，百度地圖還支持點、線、面、熱力圖、地質圖層等地圖覆 蓋元素，支持個性化地圖，支持設定地圖主題，可以根據業務需求靈活地配置地 圖。
為了將百度地圖接入到系統中，首先需要申請成為百度開發者，獲取相應的 服務秘鑰AK （如圖3.3所示），并添加在前端頁面中，對百度API進行請求加 載，加載到的資源會對頁面中特定的標簽進行識別與渲染，進而繪制圖形界面。
額度管理
額度申請記錄
您當前創建了 3個應用
囤我的數據
數據管理平臺
凰商用授權
圖 3.3 百度開發者服務秘鑰 AK 申請界面
前端接入服務秘鑰 AK 后，通過設定地圖中心、地圖級別等配置項，就可以 在瀏覽器端顯示出地圖頁面。圖3.4 展示了百度地圖開放平臺給出的官方示例， 以北京作為中心，經緯坐標（116.404, 39.915）處的默認地圖展示，并帶有選 擇地圖種類的地圖控件。
3.4.2管廊與光纜繪制
百度地圖支持將點標注、折線、矢量圖、自定義圖片等元素作為覆蓋物繪制 在地圖中，并可以配置位置、長度、顏色等相關參數。以分布式光纖溫度監測系 統（DTS）為例，DTS依賴光纖長距離布放來測溫，一般呈線性與被測對象貼合在 一起，延伸幾千米的距離，感溫光纜布放結構如圖 3.5 所示，組網圖結構如圖 3.6 橫琴管廊所示。
圖 3.5 感溫光纜在管廊中貼合被測物布放
圖 3.6 橫琴管廊分布式光纖傳感測溫系統應用組網圖
為了實現管廊路線與布放光纜在地圖中的繪制，本研究采用 JavaScript 的 面向對象設計方法，將各類需要繪制的事物封裝成對象，用屬性和方法定義了在 地圖覆蓋物種類、位置信息、線條顏色、透明度等參數，以及繪圖的方法，根據 業務需求進行配置與繪制。
為了方便用戶清晰分辨管廊與光纜的走線，客戶端在地圖中采用不同的顏色 來進行區分。圖 3.7 展示了橫琴管廊的光纖安防監測全貌，藍色折線部分代表 橫琴管廊的分布圖，紅色部分即為感溫光纜走線，二者重合部分即為光纖溫度監 測范圍。
3.4.3報警事件彈窗提示
百度地圖支持基于鼠標操作、定時任務、接口觸發等一系列事件，可以完成 報警提示、監測上顯等功能。為了將光纜監測到的報警信息第一時間顯示在地圖 中，并彈出詳細信息框，需要在接收到報警后，根據報警消息中的位置信息計算 地理經緯度，根據報警種類確定圖標種類，根據報警強度選擇標注顏色，最終生 成圖標，并在地圖上繪制刷新，彈出彈窗。流程如圖3.8 所示。
根據報警 根據報警 根據報警 在地圖上 彈出報警、
經置坐定 標注種類 強度顏擇 繪制標注 消息彈窗＞
圖 3.8 在地圖中彈出報警信息的流程
以 DTS 報警實時彈出功能為例，當分布式光纖溫度傳感系統監測到高溫時， 會在地圖中彈窗提醒。為了實現此流程，基于 JavaScript 的面向對象方式進行 了開發，通過抽象DTS報警地圖對象DTSAlarmMapObj,實現報警位置信息存儲， 同時記錄了與報警相關的所有信息，并提供繪圖方法drawOn；配合報警彈窗工 廠類AlarmInfoWindowDomFactory，實現報警彈窗的組裝。
報警彈出效果如圖 3.9 所示，圖中彈窗指示了報警類型為預警，溫度為 40.0°C,報警發生在第A28分區，并給出了報警發生時間。
圖 3.9 溫度預警消息彈窗效果
3.4.4報警彈窗美化
圖 3.9 展示的報警彈窗雖然能表示必要的信息，但百度地圖內置的標簽直 觀性不足，展示出的標簽視覺效果并不友好，只有無格式的文字，用戶提取信息 不夠直觀。為了進一步提升用戶友好性，提高報警展示直觀性，本系統對報警窗 口做了美化。采用信息窗代替標簽，通過對頁面元素的重新排版，將美化后的結 果顯示在報警點處。實現效果前后對比圖如圖 3.10 所示。
3.4.5基于全景地圖3D報警定位
管廊光纖傳感系統覆蓋范圍廣，當產生報警后需要準確判斷地理位置，輔助 管理員定位問題。為了更直觀地展示監測結果，并實現精準的定位，本系統突破 二維平面地圖的限制，將監測結果進行空間化展示，用全景地圖顯示報警位置。 圖 3.11 展示了全景地圖與標簽結合，以 3D 方式展示報警點位置，報警信息提 示發生了侵入報警，位置在光纖距離 1133 處，振幅為 229 單位，并給出了地理 位置的經緯度。
圖 3.11 全景地圖展示報警點位置
在實際應用中，本系統定位精度同時取決于傳感采集精度和地圖顯示精度。 以分布式光纖振動傳感系統（DVS）為例，DVS可以對長距離振動信號進行監測 [49]，且具有高分辨率，支持以 1 米為步進單位進行長距離監測；本系統在對報警 位置轉換計算的過程中，系統的經緯度精確到1 X10-6度，以橫琴的維度（約北 緯 22.09）來換算，可以夠精確到 1 米。所以，基于電子地圖與 3D 全景地圖進 行定位指示，可以達到 1 米的定位精度。
3D 全景地圖在對管廊光纖傳感報警定位時，具有一定的通用性，不僅能夠 展示DVS監測到的入侵，還可以直觀準確地展示分布式溫度報警地點，或點式測 量探頭位置等。米級的定位精度，對于分布式光纖傳感系統監測長達幾十千米的 管廊來說，足以確認振動報警發生在哪一個分區的哪一個位置。準確的定位功能 可以幫助管廊管理人員迅速確定故障位置，指導相關人員第一時間趕赴現場進行 作業。
3.4.6電子地圖嵌入圖表
電子地圖為用戶提供了良好的直觀性，但展示方式較為單一，只能以文字的 形式報警提示。為了實現更直觀、更生動的展示方式，本研究在電子地圖中集成 了圖表繪制框架Echarts,將折線圖直接嵌入到電子地圖中，讓用戶通過移動鼠 標就可以直接觀測各個監測點的歷史數據。
以分布式光纖甲烷監測系統（GAS）在管廊中的應用為例，圖3.12左側展 示的瓦斯濃度報警界面，綠色部分代表該處探頭監測到的瓦斯濃度，綠色代表正 常，黃色或紅色代表瓦斯濃度過高。這種監測方式雖然能夠看到該位置瓦斯濃度 的實時水平，但無法查看每一處的歷史濃度變化情況。為了實現實時監測與歷史 濃度結合觀測，在百度地圖的彈窗中嵌入了折線圖。
為了實現電子地圖與動態圖表的結合，基于 JavaScript 進行了開發，設計 GASProbeMapObj 類，通過 openChart 與 updateIcon 方法，實現了數據與折線圖 的動態更新，同時動態更新標注顏色。
實現效果如圖 3.12 右側所示。布放在管廊中的采集探頭不斷上傳數據，折 線代表瓦斯監測探頭采集到的濃度隨時間變化情況，橫坐標代表時間，可以設定 保存數據時間長度；縱坐標代表瓦斯濃度百分比，分為三個報警級別，分別是 1%、 2%、3%，折線圖不同顏色代表濃度高低。通過折線圖與顏色的直觀感受，方便用 戶清晰直觀監測瓦斯泄漏情況。
3.4.7地圖服務離線化
基于電子地圖能夠實現直觀、動態的監測結果展示，基于地圖的衛星視角地 圖能夠清晰觀測發生安防威脅的位置與實際空間的對應關系，這得益于百度地圖 SDK 中集成了完善的功能，并且提供了豐富的多級地圖瓦片。然而為了獲取這些 資源，需要瀏覽器在每次加載網頁時向百度服務器發起資源請求，而一旦互聯網 通信情況不夠好，容易造成資源加載失敗，導致電子地圖功能無法使用。然而管 廊安防監測要求高穩定性，應盡可能少地依賴互聯網通信環境，避免由于網絡不 通導致功能失效。
為了降低電子地圖對互聯網通信的依賴，本系統將電子地圖進行了離線化處 理。離線化處理后，電子地圖的使用不再需要向百度服務器發起資源請求，取而 代之的，將所有需要用到的資源都存儲在本地，通過改變調用接口來從本地加載，
替代從互聯網加載。
通過瀏覽器資源請求監視，分析得出電子地圖服務主要依賴某些核心
