智慧高速公路 3 光栅阵列传感技术 路面健康监测、桥梁健康监测、高边坡监测、隧道健康监测
基于光栅光纤与雷达视频的多源数据时空同步融合算法
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以分布式光栅光纤振动传感数据的时空信息为基准，标定雷达视频等感知数据的时空信息，融合振动传感数据和路侧感知数据，从而精确获取每台车辆的多维信息数据集，实现车辆轨迹的车道级全域跟踪。
理工光科：公司交付的湖北鄂州机场高速智能道面系统已获得验收 每日经济新闻 2024-03-14 15:25 每经AI快讯，有投资者在投资者互动平台提问：天津市首条智能网联汽车示范应用线路在天津宝坻区正式开通，线路在车路云协同、开放道路驾驶、网联云控式智能驾驶（L2 /L4）等方面在全国取得领先。请问公司智能道面系统目前在国内哪些智能网联道路应用？
理工光科（300557.SZ）3月14日在投资者互动平台表示，公司交付的湖北鄂州机场高速智能道面系统已获得验收，可实现全时全域全天候无盲区感知车、路、事件，车道级定位车辆位置、速度、轨迹，感知路面运行状态。目前智能道面系统逐步在山东、安徽实现示范应用。
湖北首条智慧高速公路多项创新成果发布
长江云说法2023-06-16 10:02湖北
6月15日，在2023世界交通运输大会上，湖北首条智慧高速——鄂州机场高速公路的“多项创新成果发布，全球首创的“触觉+视觉+听觉”的全源全时全域全天候智慧高速解决方案，备受行业内外广泛关注。
鄂州机场高速是连接鄂州花湖机场的唯一高速通道，全长13公里，双向六车道，始于鄂州花湖机场，连通汉鄂高速和武黄高速，服务于鄂州花湖机场与高速路网的公空联运，货物转运高峰集中在夜间，且一年中有30~40天因恶劣天气影响正常通行，具有全时通行时间需求长、物流集散速度要求快、紧急状况下应急处置效率要求高等需求特点。
为保障鄂州花湖机场与武汉天河机场“货客双枢纽”高效互通，作为鄂州机场高速的投资建设方——湖北交投集团，在国内其他省份普遍基于视频+雷达即“视觉+听觉”感知方案的基础上，创新性将武汉理工大学姜德生院士团队的光栅阵列传感技术首次应用到高速公路道面上，形成业内真正意义上第一条具备全时、全域、全天候，“触觉+视觉+听觉”能力的多源感知智慧高速。在基础上形成了5项重要的专利成果。
成果一
基于光栅光纤与雷达视频的多源数据时空同步融合算法
以分布式光栅光纤振动传感数据的时空信息为基准，标定雷达视频等感知数据的时空信息，融合振动传感数据和路侧感知数据，从而精确获取每台车辆的多维信息数据集，实现车辆轨迹的车道级全域跟踪。
成果二
基于位置服务（LBS）推荐算法的伴随式信息服务
实时监测车辆位置、驾驶行为及驾驶环境，对交通流量信息、路面结构状态信息和第三方共享数据等多个维度的数据进行时间和空间的同步校准，根据目标车辆的时空位置，将信息通过情报板等针对性的触达至车辆。
成果三
一种首车领航的全天候通用车辆编队通行的系统和架构
在恶劣天气下，领航车辆通过车载增强感知设施实时采集前方道路信息，并与实时获取的云控平台全域路况信息及全域车道级跟踪信息进行特征融合，将高速公路的全域路况信息与危险信号及时发送给参与编队的所有车辆，保证编队车辆的有序安全通行。
成果四
基于高速公路通行车辆行为特征的画像体系
通过大数据平台积累历史数据，根据车辆的驾驶行为、通行频次、出行规律等建立车辆的综合画像，从而识别车辆的潜在价值和潜在风险，为引流增收、安全管控提供数据支撑，并考虑可能的营销及应用场景，构建特色化的客户服务体系。
成果五
高速公路车道级出行服务APP（产品）
基于全时全域全天候路网检测数据，通过APP将路网信息共享给司乘，实现全方位车路动态实时信息交互，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全、提高通行效率。
技术与应用需求驱动下，新型阵列光栅或成光纤传感最优解
苏州万创投行2023-12-20 13:58江苏
观点速览
为了防范火灾和故障，光纤传感器广泛应用到光缆运维、油气管网、电力系统、公共交通的各个领域中，逐渐形成了产学研紧密结合的格局。
传统的光纤传感技术难以满足光纤传感网络“大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠”的发展趋势，新型阵列光栅光纤可有效融合各类光纤传感器优势，成为光纤传感最优解。
在光纤传感技术主要应用领域市场的助推及其自身技术驱动下，行业市场规模不断攀升，发展前景广阔。
