分布式光纤传感技术在港口码头安全监测中的应用研究

摘要：港口码头作为物流贸易关键枢纽，码头台桩护岸桩基受风浪、船舶靠泊冲击易产生振动失稳，集装箱堆场、海关仓储同时面临入侵偷盗、货物自燃火灾多重风险。传统点式传感器、视频监控方案，存在海边环境易腐蚀、监测存在盲区、恶劣天气可靠性差等局限。本文研究DAS分布式声学振动传感与DTS分布式温度传感一体化技术，构建港口码头多参量光纤监测系统。系统利用无源抗盐雾光缆完成码头桩基振动、周界扰动、仓储温度火情的分布式采集；介绍系统架构、核心算法、现场敷设方案，分析工程应用效果。结果表明，分布式光纤传感技术可实现7×24小时全天候监测，有效识别桩基异常振动、围栏入侵、早期温度热点，填补港口基础设施本体监测短板，对智慧港口安全运维具备较高工程应用价值。

关键词：分布式光纤传感；DAS；DTS；港口码头；桩基振动监测；周界安防；仓储火灾预警

1 引言

随着国内智慧港口快速发展，码头作业负荷持续提升。码头接驳台桩、护岸桩基长期承受船舶撞击、波浪循环荷载，会逐步出现松动、开裂、基础形变，直接威胁岸桥起重设备运行安全；集装箱堆场、海关保税仓储货物密集，偷盗翻越入侵、货物自燃、电气起火事故时有发生。

现阶段港口安全监测大多聚焦岸桥、门机等大型机械设备状态，码头土建基础设施、堆场仓储区域监测相对薄弱。点式加速度、应变传感器安装于户外海边，高盐雾环境下极易锈蚀失效，布点数量有限，测点之间存在监测盲区；视频监控受夜间、大雾、降雨天气制约，仅仅能够做到事件发生之后事后识别，很难实现风险提前预警。

分布式光纤传感技术，光缆本身作为感知介质，具备无源抗腐蚀、长距离、分布式连续测量的特点。DAS分布式声学振动传感可以获取沿线振动扰动信息，DTS分布式光纤测温实现全线温度场测量。将二者结合应用到港口码头，同时实现桩基结构健康监测、堆场周界安防、仓储火情预警，为港口安全提供全新技术路径。

2 分布式光纤传感基本原理

2.1 DAS分布式声学振动传感原理

激光脉冲注入传感光缆，产生瑞利相干背向散射；当光缆沿线出现振动、扰动作用时，光纤产生形变，背向散射光相位随之发生改变。解调主机采集背向散射光信号，解析相位变化，得到沿线每一处位置振动信息，实现振动事件定位，用于识别桩基振动异常、围栏攀爬撞击、外来扰动。

2.2 DTS分布式光纤测温原理

基于拉曼散射效应，反斯托克斯光强对温度敏感，对比斯托克斯与反斯托克斯光信号比值解算光纤沿线温度，设置温度阈值、温升速率双重判据，实现集装箱堆场、仓储库房的早期火灾热点预警。

2.3 一体化系统架构

一体化解调主机同时兼容DAS振动监测与DTS测温监测。现场敷设抗盐雾铠装复合光缆，信号传回机房主机，完成信号解调；数据分为两路，一路本地上位机存储展示，另一路经无线基站上传云端数据中心；报警信号输出继电器、网络协议，可联动港口原有安防平台，调取对应位置监控摄像头。

3 港口码头监测现场布设方案

3.1 码头台桩与护岸桩基布设

振动光缆沿着台桩竖向、护岸堤顶连续敷设，固定于桩基、护岸混凝土结构表面，采集风浪、船舶靠泊带来的整体振动信号；通过后台频谱分析，区分正常作业振动和桩基开裂松动带来的异常振动。