JavaScript文件，以及地圖瓦片，如圖3. 13所示。
re Elements Console Sources Network Performance Memory Appl
• 0 | ■ View :"隹 O Group by frame lj Preserve log lj Disable cache 1回
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圖 3.13 電子地圖主要資源依賴
對于SDK離線化，將相應的核心文件儲存在本地,并適當對核心文件做更改,
將資源服務器地址替換為本地資源目錄。對于瓦片離線化，開發瓦片批量下載程 序，允許用戶對任意區域的瓦片按照所有級別批量下載，并保存到本地磁盤。
實現結果如圖 3.14 所示，下載后的瓦片都存在本地磁盤，可以在斷網時本
地提取。
圖 3.14 瓦片離線加載保存到本地磁盤
3.5 實際應用
本研究以橫琴管廊光纖傳感安防監測的實際運行情況為背景，設計并開發了 適用于珠海橫琴管廊的軟件版本“橫琴智慧管廊管理系統”，于 2017年 3月開始 投入到橫琴管廊的運營工作中，至今已連續運行超過700 天。圖 3.15 展示了本 系統在橫琴安防監控中心進行實地監測。
圖 3.15 本研究成果在橫琴管廊實地應用
在橫琴管廊應用期間，本系統成功接入了橫琴管廊的所有光纖傳感監測設備，
并通過電子地圖、動態圖表等方式為監測數據提供直觀的可視化監測方式，滿足 了管廊日常安防監測需求，提升了管廊安防管理水平。
以橫琴管廊中 DVS 監測非法爬梯為例，管廊投料口容易發生人員入侵,如圖
3.16 所示，橫琴管廊將部分投料口和爬梯作為防區，在部分入口爬梯處布放了 振動敏感光纜，配合解調設備進行非法爬梯監測。
圖 3.16 橫琴管廊投料口爬梯易發生人員入侵
本系統在平面地圖報警的基礎上，添加了 3D 展示功能，當發生報警時，客 戶端不僅會將報警顯示在電子地圖中，如圖 3.17 所示，還會第一時間將報警消 息彈出在全景地圖中，并且通過彈窗提示報警原因、報警距離、管廊分區、時間 等信息，效果如圖3.18所示，圖中展示了管廊C19分區的471米處發生了非法 爬梯，配合全景圖中的位置，可以迅速定位報警發生位置與管廊對應關系，輔助 管理人員快速響應。
圖 3.17 DVS 非法爬梯報警在二維地圖中的展示
圖 3.18 DVS 非法爬梯報警在全景地圖中的 3D 展示
3.6 本章小結
本章以橫琴管廊光纖傳感安防監測的實際運行情況為背景，圍繞電子地圖、 動態圖表設計實現了可視化光纖傳感實時監測模塊，為基于光纖傳感技術的溫度 監測、入侵監測、甲烷濃度監測等管廊安防監測場景提供了更加直觀的可視化監 測方案，使得光纖傳感技術監測范圍廣、監測實時性好、監測數據密集等優勢可 以更充分地發揮。首先，研究了管廊標識、光纖走線信息的繪制過程及交互方式， 將管廊光纖安防監測的各個元素在地圖中直觀顯示；其次，完善了報警彈窗顯示， 并對顯示界面進行了美化設計；第三，基于全景地圖設計了 3D 的報警位置定位 方式，方便管廊管理人員迅速定位報警點，定位精度達到1米；第四，對電子地 圖結合繪圖框架進行了研究，實現了在電子地圖中嵌入折線圖，方便用戶實時監 測的過程中直接觀測歷史；第五，設計了離線化地圖，保障了無網狀態也能使用 地圖功能，提升了系統的可用性。
第4章 實時光纖傳感數據通信模塊設計與開發
4.1 引言
光纖傳感技術靈敏度高，反應速度快，通常需要配合更高的采樣頻率，一些 光纖傳感系統從發生報警到數據上傳只需幾十毫秒，具有高實時性的優勢。
管廊安防需要將實時監測結果盡可能快速低延遲地傳輸到客戶端。傳統 Ajax 技術輪詢間隔在秒的量級，不足以匹配光纖傳感技術高實時性， 而 WebSocket 技術不依賴輪詢，可以做到毫秒級別的推送延遲。
為了實現實時性更高的報警數據推送，本章節將圍繞 WebSocket 長連接技 術，提出適合于光纖傳感技術的實時數據通信方法，實現低延遲數據通信，并結 合實驗對本系統實時通信模塊進行性能測試。
4.2 需求分析
當管理員從客戶端登錄到管理系統后，服務器會將最新的安防監測數據同步 到客戶端，客戶端再將監測結果實時顯示在瀏覽器的電子地圖、動態圖表等交互 界面中，展示給系統監測值班人員。當發生報警時，客戶端會在人機交互界面彈 出報警提示消息，必要時觸發聲光提醒。
傳統的信息管理系統的數據傳輸速率較慢，如果直接采用傳統的數據通信方 式傳輸光纖傳感數據，會造成傳感結果同步不及時、數據更新幀率低，導致客戶 端圖像繪制的動態效果差，無法發揮出光纖傳感技術實時性強的優勢。這是因為 傳統信息管理系統的技術框架是為了支持硬件傳感原理與實際應用場景而設計 的。與光纖傳感技術相比，傳統傳感技術原理與應用場景實時性不高，例如熱敏 電阻測溫、電化學測量危險氣體濃度等，這些傳感技術只能進行秒級或分鐘級監 測。實時監測一般支持到秒級的同步速率，并未在高速數據同步做進一步的優化， 不具備毫秒級高性能實時通信的能力。
如果有一種高實時性的數據傳輸方法來傳輸光纖傳感數據，不僅能夠提高監 測頁面的刷新速度，在用戶使用層面提升用戶體驗，還能輔助自動化軟件處理流 程快速發現異常、快速啟動應急方案，提高響應速度，降低財產損失。
因此，針對光纖傳感系統設計高實時性的光纖傳感數據通信方式顯得十分重 要和迫切。本研究針對光纖傳感的特性，設計開發高實時性的數據通信模塊，盡 可能降低數據傳輸與信息同步所耗時間，提升系統的報警實時性，充分發揮光纖 傳感技術實時性強、采樣率高等優勢。
該模塊應具備以下特點：
（1） 高實時性：達到盡可能高的傳輸速率，單機報警傳輸耗時〈50ms。
（2） 通信實時上顯：監測結果傳輸到客戶端后，可以直接顯示到用戶觀測 界面，例如在地圖、圖表中實時更新。
4.3 關鍵技術介紹
（1）基于HTTP協議的Ajax技術
Web開發常用到瀏覽器/服務器（B/S）結構進行程序設計。在傳統Web通信 的技術選型中，一般采用 Ajax 技術來實現前后端的消息傳輸。 Ajax 即 “Asynchronous JavaScript and XML"，是異步的 JavaScript 與 XML 技術，綜 合了多項技術的瀏覽器端網頁開發技術[50][51]。Ajax的出現，替代了以表單為媒 介的數據傳輸方式，在瀏覽器端用JavaScript處理相關業務邏輯，與服務器之 間僅僅發送必須的數據，以最小的數據量實現信息交流。相比于傳統基于提交表 單傳輸數據，采用Ajax技術傳輸數據使得服務器與客戶端之間的數據傳輸量明 顯減少。又由于客戶端上的JavaScript程序能夠處理響應一部分業務邏輯，可 以降低服務器的壓力。
然而Ajax是一非持久化協議，采用Ajax技術實現數據通信，本質上是一種 輪詢的過程，一般以一定時間為周期，客戶端向服務器發起請求，服務器將數據 響應給客戶端。這種輪詢方式有著兩個較為明顯的不足：一是客戶端不斷向服務 器發起請求，每個請求都會包含一部分相似信息，例如請求頭，真正需要傳輸的 往往只是其中的少數，這在多客戶端、通信頻繁的場景會導致較為嚴重的帶寬占 用與流量浪費；二是客戶端頻繁發起請求會導致服務器壓力過大，占用資源，當 客戶端數量較多時，服務器難以及時響應每個客戶端，導致通信實時性較低。
（2） WebSocket 技術
隨著HTML5的發展，越來越多基于Web的應用程序開始基于HTML5進行前端 開發。其中， WebSocket 是 HTML5 定義的一種基于 TCP 連接的全雙工通信協議， 允許服務器主動向客戶端推送數據，能夠利用更小的帶寬實現更加實時的數據通 信。
