一、目前我国城市地下管网的安全建设现状
据《中国城市建设统计年鉴》统计，截至2011年年底，中国城市仅供水、排水、燃气、供热四类市政地下管线长度已超过148万公里。2010年，城市建成区内每平方公里土地下就有超过30公里长的管线。据统计，我国城市大部分地下管网逐步进入超期服役阶段，这些地下管网埋在地下，受环境条件所限缺乏必要的监测和预报警手段，给居民生活和人身财产安全造成了巨大的威胁。
据中国城市规划协会地下管线专业委员会对2009-2013年中国城市典型事故统计分析显示，我国城市恶性管网事故近年来呈现出逐年增多的趋势：“中国地下管线事故正从潜伏期进入爆发期”。
城市综合管廊也被称为综合管沟或地下共同沟，是通过将电力、通讯、给水、热水、制冷、中水、燃气等两种以上的管线集中设置到道路以下同一地下空间而形成的一种现代化、科学化、集约化的城市基础设施。综合管廊解决了城市发展过程中各类管线的监测、维修、扩容等难题，已成为21世纪城市现代化建设的热点和衡量城市建设现代化水平的标志之一。
综合管廊最大的优势在于不破路的情况下对地下管线进行施工和维护，这意味着维护人员的工作大部分要在地下进行。地下综合管廊内干线、支线纵横分布，距离长、人员稀少、光线昏暗、通风不畅，一旦地下管线出现事故，人员和设备设施的安全都将面临巨大的风险。因此，需要进行地下综合管廊专业管线运行状态的实时监控和安全防护，提高城市地下综合管廊运行管理的快速反应和安全防控能力，保障地下综合管廊安全。
二、城市地下管廊安全防护需求分析
地下综合管廊综合了电力、通讯、给水、热水、制冷、燃气等管线，其中地下综合管廊供热管道分为蒸汽供热和热水供热，蒸汽供热正常运行蒸汽压力是1Mpa，蒸汽工作温度达280℃左右;热水供暖供水温度也高达80～130℃。供热管道泄漏将造成重大的安全隐患，需要做好监测和监控防范措施;综合管廊内电力电缆损坏时泄漏电流易发热，存在火灾隐患，一旦发生火灾，极易蔓延，需要进行火灾检测;地下综合管廊内管道(如天然气管道)泄漏及沼气的汇聚，容易造成燃爆事故及缺氧事故，需要进行甲烷及氧气含量的监测;地下综合管廊的日常管理需要巡检人员24小时不间断的巡视，事发现场和上级之间、监控中心之间如果只依靠现场人员的口头汇报，远程调度指挥容易出现偏差，需要进行智能视频监控系统的建立。
此外，地下综合管廊内环境潮湿、闷热、易腐蚀，传统的电子式传感器难以长期、稳定的运行发挥作用，目前基于光纤传感技术的城市地下管廊综合监控系统，能够实现地下综合管廊专业管线的全方位、实时在线监控、实时报警，准确定位，大大提高城市地下综合管廊运行管理的快速反应和安全防控能力。
三、城市地下管廊综合监控防护技术
1.分布式光纤传感温度技术
分布式光纤温度传感器是一种用于实时测量空间温度场分布的新技术。它能够连续测量光纤沿线处的温度，测量距离可达数十公里，空间分辨率可达1m，具有精度高、不带电、抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射、数据传输及读取速度快、自适应性能好等优点，能在各种恶劣的环境中工作，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。
供热管道、原油管道传输过程中，管道内流体温度会与周围环境的温度有明显的差异，当管道发生泄漏时，温度的变化就成为重要的信息，根据管道沿线温度的变化就可以判断管道是否发生泄漏并及时对泄漏点进行定位。
分布式光纤温度传感技术能够应用于地下综合管廊以下环节：
(1)供热管道、输油管道泄漏监测：综合管廊内管道泄漏后，流体温度大大高于环境温度，泄漏点环境温度将会上升。
(2)电力电缆电流泄漏监测：电力电缆电流泄漏后会引起泄漏点温度的升高。
(3)天然气管道的泄漏监测：天然气管道大都低温、压缩后输送，管道泄漏后会导致泄漏点周围温度的下降。
(4)火灾预报警监测：综合管廊内电力电缆电流泄漏等极易引起火灾，火灾发生时都有大量热量产生的过程，系统对于热量敏感，在热量积聚达到燃点前的温度变化也可以做出很准确的判断，准确定位事故点，同时可以给出事故点的准确温度，对于早期预警有很强的作用。
一般火灾发生后，传统的传感器容易损坏，且断电后报警系统失效。而光纤传感系统采用光缆做传感器，只要光缆不被损坏就能够一直工作，数据连续不断的传输至监控中心，监控中心就可以利用该系统进行实时观测火灾蔓延情况，同时也便于火灾事故还原，找出火灾发生点、蔓延情况。具体来说，与传统的监测方式相比，分布式光纤温度传感管道泄漏监测系统有如下几点突出优势：
(1)采用一芯光纤，即可完成探测和信号传输，所有设置在终端完成，系统简单可靠。传统的温度传感器需要在管廊内布满电子传感器，传感器需要控制电路进行连接，结构复杂。
(2)光纤寿命长，可达30年，监测距离长(可至30公里)，传统的电子传感器寿命短，需要配置大量的备品备件，维修维护工作量大。
(3)光纤传感系统的探测及传输部件皆为无源光学器件，对外无辐射又防电磁、射频、雷击、雷达等影响，同时耐腐蚀，能够在传统传感器无法适应的恶劣环境中运行。
(4)测量精度和分辨率高，测温精度为±1℃;空间分辨率可达1米，相当于每米1个传感器，从而能够通过温度曲线进行泄漏(火灾)蔓延情况的实时监测。