3.2 堆场周界围栏布设

振动光缆沿集装箱堆场、海关仓储围墙、隔离围挡敷设，通过算法过滤大风海浪带来的环境干扰信号，识别人员攀爬翻越、机械撞击围栏等入侵事件。

3.3 仓储库房、集装箱堆垛测温光缆布设

DTS感温光缆沿库房电缆桥架、货物堆垛间隙敷设，监测电缆接头过热、货物自燃产生的温度异常。

光缆全部选用耐海洋盐雾特种铠装光缆，抵御海边高湿度、盐雾腐蚀环境，保障长期稳定工作。

4 系统功能与算法策略

4.1 桩基振动异常识别算法

采集桩基多组正常工况下振动频谱作为基准样本；当监测频谱、振动幅值偏离基准阈值，系统判定桩基存在松动、开裂风险，输出报警位置，提醒运维人员现场核查。

4.2 周界入侵智能识别算法

针对港口环境做信号滤波，滤除海浪拍打、大风引起的无效振动；建立事件模型，区分攀爬翻越、车辆撞击、机械作业等不同事件类型，降低系统误报率。

4.3 火灾预警双重判据

同时设置固定温度阈值、温升速率阈值，两种条件均可触发预警，捕捉缓慢升温自燃以及突发短路过热两种不同火情。

5 工程应用效果分析

将光纤监测系统部署在集装箱码头场景，可以实现数十公里码头、堆场的统一监测。

1）结构监测方面：能够实时捕捉船舶靠泊下台桩振动变化，在桩基出现早期损伤阶段输出预警，改变过去只有发生明显损坏之后才发现问题的现状。

2）周界安防方面：夜间、大雾天气依旧正常工作，弥补视频监控的缺陷，有效识别非法翻越入侵。

3）火灾预警方面：在产生明火冒烟之前捕捉局部热点，给出精确位置，为消防处置争取时间。

整套系统现场无有源电子器件，在海边盐雾工况下，相比传统传感器，大幅降低后期维护工作量。但系统也存在一定局限，光缆敷设施工质量直接影响监测效果，项目实施阶段需要严格把控光缆固定工艺，减少光缆受外力挤压带来的干扰。

6 结论

港口码头面临桩基结构失稳、堆场入侵偷盗、仓储火灾多重安全风险。DAS+DTS一体化分布式光纤监测系统，依靠光缆无源抗腐蚀、长距离分布式感知优势，实现码头桩基健康、周界安防、火情预警多参量综合监测，弥补传统监测手段的短板，实现风险前置预警，在智慧港口、海关仓储安全领域具备广阔推广应用前景。

参考文献

[1] JTS 167‑2018，码头结构设计规范[S]

核心产品主词

港口码头分布式光纤监测系统、DAS/DTS一体化光纤监测设备、码头桩基光纤健康监测、港口周界光纤安防系统、海关仓储光纤火灾预警系统

技术原理

DAS分布式声学振动传感、DTS分布式光纤测温、瑞利相干散射、拉曼散射、多参量一体化光纤传感、无源光纤感知

监测对象

码头台桩、护岸桩基、集装箱堆场、海关保税仓储、港口围栏围挡、岸桥基础、港口电缆沟、散货料场

性能指标

长距离分布式监测、振动频谱分析、入侵事件识别、温度热点定位、海浪大风信号过滤、早期隐患预警、盐雾环境适应性

设备硬件

一体化光纤解调主机、抗盐雾铠装振动光缆、港口专用感温光缆、云数据中心、无线基站、监控上位机

现场作业

码头桩基光缆敷设、堆场围栏光缆布设、港口仓储光缆施工、海边高盐雾环境光纤安装

工程应用场景

智慧港口安全监测、集装箱码头安防、内河港口结构监测、海关保税仓储安全、码头桩基健康监测、港口堆场防火预警

标书长尾关键词

港口码头桩基振动在线监测、集装箱堆场光纤周界安防系统、海关库房分布式光纤火灾预警、海边高盐雾环境光纤监测方案、智慧码头多参量光纤感知系统