與 Ajax 相比， WebSocket 技術在實時性、系統性能等方面具有明顯的優勢。
圖 4.1 展示了基于 WebSocket 通信的流程圖，在 WebSocket 在建立通信連接的過 程中，會進行一次協議升級，創建TCP通信信道，以便客戶端與服務器維持長久 的連接，所以 WebSocket 比基于 HTTP 請求的 Ajax 技術省略了每次輪詢所需要的 頭部信息、狀態信息等數據的多次傳輸。再者， WebSocket 是全雙工協議，服務 器可以主動推送數據給客戶端，相比于 Ajax 請求的客戶端發起請求才能響應， WebSocket 技術支持瀏覽器客戶端更快地從服務器加載最新的數據，明顯降低通 信延遲。綜上，在一些即時通信、實時報警的場景中， WebSocket 可以較好地替 代 Ajax 實現數據傳輸。
(HTTP)握手&請求協議升級
(HTTP)協議升級
(WebSocket )數據推送
(WebSocket )數據推送
(WebSocket)指令信
(WebSocket)指令執行結果
I I
圖 4.1 WebSocket 通信流程圖
4.4 總體設計
本系統采用WebSocket方式實現數據實時通信。在服務端架設了 WebSocket 服務程序，每一個客戶端在初次訪問管理頁面時，都會向服務器申請建立長連接。 當長連接建立后，客戶端會向服務器發起監聽消息訂閱，告知服務器需要推送哪 些編號的設備產生的哪些類型的報警。服務器監聽到報警時，按報警類型、儀器 分類、儀器編號等指標對報警消息進行分類，進而將消息通過WebSocket信道分 發給特定的訂閱者客戶端。訂閱者客戶端接收到來自服務器的推送消息后，渲染 用戶視圖并將數據顯示在圖表或電子地圖中。總體設計結構框圖如圖4.2 所示。
圖 4.2 實時光纖傳感數據通信模塊總體設計
4.5 具體實現
4.5.1服務器設計
為了保證更高的實時性，將服務器與橫琴所有光纖傳感系統主機放置于同一
個機架中，如圖 4.3 所示。
圖 4.3 機架式服務器與光纖傳感系統主機共同安放
服務端基于Spring框架開發，通過SockJS、STOMP實現WebSocket服務。 在業務邏輯實現中，將WebSocket廣播邏輯加入到每次報警處理方法solveAlarm 中，經過存儲與消息格式轉換后，通過broadcast方法將所有報警消息廣播出去， 例如通過"/topic/AlarmDTS"、"/topic/AlarmDVS"等 topic 發布 DTS、DVS 等 報警消息。
4.5.2客戶端設計
客戶端在前端環境開發，使用SockJS、STOMP實現了 WebSocket連接，通過 訂閱后端 “/topic/AlarmDTS"、“/topic/AlarmDVS"等 topic，實現對特定類型 消息的監聽。當監聽到消息后，在回調函數中執行后續流程，例如圖形化顯示、 地圖報警彈窗等操作。
4.5.3數據通信過程設計
通信模塊采用了 STOMP作為消息WebSocket數據傳輸協議。STOMP是消息隊 列的一種協議，可以用于定義WebSocket的消息體格式。瀏覽器作為消息的消費 者，在發起連接后，發送SUBSCRIBE給定目的地的幀并從服務器接收消息作為 MESSAGE幀，如圖4.4所示。圖中分別發送向“ /topic/AlarmDTS ”、
“/topic/AlarmDVS”發送訂閱消息，表示該頁面同時支持分布式光纖溫度監測 與分布式光纖振動監測數據。
Opening Web Socket.?.
Web Socket Opened...
>» CONNECT
ac cept - version :1.1_,1.0
heart-beat:10000,10000
«< CONNECTED
version:1.1
heart-beat:0j0
»> SUBSCRIBE
id:sub-0
destination:/topic/AlarmDTS
»> SUBSCRIBE
id:sub-l
destination:/topic/AlarmDVS
圖 4.4 STOMP 連接與訂閱
圖 4.5 展示了服務器監測到了高溫異常，向客戶端發送報警通知的示例，
第一行MESSAGE表示此幀為MESSAGE幀，代表接收到了客戶端推送的消息。第二 行distination字段表示本條消息發給所有訂閱了 “/topic/AlarmDTS"主題的 客戶端，即溫度報警監測頁面。消息主體采用 JSON 結構的數據對象，攜帶了報 警級別、報警位置、報警所在分區、報警溫度值、報警發生時間等關鍵信息。
4.6 實時性測試實驗
4.6.1實驗背景
傳統基于 Ajax 的實時報警輪詢時間一般在秒的量級，例如定時間隔在 5 秒
以上的有：
叢晨（2016）在研發公共自行車實時統計監控系統時，每隔5 秒向后臺提交 一次 Ajax 請求［17］；
華磊(2017)在設計IDC機房3D監控管理系統時，將監控數據圖形化展示 頁面的更新速率設定為60秒回調一次Ajax請求［18］；
楊志義(2017)在配電網數據采集和監控平臺設計中，將異步請求定時設置 為6秒［52］。
定時間隔在5秒以內的有：
宗文杰(2011)研究的基于Ajax的GIS監控系統中，Ajax實時報警顯示時 間為0.7-1.2秒［53］；
周柱(2016)在監測制冷液灌注信息和設備運行情況時，在實時數據查詢設 計中將Ajax輪詢間隔設為了 1秒［54］；
王歆洵(2017)在污水監控系統的設計研究中，將數據接收模塊通過Ajax更 新數據的定時間隔設為1秒［55］；
姚智超(2017)在開發真空設備遠程監控系統時，設置定時器1秒向服務器 進行一次Ajax數據請求［56］；
楊嬌等人(2018)在實現地鐵屏蔽門數據監控系統時，在可視化數據通信過 程中，將Ajax異步調用的時間間隔設置為3秒［19］。
4.6.2實驗目的
本實驗的目的是：對本研究設計的實時通信模塊的性能進行測試，檢驗本模 塊是否達到設計指標(單機實時報警耗時〈50ms),進而驗證本系統是否具有比傳 統方案更高的數據通信實時性。
4.6.3實驗方法
本實驗以DTS系統報警為背景，通過測試溫度報警消息傳輸速率的方式，評 估本研究中WebSocket傳輸方案的實時性。為了與傳統通信方式進行性能對比, 本實驗以Ajax通信方案作為對比項，開展了對比實驗。
在一次報警傳輸的過程中，服務器與客戶端分別記錄當前時間，通信耗時就 可以用服務器與客戶端的時間差來表示。緩慢加熱感溫光纜，當服務器監測到溫 度超過報警閾值時，記錄下當前時間戳T。，客戶端接收到報警時，記錄時間戳L 和T2,分別計算出耗時厶TAjax和ATwS,進行比較，多次測量分析結果。實驗結構 如圖4.6 所示。
由于△ TAjax和ATws—般在毫秒的量級，為了計算結果準確，需要確保服務器 產生的時間T0與客戶端產生的時間T1、T2的計時精確到毫秒的級別。然而實際情 況下，不同計算機之間的時間基準難以保證在毫秒的級別同步，所以，本實驗在 同一臺服務器上同時運行服務端程序和客戶端程序，通過單機通信確保服務端與 客戶端的時間絕對同步，保證對比測量結果的準確。
4.6.4實驗準備
分別在服務器與客戶端，設計基于Ajax、WebSocket的兩種數據實時同步方 式，并編寫程序實現測試流程。
服務端程序在監測到來自DTS的溫度報警時，將當前時間T0追加到報警信 息中，而后立即準備通過Ajax、WebSocket兩種方式同步到客戶端，并提供了相 應的客戶端接口，流程圖如圖4.7 所示。