01下游应用事故高发，光纤传感技术大有可为
1）因电气电缆故障引发的火灾及事故
11月9日，国家消防救援局公布2023年1-10月全国火灾形势报告。今年1-10月，全国共接报火灾74.5万起，死亡1381人，受伤2063人，已核直接财产损失61.5亿元，与去年同期相比，起数和伤人数分别上升2.5%和6.5%。其中，因电气引发的火灾共有21.7万起，火灾造成418人死亡，占总数的30.3%，直接财产损失26.3亿元，电气故障是引发火灾的首要原因。
除火灾外，随着光缆铺设区域和密集度快速增长，以及我国油气管网和电力系统的迅速壮大，其运维管理也同样存在诸多困难，如监测工作量大、故障定位误差大、性能监控不完善等问题。根据相关统计，85%以上网、电不可用事件均由线缆故障造成，对经济社会生活造成了较大损失。
为了防范火灾的发生和减少线缆故障造成的损失，科技人员不断探索和研发新的预警技术。其中，光纤传感技术作为一种新兴的技术手段，被大量应用在火灾预警及光缆监测中，并取得了重要的成果。
2）光纤传感技术
传感技术是现代信息技术中的重要组成部分，光纤传感是以光作为信息的载体，光纤作为传播和传感媒介，通过解析传感光纤中的光信号变化来获取其中有用信息的一种新型传感技术。
作为现代传感领域发展最迅速的分支，光纤传感拥有许多独特优异的性能，如体积小重量轻、耐腐蚀高温等恶劣环境、抗电磁干扰、信息容量大、高灵敏等，同时可通过复用技术组阵或分布式结构实现大尺度、长距离的信号探测。因此，光纤传感技术特别适合于恶劣环境下的长期在线测量，化被动巡检为主动感知，实现数字化、智能化监测运维，具有传统电磁传感器无法比拟的优越性。
3）光纤传感技术的应用场景
经过多年学术研究和技术发展，光纤传感技术在近几年形成了加速发展的趋势，在温度、压力、声波、振动、磁场、应变等众多物理量的测量方面都有广泛的科学研究，并且已在多个实际场景和交叉领域中获得大量应用，如电力、石油、化工、交通、生物、医疗等，逐渐形成了产学研紧密结合的格局。其典型应用如下：
①光缆运维管理
光缆在施工、服役过程中，由于技术和环境影响难免存在不良扭转、物理损坏等情况，需进行故障状态监测及预警。尽管光网络有逻辑链路主备路径保护措施，但若主备路径处于同一物理光缆，断纤事故造成的业务中断风险将大幅增加。基于光纤传感的“同路由检测”技术可实现光缆管线信息和业务路由信息的融合管理。
②油气管网监测
我国拥有庞大的油气管网，根据国家能源局数据，到2025年全国油气管网规模将达到21万公里。油气管网具有跨度长、地理地质环境复杂、多处于野外无人监管区域等特点，传统监测方法较难满足油气管道的安全监测需求。基于光纤传感技术，利用油气管道同沟铺设的通信光缆，配合智能分析算法，可实现长距离、高空间分辨率、多参数测量的长输管道实时监测。
③电力线路监测
我国电网规模和输送容量位居全球首位。输电线路的稳定运行易受恶劣天气如大风、雷暴、冰雪灾害等环境因素的影响，传统监测预警方案主要依靠人工巡检、电子点式传感器等方法，存在劳动强度大、成本高、安装维护难度大和大面积覆盖困难等问题。光纤传感技术可实现对沿线多种参量的长距离、实时在线监测，相比传统方法具有响应速度快、抗干扰性强、可靠性高和重量轻可微型化等优点。
下图为国家电网某线路基于光迅科技站内分布式光纤传感监测系统进行的覆冰在线监测试点，可实现OPGW光缆逐档距的覆冰厚度连续实时监测。
④地质环境和火灾监测预警
基于光纤传感技术和我国广泛覆盖光通信网络，可构建一张包含平原、山川、河流、海洋的地质环境监测预警网。通过对光学信号的分析和振动等参数检测，一方面可实时监测地质环境中的异常变化，提供地震、滑坡、泥石流等早期预警和风险评估，以便采取适当防护措施；另一方面，可实时获取地质参数的变化情况，如地壳位移、水位变化、岩土结构变形等，辅助评估结构的安全性与稳定性。
⑤周界安防监测
社会经济的高速发展对核电站、铁路沿线、危化品仓库、军事基地、政府办公区域、重要基建设施、大型网络节点等重要战略区域提出了更高安防要求，为有效杜绝关键区域越界入侵，周界防护正从物防人防向技防转变。基于光纤传感的周界安防系统可以有效克服传统安防系统存在盲区、性能劣化、误报率高、易遭受雷击等缺点，具有监测距离长、无电磁辐射、抗干扰能力强、可靠性高、运营成本低等优点。
⑥海缆监测预警
光纤传感技术的重要载体之一是海缆，其典型应用场景除前文提及的地质环境等监测外，还包括对海底电缆、光缆及相关基础设施的有效监测，如海底拖网活动、轮船锚定、疏浚活动、涡激振动、电气故障、局部放电等的监测和预警。