(5)主机放置在控制室里，探测光缆沿需要监测的位置敷设在地下管廊内，铺设简单，维护成本低。
(6)具有自身诊断功能，光缆具有故障自诊断、自定位功能。
2.基于光谱吸收的甲烷泄漏监测技术
城市综合管廊在地下环境中，因燃气管道泄漏、瓦斯积聚等汇集地下空间中，积聚到一定程度遇到明火即可产生爆炸，具有距离长、环境恶劣、潮湿、高腐蚀性等特点。
目前应用比较好的是采用物理的基于光谱吸收技术的甲烷监测装备，该技术基本原理是利用宽带中红外光源覆盖目标气体波长，当红外光通过气室时会在特定的谱线产生吸收(如CH4,3.31μm)，经吸收后的宽带光经由窄带滤波器滤波，吸收线所在波段的光被滤出进入探测器进行光电转换，随后进行数据处理，即可以计算出特殊气体的浓度。该技术具有灵敏度高、精度高、抗干扰性好，不易受有害气体的影响而中毒、老化等特点，在国外得到了广泛的应用。目前青岛派科森自主研制的光谱吸收甲烷监测装备，已经成功应用于多个地下空间的甲烷泄漏监测应用项目中。
四、光纤传感技术城市地下管廊综合监控系统的具体应用
铺设地下管网，路面被三番五次地“开膛剖肚”，这是许多城市地下管网建设的混乱现状。日前，国务院印发了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，全面推动地下综合管廊建设，这推动和加快了各地的规划与建设。青岛早在2011年就投入使用了第一条地下综合管廊，目前青岛高新区地下综合管沟已经建成75km，这是国内规模很大的地下管廊工程。青岛派科森应用基于光纤传感技术的城市地下管廊综合监控技术，自主研发了市政地下综合管廊专业管线集中监控软件产品，实现了高新区一期25km的地下综合管廊安全防护的实时监控。结合该案例以下介绍一下该系统的应用。
1.系统总体框架
该系统主要是实现对供热管线、供水管线、综合管廊甲烷泄漏检测进行集成监控，综合管廊视频智能监控，供热和供水管线阀门远程关断以及综合管线监控报警与视频和阀门关断的联动报警等。系统共分为中心管理、分控站汇集和前端采集控制三个层次。
(1)监控中心管理层
通过管沟供热管线温度、集水井液位和泵开关状态、甲烷含量、视频图像信息等现状状态的实时汇集，实现对管沟运行状态的实时监控和集中管理，并在异常发生时发出报警信息，由专业的管理人员进行调度指挥。
(2)分控中心汇集层
在分控中心配置分布式光纤温度传感主机，实现对所辖管沟供热管道的光纤测温及泄漏检测的处理、信息实时传输到监控中心，满足供热管道泄漏监控的需要。
(3)综合管沟前端采集控制层
管沟内敷设测温光纤传感器，通过测温光纤传感器将检测结果传输给分控中心DTS分布式光纤温度传感主机，传感主机对采集信号实时分析处理，实现对供热管道的监测工作。管廊内各区域配置摄像机、甲烷传感器等传感设备，通过传输链路将信息经分控中心汇集到监控中心。
图2 用于供热管道泄漏检测的光缆
2.城市地下管廊综合监控软件平台
城市地下管廊综合监控软件平台分为生产运行、视频监控系统及控制系统三部分。生产运行系统是整个系统的控制中心，负责各部分生产运行数据的采集和各子系统的调度;视频监控系统负责视频监控设备的管理、运行和控制;控制系统负责完成供热、供水总阀门的远程控制。
3.主要功能
基于地理信息系统，该系统能够监控整条管线温度分布情况，设置多种温度区间，进行不同色谱的展示，相同温度区间用同一种颜色显示。根据管线温度色谱及其覆盖范围，能够确定温度异常位置及蔓延范围。当温度异常达到报警值时，将自动报警、自动进行报警短信发布、自动调取智能处理预案，并可参看报警点基本信息、周边设施、历史数据等信息，辅助管理人员科学处置。
系统出现报警后，能够自动调取报警点附近的摄像头进行录像，便于监控中心管理人员调取现场情况。
系统出现报警后，能够自动调取应急处置预案，确定阀门关断预案、报警点附近允许进入管廊的人井情况以及管廊内的甲烷含量、氧气含量等，帮助应急处置人员全面获取现场信息，给出科学的救援方案。
五、发展前景
我国正处在城镇化快速发展时期，地下基础设施建设滞后。为此，国家连续出台了一系列政策和规范，推动综合管廊的发展。2015年，继国务院常务会议提出将地下综合管廊作为国家重点支持的民生工程后，住建部副部长陆克华宣布将全面启动地下综合管廊建设，到2020年力争建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊。据兴业证券测算，我国地下综合管廊的市场将达到万亿级规模，各地方政府对此建设的热情已经点燃，目前国内已有数十个城市正在进行地下管廊的试点建设，仅山东省就计划2020年年底建成800公里以上，因此地下管廊发展具有极其广阔的市场前景。
基于光纤传感技术的城市地下管廊综合监控技术是以市政地下综合管廊的静态空间地理信息(GIS)展示为基础，利用先进的分布式光纤温度传感技术，集成综合管廊内各种物联网传感技术，结合智能视频监测技术，实现地下综合管廊运行的全方位智能感知、实时监测、异常报警、自动控制。该技术的应用及建设能够形成地下管网“监控、运行、指挥” 一体化运行的管理新模式，能够全面提升城市地下管网安全防护能力，发展前景可期。