圖 4.7 實時性測試實驗服務端邏輯
客戶端程序包括了 Ajax 與 WebSocket 兩種接收報警的方法， Ajax 方法向 url “/dts/loadNewAlarm"定時發起 HTTP GET 請求，WebSocket 方法在初始化 時訂閱“/t opic/AlarmDTS ”話題下的所有報警消息，并等待數據推送。
依據 4.6.1 小節的分析，傳統基于 Ajax 的實時監測，輪詢間隔一般在秒的 量級，所以本實驗的 Ajax 輪詢時間設定為 1 秒，即每一秒向服務器獲取一次最 新報警信息。
4.6.5實驗過程
開啟服務器，打開客戶端，確認 Ajax 客戶端持續以 1 秒為周期進行報警實 時查詢，確保 WebSocket 客戶端已經向服務器發起請求并建立 WebSocket 連接。
人為產生一次溫度報警，在客戶端查看通信情況。圖 4.8 展示了 Ajax、
WebSocket 兩種方式均接收到了同一條報警，報警消息的 JSON 字符串中攜帶了 相關信息，其中標明報警時刻的時間戳為 1522329292002，換算成北京時間是 2018 年 3 月 29 日 21 時 14 分 52 秒零 2 毫秒。圖中右下角終端內紅色方框展示 了測試程序的輸出結果，可以看到，對于同一條報警消息的傳輸，基于 WebSocket 方式報警延時28毫秒，基于Ajax方式報警延時584毫秒。
圖 4.8 實時性測試實驗過程
采用此方式，進行15組測試，并將結果綜合統計，繪制散點圖加以分析，
如圖4.9所示。
Ajax與WebSocke t數據通信性能測試
1200
實驗次數
圖 4.9 Ajax 與 WebSocket 數據通信性能測試結果散點圖
4.6.6實驗結論
15次測試實驗結果顯示，基于Ajax的報警耗時在0-1000ms內較為均勻地 分布開，最短耗時62ms，最長耗時962mso WebSocket方案的報警延時均在50ms 以內，最短耗時14ms，最長耗時39mso
由于傳統 Ajax 方式以 1 秒為間隔進行輪詢報警，新產生的報警消息被存放 到緩存中，等待被動查詢，所以每一條報警消息從產生到被輪詢到所用的時間， 在 1 秒內呈等概率分布。而 WebSocket 方案可以做到發現報警主動推送到客戶 端，不需要等待輪詢，從根本上避免了延遲，所以實驗結果顯示， WebSocket 耗 時明顯少于Ajax，且分布較為穩定。
實驗結果證明，本研究設計的基于 WebSocket 的實時數據通信方法，達到了 設計指標，實現了比傳統方式更高的數據傳輸實時性。
4.7 本章小結
本章節基于橫琴管廊監測的實際場景，針對數據通信與消息管理方式做了優 化。首先，介紹了 B/S 架構下不同的數據實時傳輸技術，結合實際需求進行了方 案選型，采用基于 WebSocket 長連接技術實現實時性更高的數據通信；其次，基 于 Spring 框架對 WebSocket 服務端進行了開發；第三，在前端瀏覽器實現了 WebSocket客戶端；第四，以DTS報警為例，展示了數據通信格式與電子地圖報 警聯動；最后，通過測試實驗，證明了本模塊具有比傳統 Ajax 方案更高的實時 性，能夠在安防監測中實現更高速、實時的光纖傳感監測數據傳輸。
第5章 通用化光纖傳感信息管理模塊研究及開發
5.1 引言
光纖傳感技術具有多樣性優勢，基于光纖傳感技術可以實現更加全面、準確、 細致的安防監測。光纖傳感設備種類多，可以測量多種物理量，為了實現多樣性 的安防監測，可以在管廊中同時投入使用多種類型的光纖傳感設備。
然而，在信息管理上，現有的管廊大多是對每一類傳感設備單獨開發配套軟 件實現信息管理，并沒有通用化方案。隨著光纖傳感設備種類增多，用戶需要使 用多種風格不統一，使用習慣不一致的軟件系統，導致用戶學習成本過高，難以 培養用戶使用習慣，不利于快速發現排查問題，難以充分發揮光纖傳感技術監測 多樣性優勢。
本章節圍繞提升傳感信息管理的通用性，設計可以集成不同類型光纖傳感設 備的通用化管理模塊，依據現有光纖傳感的在管廊中的信息管理工作流程展開了 研究，充分發揮各個環節的通用性。
5.2 需求分析
5.2.1光纖傳感多樣性優勢分析
光纖傳感技術具有多樣性，能夠對多種物理量進行監測，并且能夠適用于多 種監測場景。例如，光纖傳感技術可以分為分布式測量與點式測量，分布式測量 技術又可以測溫、測振動；溫度測量又可以根據光纖傳感模數分類，既有側重距 離長、范圍廣的單模測量，又有側重低噪聲、快響應的多模測量，如圖 5.1 所 示。
圖 5.1 光纖傳感技術監測種類多樣
光纖傳感技術應用于管廊安防監測，可以滿足多種安防場景的傳感監測需求， 例如分區火災預警、人員非法入侵、建筑結構健康、危險氣體泄露、集水井液位 等情況的實時監測等，如圖 5.2 所示。
圖 5.2 光纖傳感技術在管廊安防監測的應用場景多樣化
5.2.2現有管廊信息管理方案的不足
現有管廊往往需要用到多種類型的傳感設備，同時從多個維度對目標進行監
測。由于光纖傳感設備種類多樣，每種設備有各自的特點，其工作方式、數據格 式、通信接口等指標不盡相同。為了實現對各類監測結果同時展示，現有管廊一 般會為每一種設備開發特定的信息管理系統，針對管廊安防業務需求，為硬件采 集設備開發配套的管理軟件，提供信號采集、解調計算、數據上傳、設備接口管 理、人機交互界面等功能，實現各自的信息管理方式。圖 5.3 展示了目前管廊 中針對不同光纖傳感設備設計的管理系統人機交互上位機。
圖 5.3 為每種傳感設備單獨開發上位機
隨著管廊中的光纖傳感設備種類逐漸增多，現有的管理方式有著明顯的不足：
（1）管廊信息管理方式不通用，各類光纖傳感方案沒有統一的接口標準， 新設備難以快速接入。
（2）管廊管理員需要不斷在不同的上位機界面中監測、排查問題。由于不 同系統之間的操作方式沒有統一性，導致難以培養用戶使用習慣，不便于快速發 現排查問題。
（3）數據存儲方式沒有統一標準，難以做到數據統一管理與綜合分析。
5.2.3通用性特點分析
實際上，應用于安防監測的傳感設備，存在一定的通用性，例如在信號采集
方面，都是以一定的時間周期，對目標進行監測，將監測結果以一定的數據通信
協議發送到服務器；在數據處理存儲方面，都是以一定的格式將采集到的信息保 存在存儲介質中；在信息查詢方面，都是基于客戶端/服務器結構進行請求/響應 等動作，實現監測結果的查詢。特別是基于光纖傳感技術的監測設備，具備更多 通用的特征，例如都是對光信號進行感知與采集，都是通過一定的解調算法將光 信號轉換成電信號或數字信號。通過這些共性，可以將不同類型的傳感設備以一 種通用的方式進行管理。
本研究針將對不同設備之間的接口、傳感數據、業務流程等特征，設計通用 化的光纖傳感信息管理模塊，對各類傳感設備進行統一的管理，解決設備數量多、 設備種類多帶來難以統一管理的問題，降低管理成本，同時方便未來更多種類監 測儀器的靈活擴展。
通用化的光纖傳感信息管理模塊應該具備以下特點：
(1)設備通用化。提供通用的光纖傳感設備信息管理方案，能快速接入新 設備，在數據對象、業務流程、存儲方案等方面，都有對應的通用化管理方法。
(2)界面通用化。不同傳感設備信息之間切換快捷，各界面之間應該具有 相似的界面布局，相似的功能，相似的操作方法，保證用戶直觀操作，降低用戶 學習成本。
5.3 總體設計