02传感网络朝高精尖发展，新型阵列光栅光纤或成最优解
1）几种常见光纤传感技术
不同于传统传感器是独立个体，光纤传感器可以在一根光纤上串联多个传感单元，组成监测网络。根据传感单元布局设计的差异，光纤传感技术可分为单点式、准分布式和分布式三大类。
①单点式光纤传感
单点式光纤传感器一般实现局部区域的信息获取，主要包括光纤光栅型传感器、光纤微结构干涉型传感器、光纤光谱吸收型传感器以及微纳光纤型传感器等。这些传感单元可实现单一乃至多物理参量的传感测量，常见的测量物理量包括应力、振动、折射率、温度等。
其中，光纤光栅（FBG）是常见的一种点式传感器。FBG是通过一定方法（如紫外刻写）使光纤纤芯的折射率产生周期性分布，它对波长具有选择性，能够使特定波长的光反射，而使其他光透过。光纤光栅传感器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、动态测量范围宽、体积小、稳定性强，易于复用等优点，已成为近年来发展最为迅速的传感器之一。
②准分布式光纤传感
准分布式光纤传感技术通过光纤将多个传感单元串接起来，实现单纤长距离、大容量传感监测。构建准分布式传感网的传感单元多采用光纤光栅、光纤FPI及光纤干涉仪，这些传感单元本身具有较高的信噪比，同时在组网和信号传输上又保持分布式传感的优势。利用光波自身特性，通过波分复用、时分复用、频分复用、空分复用以及混合复用等技术，在单根光纤或多根光纤上形成准分布式传感网络。
③分布式光纤传感
分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，光纤集传输与传感于一体，可实现传感光纤链路上多达百万个测点的信息获取，实现大范围、长距离的传感监测。分布式光纤传感技术无盲区，突破了光纤光栅解调复用传感单元数量限制和空间分辨率限制，因而称为分布式测量。目前，分布式光纤传感系统已被广泛应用于周界安防、管线安全、资源勘探、结构健康监测以及医疗检测等多个领域中，展现出极佳的工程化前景。
2）光纤传感技术发展趋势
目前，以“大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠”为特征的新型光纤传感网络已经成为光纤传感最重要的发展趋势：
大容量：代表光纤传感单元多达几千甚至数万个；
高精度：代表光纤传感监测精度进一步显著提高；
高密度，代表传感单元间隔将达到厘米级；
长距离，代表光纤传感监测范围多达几十甚至上百公里；
高可靠，代表能够更好地满足恶劣工程现场长期可靠运行需要。
而传统的光纤传感技术，无论是光纤光栅传感技术还是分布式光纤传感技术，均难以满足“大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠”光纤传感网络的应用需要和迫切需求。因此，基于光栅阵列的新一代光纤传感技术应运而生。
3）光栅光纤阵列传感或成最优解
伴随我国经济的持续稳定发展，城市轨道交通、高速公路、机场、石油天然气管线、大型桥梁、高速铁路等国家大型工程、重要基础设施呈现快速增长态势。
上述大型基础设施、重大工程与人民生命财产安全息息相关，其运行状态监测与安全管理已经成为当前急需解决的重大问题。面对复杂的大交通、安防等领域大型基础设施、重大工程的运行状态监测与安全管理需求，光纤光栅传感技术、分布式光纤传感技术等传统光纤传感及其他传感技术手段由于其各自存在技术短板，尚不能满足上述应用领域发展需要。
而基于光栅光纤的新一代光纤传感技术——光栅光纤阵列传感，能够采用拉丝塔在线写入光纤光栅，利用波分+时分混合复用的方式对海量传感信号进行解调，有效融合“光纤光栅传感技术”与“分布式光纤传感技术”的各自优势，进而实现“大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠”的新一代光纤传感网络。我国企业，如安徽龙联智能等已开始布局此种新型光纤传感智能系统，并取得了一定的成果。
新型光栅光纤阵列传感技术的出现，能够为我国大交通、安防等领域国家大型工程、重要基础设施的状态监测与安全管理提供完整先进的解决方案，能够及时掌握其在役状态、健康状况，对潜在的病害和突发的事故隐患及时地进行预警和报警，有效满足城市轨道交通、高速公路、机场、石油天然气管线、大型桥梁、高速铁路等下游市场的实时状态监测与安全管理需求，显著提升我国大型基础设施的实时监测能力与安全管理水平。