本模塊信息管理系統工作流程入手，開展通用化光纖傳感信息管理模塊的設 計。管廊信息管理系統在接收光纖傳感采集數據后，會經過閾值比對，計算報警 級別，并根據業務需要，進行存儲入庫。用戶可以使用歷史查詢功能，通過輸入 條件或翻頁查詢等方法，精準查詢歷史數據。對于需要立即上顯以便實時監測的 數據，系統會向各個客戶端發出通用性的實時通知，將數據傳輸到用戶界面，以 電子地圖或圖表的方式加以展示。流程圖如圖5.4所示。
圖 5.4 通用化設計結構圖
通用化設計分為 5個方面：
（1）在傳感數據接收環節，做了接口通用化設計，將不同傳感設備數據， 采用通用的模板進行封裝，以便后續流程統一處理；
（2）對于接收數據后的處理流程，做了業務流程通用化設計，通過找到業 務流程的通用部分，將必要步驟抽象成通用模板，實現了業務流程的統一管理；
（3）對于存儲場景，做了數據存儲通用化方案，實現了數據庫標準化管理；
（4）面向用戶查詢接口與展示界面，做了數據查詢通用化設計，通過設計 相同的界面風格與操作方式，降低用戶使用難度，保證數據查詢過程的高效率；
（5）在實時通知環節，做了報警通知通用化設計，保證不同傳感系統監測 數據能夠集成在同一個地圖界面中展示，并且能夠以類似的方式顯示在圖表界面 中。
5.4 具體實現
5.4.1光纖傳感數據接口通用化
安防傳感需要多種傳感設備同時執行監測任務，這些傳感設備產生的數據，
既有一定的共性，又在一些原理、應用中存在細節上的不同。為了實現設備接口
通用化，本系統將各類傳感采集數據進行了通用化管理。對于報警數據對象，采
用了面向對象的程序設計方法，引入了抽象類AlarmTemplate作為報警類模板, 各種傳感設備產生的報警數據對象均由其派生而來，進而繼承了模板中的屬性， 例如設備id、報警事件time、報警級別alarmLevel、儀器名稱machineName等。 對于分布式光纖傳感數據對象，需要表征其距離屬性，所以在DTS、DVS等分布 式傳感數對象中存有realDist、fiberDist等屬性，分別代表安防監測真實距離 與光纖相對距離。對于各類數據之間的不同屬性，由各個派生的子類提供。報警 數據對象關系UML圖如圖5. 5所示。
c AlarmTemplate
A serialVersionUID long
f id Long
f A time String
f A alarmLevel Integer
® getldO Long
m 'k setld(Long) void
m '■ getlimeO String
m setTime(String) void
m '■ getAlarmLevelQ Integer
m '■ setAlarmLevel(lnteger void
m '■ realAlarm。 boolean
® b toStringO String
圖 5.5 報警數據對象 UML 類圖
5.4.2光纖傳感業務流程通用化
光纖傳感信息管理系統在接收數據后，會經過一定的業務邏輯，結合實際情 況進行入庫存儲、報警通知等處理流程。對于不同光纖傳感設備在管廊中的實際 應用，往往具有一定的固有流程，可以通過將固有流程封裝成模板的方式，使得 不同傳感數據在業務處理過程中實現統一化的流程管理。
基于面向對象的程序設計方法，采用模板方法設計模式，能夠合理地實現此 過程。將各種數據的業務服務類以模板方法模式加以管理，抽象出通用方法封裝
成模板，用派生類作為業務流程的具體實現者。類關系圖如圖 5.6 所示。
圖 5.6 模板方法模式實現通用業務流程
5.4.3光纖傳感存儲方案通用化
不同光纖傳感設備產生的數據，具有一定的共同點。例如，每一條數據都需 要標注其傳感類型，每一條數據都有監測位置對應的管廊分區信息，每一條數據 經過報警閾值比對都會生成報警類型與級別等。此外，對于分布式光纖傳感數據， 都會有傳感距離信息；對于光纖傳感點式測量，一般會有探頭序號等參數。
為了實現通用化的數據存儲方案，系統采用非關系型數據庫作為不同類型光 纖傳感數據共同存儲的主要方式。非關系型數據庫的特點在于，存儲的數據格式 不受約束，這可以支持不同種類的傳感數據按照統一的格式存儲與管理，例如只 需要使用同一個數據庫實例，按照分表來管理不同傳感數據種類。
本系統采用MongoDB來存儲日常安防監測日志信息。MongoDB是一種非關系 型數據庫，以Objectld作為查詢鍵、支持以BSON格式存儲數據對象。本系統以 時間作為Objectld,對于每一類監測數據，都有特定的監測數據維度指標，系統 將每種監測數據封裝成一個數據對象，以 BSON 文檔的形式存儲在 MongoDB 數據 庫中。
以光纖光柵液位監測系統舉例，當監測到一組來自 C20 分區的液位報警時， 會以數據對象的形式將報警類型、監測分區、探頭編號、激光波長信息與測量得 到的積水深度等信息封裝存儲。表格 5.1展示了5條液位監測數據的存儲形式示 意圖。
表格 5.1 液位監測數據存儲形式
Id （時間戳） Bson （具體信息）
數據
類型 監測 分區 報警 類型 探頭 編號 中心波長/nm 溫補波長/nm 積水深度
/cm
1525846307 Water C20 3 12 1528.77 1528.64 1475
1525846320 Water C20 3 12 1528.75 1528.71 1479
1525846327 Water C20 3 12 1528.70 1528.69 1483
1525846334 Water C20 3 12 1528.73 1528.77 1486
1525846342 Water C20 3 12 1528.74 1528.73 1492
基于 MongoDB 存儲歷史數據，能夠較好的支持不同類型傳感數據的統一存
儲。
5.4.4光纖傳感歷史查詢通用化
光纖傳感設備種類多樣，為了實現通用的歷史查詢功能，設計了通用化的查 詢方法。采用面向對象的程序設計方法，將查詢條件封裝成為對象，查詢對象具 有統一的模板父類AlarmQueryTemplate，各種具體的傳感數據的查詢條件由派 生子類表示，例如用于DTS歷史數據的查詢條件由AlarmDTSQuery類表示，用于 DVS 歷史數據的查詢條件由 AlarmDVSQuery 類表示等。通用查詢條件模板關系圖 如圖 5.7 所示。
C ” AlermQoeryTempbte
t a beginTime String
f ■ endTime String
.fj ■ minAlarmLevefl Integer
m " AlarmQueryTemplatef)
m AlarmQueryT em plate(Map < String, StringQ*)
• i toMapQ MapvStiing. Object*
ti findDouble{Map<StringrString[]>J String) Double
m findlnt(Nap<String. StringD>, String) Integer
m -； findStr(MapvStdng. StringU〉” String) String
m ■ getBeginTimeO String
m ■ setBeginTim?{String) void
m ■ getEndTimeO String
m * setEr<jTime(S tring) void
m » getAlarmLevelMinQ Inwg “
■n » setAlannLevelMin(lnteger) void
* f
廠 1 l
c - AlarmGASQuefy AlarmFBCQuery 1 • Alarm DTSQuwy
f ? machineld Integer • A ch Integer 0 distMin
f ■ probe Integer 1 » probe Integer f distMax Integer
f i concentration Min Double ® * strainMin Double 0 temperatureMin Double & ■ AlarmDVSQuery
f ■ concentration Max Double • fe strainMax Double 0 temperatuieMax Double • “ vibrateMin Double
e ■ AlarmGASQuery(Map < String, String [| > ) e ■ AlarmFBGQ^jery(MapvStiing, String[)>) .■ AJatmDTSQueryO 0 » vibrateMax Double
m ■ Alarm GASQueryO ® k AlarmFBGQueryO AlarmDTSQueiy(Map<Stringr String[]>} m ■ AlarmDVSQuery(Map< String, String□>)
m '* toMapO Map v String, Object a m * toMapQ MapvString, Object〉 toMapO MapvString, Object> m ■ AlarmDVSQueryO
e ■ toStringO String iH k toStringO String * toStringO String • 'k toMapO MapvString, Object>
e b getMachineldO Integer e a getProbeO Integer 1 •1 getDr^tMinO Integer m . toStringO String
m ■ setMachineld(lnteger) void m * setProbeQnteger) void setDistMinflnteger) void m . getWbrateMin。 Double
e ■ getProbef) Integer e ■ getStrainMinf) Double ■ getDistMaxO Integer 債'a setVibrateMin(Double) void
m ■ setProbeQnteger) void e ■ setStrainMin(Double) void setDHtMaxflnreger) void m . getWbrateMaxO Double
e h getConcentrationMinO Double e ■ getStrainMaxO Double getTemperatureWinQ Double 0 £ setVibrateMax(Double) void
m ■ setCOflcentrationMin(Doubl^) void m ■ s®t5trainMax(Double) void setT e mpe ratureM infOduble) void
e > getConcentrationMaxO Double ® "fa getChO Integer getTemperatureMax。 Double
m ■ setConcentrationMax(Ooubk) void 10 fa setChflnt^er} void 址tTemp*ratureMax(Double) void
圖 5.7 通用查詢條件 UML 類圖
DataTables 是一個前端表格繪制框架，支持靈活的數據展示方式，支持異 步翻頁查詢。本系統基于 DataTables 框架實現數據的表格展示，設計了多種傳 感數據的通用展示界面，實現了更為通用化的歷史數據查詢交互方式，效果如圖 5.8 、圖 5.9 、圖 5.10 所示。
橫琴智慧管廊管理系統
齢曾廊后臺仙鋼 I
圖 5.8 溫度報警歷史數據查詢
圖 5.9 應力報警歷史數據查詢
橫琴智慧管廊管理系統
圖 5.10 瓦斯泄露監測報警歷史
各個交互界面風格統一，操作步驟類似，管理員可以對多種報警歷史進行通 用化查詢。查詢界面支持條件查詢，關鍵字查詢、關聯查詢、模糊查詢等。查詢 到的數據用表格的方式加以展示，提供了起始時間、截止時間、報警位置信息、 分區信息、報警類型等指標。對于所展示的數據，支持根據所展示的各個指標進 行排序，管理員可以通過合理運用數據排序功能，快速定位需要查詢的信息。
5.4.5光纖傳感實時通知通用化
在第三章實現的基于電子地圖實時監測結果展示方式中，各類傳感數據能夠
直觀地展示在電子地圖中，實現統一、通用的直觀監測、報警定位等功能。除此
之外，系統還針對更多實時監測場景，設計通用化展示界面。
為此，本系統基于Echarts圖表繪制框架，開發了電子圖表的展示方式，將 圖表嵌入到信息查詢結果的頁面中。
例如基于分布式光纖傳感技術測量管廊溫度，其數據具有分布式的特性，每 一組數據由距離-溫度的鍵值對形式存在，組成了一個列表，列表長度即為采樣 點數量。采用折線圖的方式對數據加以展示，鼠標移動可以看到各個點的溫度， 通過對同一時刻各個測量點的溫度的直觀展示，能夠直觀地發現異常，方便管理 員實時快速定位問題，實現效果如圖5.11 所示。
再例如光纖傳感測量瓦斯濃度，基于點式監測，為了實現更密集的監測采集， 需要在一段管廊中呈多點布放多個探頭。為了統一對其進行監測，系統采用多個 折線圖構成的監控大盤，表示各個監測點的甲烷濃度變化，如圖5.12 所示。
5.5 實際應用
本系統接入了橫琴管廊多種光纖傳感設備，對溫度、入侵、集水井液位等情 況進行持續監測。本小節從振動監測、結構健康監測、液位監測為例，介紹本文 通用性研究在橫琴管廊的實際應用情況。
5.5.1光纖傳感管廊入侵監測信息管理
橫琴管廊在地下管廊入口處布設了振動敏感光纜，基于光纖傳感技術測量振 動信號，監測人員入侵，如圖5.13 所示。管理員可以通過通用化的信息查詢界 面，直觀地對一段時間內的入侵情況綜合分析。
圖 5.13 橫琴管廊防火門布放振動敏感光纜
2017年，第一屆中國城市綜合管廊規劃建設與管理大會在橫琴召開， 6月2 日，與會嘉賓到橫琴管廊進行了實地參觀考察，有大量人員進入管廊內部進行參 觀。圖5.14 展示了本系統監測到當天的入侵次數共有642次，日歷圖顯示了這 一天的顏色最深，代表了這一天發生了較多次數的人員入侵。通過界面左側的日 歷圖縱向對比每一天的報警次數，通過右側的詳細表格可以確定入侵地點、振動 振幅。綜合分析可以方便地獲取統計信息，快速定位問題。
圖 5.14 入侵監測日歷圖展示
5.5.2光纖傳感管廊結構沉降監測信息管理
橫琴管廊鋪設了多探頭構成的應力傳感網絡，基于光纖光柵技術測量管廊墻 壁發生的微小位移，管廊結構的變化過程能夠被精確捕捉。管廊沉降情況可以在 客戶端的多路折線圖中進行觀測，如圖 5.15 所示，每條曲線代表一個探頭，折 線形狀代表墻壁特定位置的相對位移，管理人員可以全方位立體地分析管廊結構 應變情況。圖中顯示各條曲線趨于平穩，應變波動在2卩e以內，代表管廊結構 健康，未發生明顯的沉降現象。
橫琴智慧管廊管理系統
碣蘭営廊莒理矣銃 I
匚I報警歷史
5.5.3光纖傳感集水井液位監測信息管理