03技术驱动下光纤传感行业发展前景广阔
1）中国光纤传感解决方案总体市场规模
在第一部分内容中，我们提到目前光纤传感技术已广泛应用于电网基建、城市管廊、油气能源基建、海底缆线、交通基建、城市安防等领域，实现资产监控运维管理功能，下游应用领域十分宽广。
且根据Frost&Sullivan的统计和预测，2021年，我国光纤传感解决方案市场规模达到72.90亿元人民币，自2017年以来年复合增长率达27.1%，电网基建、城市管廊、油气能源基建、海底缆线等行业投资的高速发展是促进整体光纤传感市场的主要增长因素。预测到2026年，市场规模将达到208.70亿元。
2）光纤传感国产替代进程加快
当前，国外从事光纤传感技术的企业以产品销售为主，在中国市场专注于电力工业、石油开采及周界安防领域。相对而言，国内从事光纤传感技术的企业规模较小，主要以产品销售结合工程服务为主，产品广泛应用于石油石化、电力、交通等各个领域。
近几年来，国内技术研发型企业凭借多年来的技术积累及市场开拓，正逐步缩小与进口产品的差距，目前已在高端市场与国外厂家直接展开竞争，并稳步取代了部分由国外产品占据的市场份额。
3）技术驱动下行业发展前景广阔
随着传感技术、信息技术、互联网技术的快速发展，采用新材料、新机理、新技术的光纤传感器与智能仪器仪表实现了高灵敏度、高适应性、高可靠性，并向多功能化、微型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展。主要应用领域的市场推动力情况如下：
①电力电网行业
国家电网于2019年提出建设世界一流能源互联网企业，根据规划，国家电网将分两阶段推进电力物联网建设：2019年—2021年为战略突破期，将重点应用人工智能、物联网、云计算等新技术，提升电网物联和深度感知能力，2021年初步建成电力物联网；通过三年提升，于2024年建成电力物联网。
②海上风电行业
根据全球风能协会的数据，2021年我国海上风电新增装机容量为1,690万千瓦，相比于2018年的165.5万千瓦实现大幅增长，我国海上风电装机量已达到全球第一。2018—2021年，我国海上风电新增装机容量变化趋势如下图所示：
③综合管廊
国家层面密集发布关于开展城市地下综合管廊建设的文件，随着城市现代化进程的推进，政府部门对于城市基础设施建设领域的发展更加重视，城市基础设施中综合管廊建设及管理的重要性也逐渐体现，也为光纤传感系统在管廊本体监测、隧道环境监测、管廊资产管理等领域的应用提供了更多空间。
④石油石化
石油石化行业对安全管理的要求较高，设备出现突发故障，则可能导致设备非计划停机，并导致安全生产事故的发生。各个类型关键设备的稳定运行是石化企业安全生产的基石，石油石化企业需在关键性的设备上安装资产监控运维管理系统，以对其进行温度、应力、振动等的状态监测和故障诊断。
⑤城市智能交通
根据前瞻产业研究院数据，2011—2020年，我国智能交通市场总规模由约420.00亿元增长至约1,658亿元，呈明显上升趋势，年化增长率接近20%，展现出稳定增长态势。预计到2026年我国智能交通行业市场规模将突破4,000.00亿元，年均复合增长率在16%左右。城市智慧交通行业的快速发展，为光纤传感系统应用于交通信号控制、火灾监测、隧道温度监测、应力监控等领域提供了广阔的市场空间。
未来光纤传感及仪器仪表技术的微型化、智能化和网络化的发展趋势将实现可靠、准确、泛在的网络传感。各种仪器和传感器能够对电网、交通、大坝、油气管道等对象进行智能辨识和感知，形成协同传感、泛在感知、智慧感知的物联网，推动物联网应用的发展。传感器作为传感网的基础元件，光纤传感器及智能仪器仪表将融入物联网产业的发展中，在今后将有十分广阔的市场前景。
04结语
随着光纤光栅列阵传感技术的进步和研究成果的不断涌现，其在传感器领域中已经处于越来越重要的地位。在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工工业、医学、核工业等有非常广泛地应用。许多具有发展潜力和市场前景的可实用化技术研究都在进行当中。
展望未来，光纤传感技术仍有继续进行提升和改进的空间。例如，继续推动光纤传感技术的工程实用化，从市场逻辑出发，需求牵引市场，市场驱动技术进步；解决光纤在医疗生物、资源勘探、军事国防等众多领域中的工程性问题，使光纤传感器在保持自身特有优势基础上，逐渐靠近甚至取代传统电磁类传感器，实现技术革命。而这些技术的成熟和改进，将会给国民经济建设带来巨大的推动