橫琴綜合管廊建設在地下數米的深度，部分分區存在地下滲水現象，在管廊 內產生積水點，需要實時監測積水深度，并通過水泵加以控制。為了測量積水點 的液位，管廊內布放了光纖光柵液位探頭。圖 5.16 展示了單個探頭在一個月內 連續測量得到的水位變化曲線圖，由于集水井深度 2 米，所以設定高液位閾值為 1.8 米，當水位高于閾值時，水泵自動打開，水位下降，到1.5 米低液位閾值時， 水泵關閉，水位再次慢慢升高，所以水位展現出了周期的高低變化。
圖 5.16 管廊積水走勢圖展示
圖 5.17 展示了橫琴管廊監控中心進行實際監測數據分析，管理員可以通過
圖表進行觀測分析，實時了解管廊積水是否處于正常狀態。
圖 5.17 本系統在橫琴管廊監控中心進行水位監測分析
5.6 本章小結
光纖傳感設備多樣，管廊設備監測數據與信息管理需要一種通用化的方法。 現有管廊的管理方案對用戶來說具有較高的學習成本，且操作復雜，不利于發揮 光纖傳感多樣性優勢。本章節設計了通用化光纖傳感信息管理模塊，圍繞提升信 息管理的通用性展開了研究。首先，研究了設備接口通用化方法，方便不同光纖 傳感設備快速接入信息管理系統；其次，研究了業務流程通用化方法，方便不同 光纖傳感設備業務處理流程的標準化設計與實現；第三，研究了存儲方案通用化 方法，將不同類型的采集數據以相同的存儲方案加以存儲，實現更加通用的數據 管理；第四，研究了歷史查詢通用化方法，結合 Echarts 與 DataTables 框架， 實現了界面風格與操作方式相同的信息查詢界面，降低用戶使用難度，提高故障 定位效率；第五，研究了實時通知通用化方法，實現了將不同類型的數據集成在 相同界面實現報警通知，方便用戶多維度監測與分析。通過通用化設計，集成了 不同類型的光纖傳感設備，充分發揮各個環節的通用性，降低用戶使用難度，提 升管廊管理效率與用戶體驗，實現了管廊對光纖傳感系統的通用化信息管理。
第6章 全文總結
6.1 工作總結
本文通過對安防監測信息管理系統的研究，針對光纖傳感監測儀器，設計了 一種能夠更好地與光纖傳感安防監測設備結合的信息管理系統，彌補了傳統安防 管理系統對于光纖傳感技術支持的不足，實現了在管廊安防監測中發揮光纖傳感 技術優勢的目標，同時能夠較好地兼容傳統傳感技術與傳統監測采集設備進行安 防信息管理。
本研究開發了適用于珠海橫琴管廊的軟件版本“橫琴智慧管廊管理系統”， 于2017年3月開始投入到橫琴管廊的運營工作中，至今已連續運行超過700天。 應用期間，系統成功接入了橫琴管廊的所有光纖傳感監測設備，并在此基礎上進 行了一系列的優化設計和研發。應用結果顯示，本研究為管廊維護運營工作提供 了較好的輔助，降低了故障發生頻率，提升了管廊管理效率，體現了較高的應用 價值。
本文的研究工作和主要成果如下：
（1）開發了適用于光纖傳感技術的安防監測信息管理系統，具備實時報警、 監測數據存儲、歷史數據查詢等功能。
（2）研究并開發了可視化實時監測模塊，發揮了光纖傳感技術監測范圍廣、 監測密度高等優勢。圍繞電子地圖、動態圖表等可視化元素，實現了報警實時提 示、電子地圖監測等功能，提升了管廊安防監測的直觀性。將全景地圖與光纖傳 感報警結合，實現了 3D 報警定位展示，定位精度在 1 米以內；將圖表繪制框架 Echarts 嵌入到百度地圖信息框中，實現了實時監測與歷史查詢的統一；實現了 地圖離線化，保證了無網狀態下可以正常使用電子地圖。
（3）設計與實現了實時光纖傳感數據通信模塊，發揮了光纖傳感技術實時 性高的優勢。充分利用長連接信道保證高速信息傳輸，在服務端、客戶端分別開 發了 WebSocket 通信發送與接收端，對數據傳輸格式與實時報警實例做了展示， 實現了高實時性的報警通知，并通過實驗測試，驗證了本模塊的高實時性。
(4)研究并開發了通用化光纖傳感信息管理模塊，發揮了光纖傳感技術多 樣性優勢。在數據接口、業務流程、存儲方案、歷史查詢、實時通知五個方面， 提升了傳感信息管理的通用性，統一了不同類型光纖傳感系統的信息管理方式， 方便其他類型設備的接入與業務擴展，降低了用戶使用難度，提升了管理效率。
本研究的部分成果已經投入到了安防監測進行實際應用，并基于應用結果持 續迭代，不斷優化系統設計，并取得了一定的應用價值。在應用期間內，系統工 作正常，各個功能模塊可用，實現了實時報警、電子地圖監測、歷史數據管理與 分析、結構健康狀況評估等功能，對各類光纖傳感設備進行統一的信息管理。應 用結果證明，本系統在功能、性能等方面能夠更好地匹配光纖傳感技術特點，能 夠充分發揮光纖傳感技術優勢，有利于促進光纖傳感技術在管廊安防監測中發揮 更大的價值。
6.2本研究的創新點與應用價值
6.2.1創新點
(1)本研究基于WebGIS技術與Echarts技術，提出了管廊光纖安防監測數
據查詢及顯示方法，解決了在電子地圖實時監測中難以查看歷史數據的問題；
(2)實現了不同設備管理界面通用化，使得操作界面風格統一，操作方法 相似，提高系統交互友好性，降低用戶使用難度，提升故障定位效率；
(3)基于全景地圖實現了光纖傳感監測精確報警定位，定位精度可達 1 米 以內。
6.2.2應用價值
( 1)本研究開發了適用于珠海橫琴管廊的軟件版本“橫琴智慧管廊管理系 統”，至今已在橫琴管廊實際應用超過 700 天；應用期間內，與橫琴管廊的各類 光纖傳感采集設備結合，充分發揮光纖傳感技術優勢，為橫琴管廊的安防監測提 供了信息化的管理方式，輔助管廊運維工作的開展，獲得了一定的有益結果，驗 證了本研究具備較高的應用價值。
（2）本研究進行了通用化設計，可以促進更多新型傳感系統低成本地應用 于已建好的管廊，能夠支持兼容傳統傳感技術與設備，具有較為廣闊的應用前景。
（3）本研究曾為中國電信、中國移動、馬騮洲隧道等大型項目提供光纖傳 感安防管理平臺方案。
6.3 未來工作展望
未來將基于現有成果，繼續在實時報警、大數據管理等方面對信息管理系統 進行設計與優化。
在功能方面，提供更豐富、更便捷、更高效的管理方式，實現更加適用于光 纖傳感技術的安防管理功能模塊；同時適配更多種類的光纖傳感設備，充分地發 揮光纖傳感技術在管廊安防監測領域的優勢，為促進綜合管廊安防監測提供更新 的思路和更完整的解決方案。
在數據管理方面，繼續提升系統對于光纖傳感數據的分析能力，例如基于海 量光纖傳感監測數據實現管廊建筑結構健康水平分析；繼續提升系統的數據特征 模式識別能力，基于現有報警歷史與監測記錄進行數據特征分析，實現對報警成 因自動辨別與歸類，使得本系統具有更加廣闊的應用前景。
參考文獻
[1]王恒棟.我國城市地下綜合管廊工程建設中的若干問題[J].隧道建 設,2017,37(05):523-528.
[2]鄒柏賢，苗軍，逯燕玲。光纖安防監測信號的特征提取與識別研究綜述 [J]. 計算機工程與應用， 2019,55 (03):23-29+38.
[3]邵彥超•城市地下重點設施安全狀態監測技術現狀及發展方向分析[J].科技 與創新 ,2018(18):16-17+19.
[4]江林.基于BIM的智能樓宇集成管理系統設計與研究[D].重慶大學,2017.
[5]李芊，許高強,韋海民•基于BIM的綜合管廊運維管理系統研究[J].地下空間 與工程學報,2018,14(02):287-292.
[6]馬軍，張石磊,王莎莎.基于BIM和GIS技術在管廊全生命周期的應用[J].智 能建筑與智慧城市,2018(12):47-49.
[7]陸倩倩，丁智.BIM技術在杭州市地下綜合管廊建設中的應用[J].現代城 市,2018,13(04):7-9.
[8]Brown D. (1992) Ohmeda Arkive1 Patient Information Management System — an Operating Room Based Database Analysis Network. In: Ikeda K., Doi M., Kazama T., Sato K., Oyama T. (eds) Computing and Monitoring in Anesthesia and Intensive Care. Springer, Tokyo
[9]何勇，余心杰•基于WebGIS的農機化信息管理系統設計與實現[J].農業機械 學報,2005(10):88-90+80.
[10]Pressl B., Mader C., Wieser M. (2010) User-Specific Web-Based Route Planning. In: Miesenberger K., Klaus J., Zagler W., Karshmer A. (eds) Computers Helping People with Special Needs. ICCHP 2010. Lecture Notes in Computer Science, vol 6179. Springer, Berlin, Heidelberg
[11]Fukada H., Kobayashi K., Katsuki A., Hirasawa N. (2011) Evaluation of Disaster Information Management System Using Tabletop User Interfaces. In: Salvendy G., Smith M.J. (eds) Human Interface and the Management of Information. Interacting with Information. Human Interface 2011. Lecture Notes in Computer Science, vol 6772. Springer, Berlin, Heidelberg
[12]吳定會，孔飛，李意揚，沈艷霞,潘庭龍，趙芝璞.周界智能安防系統[P].江 蘇：CN203444602U,2014-02-19.
[13]薛千里.農村智能化小區信息系統的設計與開發[D].華中師范大學,2015.
[14]高寧. 基于私有云計算技術的無纜自定位地震儀勘探管理平臺設計與開發
[D]. 吉林大學，2016.
[15]姚得利.基于GIS技術的建筑實時監控系統的設計與實現[D].吉林大 學，2014.
[16]易加仁.基于Web GIS的大氣環境分析預測系統研究[D].武漢科技大 學，2015.
[17]叢晨.基于Web GIS的公共自行車實時統計監控系統研發[D].中國地質大 學(北京)，2016.
[18]華磊.基于B/S架構的IDC機房3D監控管理系統的設計與實現[D].重慶郵 電大學，2017.
[19]楊嬌，陳強，王加賓,梁鑒如，周玲.基于Echarts的地鐵屏蔽門數據監控系統 的實現J].智能計算機與應用，2018, 8(04):144-148.
[20]張愛杰，包行太.我國光纖通信發展現狀及其趨勢探討[J].信息通 信，2014(01):258-259.
[21]關柏鷗•雙頻干涉型光纖傳感技術[J].光學與光電技術,2019,17(01) :6-10.
[22]劉鐵根，于哲，江俊峰，劉琨，張學智，丁振揚，王雙，胡浩豐，韓群，張 紅霞，李志宏。分立式與分布式光纖傳感關鍵技術研究進展 [J]. 物理學報， 2017，66 (07):60-76.
[23]唐婭荔.用于光纖傳感器的帶隙型光子晶體光纖的研究[D].北京郵電大 學，2011.
[24]孫敦艷•反射式光纖電流傳感器信號處理仿真研究[J].大眾科
技,2012,14(06):58-60.
[25]申劍光。分布式光纖測溫系統的自校準技術研究 [J]. 計量與測試技術， 2018,45 (08):31-33.
[26]寧炳魁。分布式光纖溫度傳感系統的數據采集模塊設計 [D]. 電子科技大 學， 2018.
[27]付群健, 于淼, 常天英, 張瑾, 羅政純, 王旭, 劉珉含, 崔洪亮. 相位敏感光時域 反射系統的模式識別方法綜述[J].紅外與激光工程,2018(07):276-289.
[28]崔洪亮, 劉野, 于淼, 常天英, 陳建冬. 小波降噪在分布式光纖干涉振動檢測 及定位系統中的應用J].光學精密工程,2015(10z):71-76.
[29]林美金. 基于分布式光纖光柵傳感技術盾構隧道縱向沉降和水平位移監測 研究[D].福州大學,2013.
[30]李惠芳，印新達，劉簡，張翠，陳園。基于光纖光柵傳感系統的入侵信號識 別 [J]. 光通信技術， 2012,36 (02):12-14.
[31]曾祥豹, 王海旭, 王忠民, 周天水, 崔洪亮, 常天英. 鋸齒波調制半波掃描技術 對甲烷檢測系統的性能改進[J].紅外與激光工程,2017(08): 128-134.
[32]何啟欣。基于紅外激光吸收光譜技術的氣體檢測系統研究 [D]. 吉林大學， 2018.
[33]工程巡禮[J].安裝,2015(11):65.
[34]李彬。近紅外光譜吸收式氣體檢測系統的研究 [D]. 吉林大學， 2016.
[35]陳友安。基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監測系統設計 [D]. 中國科學 技術大學， 2016.
[36]曾祥豹。分布式光纖甲烷監測系統的設計與實現 [D]. 吉林大學， 2017.
[37]王劍鋒, 劉紅林, 張淑琴, 余向東, 孫忠周, 金尚忠, 張在宣. 基于拉曼光譜散 射的新型分布式光纖溫度傳感器及應用[J].光譜學與光譜分析,2013(04): 865-871.
[38]張琨鵬，富兆龍。分布式光纖測溫傳感技術的設計應用 [J]. 通用機械， 2018 (09):54-56+58.
[39]魏昊文，徐寧。高靈敏度布喇格光纖光柵溫度傳感器 [J/OL]. 光通信技術：
1-6
[40]于淼•基于雙重同源外差相干檢測的e-OTDR系統的研究及應用[D].吉林大 學.2017.
[41]張翠，王立新，林斌，戴玉堂。用于周界安防的光纖光柵振動傳感器的研究 [J]. 半導體光電，2012，33 (04):566-569.
[42]Y.J. Rao， "Research development of long-distance distributed optical fiber sensing technology"， Acta Physica Sinica， vol. 6607， pp. 158-176， 2017.
[43]王旭，劉珉含，于淼，常天英，崔洪亮，羅政純，付群健，白楊.相位敏感光時域 反射系統數字正交解調算法分析及改進研究J].中國激光,2017(12): 275- 281.
[44]甘國妹，黃艷虎，甘永進。基于振動傳感的智能光纖安防系統設計 [J]. 科 技風，2019 (01):10.
[45]陶鵬。基于相移光纖光柵傳感的周界安防系統入侵探測技術研究 [D]. 上 海師范大學，2018.
[46]王新遠。基于 FBG 的周界安防入侵信號的識別研究 [D]. 長春工業大學， 2018.
[47]劉利。光纖光柵周界入侵報警系統在石油罐區周界安防中的應用 [J]. 石 油化工安全環保技術，2012，28 (06):32-35+39+2+1.
[48]王蒙，孫志慧，張發祥，閔力，李淑娟。用于周界安防的光纖光柵振動傳感 系統研究 [J]. 半導體光電，2016，37 (03):427-429+435.
[49]J.X. Chen， H.P. Gong， S.Z. Jin， "Development and principles of fiber optic intrusion sensor system based on ①-OTDR", LASER JOURNAL， vol. 3006， pp. 4-6， 2009.
[50]蔡永強.基于云環境的聯招報名系統研究與設計[D].廣東工業大學,2014.
[51]曹一冰，李文軒,黃飛,唐鑫泉.面向危機管理的地理事件標注與檢索[J].地 理信息世界,2014,21(04):21-24.
[52]楊志義.配電網運行數據采集和監控平臺的研究與實現[D].華北電力大學
（北京）,2017.
[53]宗文杰.基于AJAX的GIS監控系統的研究[D].華東師范大學,2011.
[54]周柱.B/S+C/S融合架構的制冷液灌注在線監控系統研究[D].安徽工程大 學,2016.
[55]王歆洵.基于物聯網的污水監控系統設計[D].南京理工大學,2017.
[56]姚智超.基于B/S模式的真空設備遠程監控系統的開發[D].蘭州理工大 學,2017.
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