物联网之感知-分布式光纤传感-应用前景分析

1.分布式光纤传感技术发展趋势

目前国际国内的光纤传感技术已初步成型，正在步入市场大规模应用的启动阶段。与此同时，在光纤测温、测应变、测振方面的传感器应用已经比较成熟和完善，而在光纤振动声纹监测及声音还原与分析方面的技术和产品虽然科研院所及行业企业研发多年，但基本是技术空白。

当前光纤传感技术从原理上来划分：

*瑞利散射和背向散射-对应力有反应-测振；

*拉曼散射-主要是温度感知-测温；

*布里渊-对应力和温度有反应，比较难实现。

光纤传感器应用的三大瓶颈：

①误报率;

②动态范围;

③适应能力。

其技术实现主要与四大关键性因素有关：探测光源、光路结构、全频谱分析、智能算法；目前市面上大部分厂家过分将关注重点聚焦于后端智能算法这一单一影响因素，而忽略探测光源“信息把关人”角色的作用，类比到整个系统运行中，探测光源只是简单收集并不准确的信号，只能判断扰动信号的有无，却无法获取完整扰动信息的波形，显然后端智能算法再强大也无法对不精确的信息做出更为准确的信号判断，这也是目前业内众多光纤传感产品漏误报率高的重要原因。但光纤传感产品有极高的灵敏度造就了该类周界产品的极大优势，然灵敏度亦是一把双刃剑，产品如若没有强大的技术支持，灵敏度则会转变成误报率，因此从探测光源、光路结构、全频谱分析、智能算法四大关键性因素解决漏误报率的逐渐成为行业共识。

2.项目的产业化前景分析

2.1应用场景分析

光纤传感技术具有多种技术特征：测量距离远（可达60km），并能精确定位入侵点和泄漏点；连续分布式测量，可实现多点多事件同时监测，且互不影响；铺设灵活，可挂网，可地埋。室外部分无源，可铺设在易燃易爆周界，光纤对温度不敏感，高低温耐受性很强；室外分线盒与传感光缆长年免维护，设备维护量小，维护费用低；结合智能化深度学习，自动监测和判断入侵事件。因此其可以在安防、安监、线性监测等领域大显身手：

长距离边界的预警系统

重要国境线、保税区隔离带、海关港口等长距离大范围防止侵入或越境的场所警戒，崇山峻岭、沙漠荒野、人工巡逻查检不便场所敷设光纤预警。

重要设施的周界安全防卫

·军事要地、国防设施：如部队、机场、军港、导弹/火箭发射基地、雷达、通讯站点；

·国民经济重要设施：电力站、变电所、文博馆、金融库房；

·易燃易爆场所的防卫：化工园区、油库、气站、油气储存罐区、炸药库等；

·重要安全防护场所：监狱、学校、水库、工业厂矿等。

城市管廊\石油天然气管线\通讯\电力线缆的防护（防开挖、防偷盗、防破坏）
基建设施如大桥、公路、铁路等钢筋混凝土结构的应变监测、防破坏

2.2市场容量分析

光纤传感在周界安防、石油石化、电力通信、交通隧道、桥梁及大坝等主要领域的应用市场容量分析如下：

【1】周界安防行业，随着光纤传感技术的提升发展，光纤周界安防技术凭借其抗电磁干扰、易于远传及误报率低等优点，有效克服了电类、红外传感技术的不足，逐渐获得周界安防领域的市场认可，其应用范围从政府机关逐步拓展到民用机场、博物馆、监狱、油库、变电站等重要场所，应用场所分布十分广阔。如：

在民用机场领域，根据《民用航空运输机场安全保卫设施》的规定，强制要求在民用机场应用周界安防入侵系统，对入侵目标进行识别、分类及全天候工作，而目前我国具有200左右民用机场；
全国博物馆总数约3500个以上，近年来，因安全防范意识薄弱，我国博物馆盗窃案时有发生，安防系统尚未在博物馆领域广泛采用。未来随着博物馆参观人数的增加及安全防范意识的提高，为保障博物馆贵重展品的安全，减少经济损失，博物馆会加大对周界安防入侵系统的需求；
全国共有监狱近700所，由于监狱本身的特殊性，其安防系统在安全可靠性方面的要求明显要高于其他行业。虽然，目前已有八成的监狱安装了报警系统，但由于技术相对落后，远不能满足安全监管的需求。而基于光纤传感技术的光纤周界入侵报警系统是一种新型安防技术，能与视频监控系统联动，相较于较高压脉冲电子围栏等传统技术，具有安全、误报率低及智能化等优点。基于上述优点，未来光纤周界入侵报警系统将逐步取代传统周界安防产品，在监狱安全监测领域得到广泛推广；
为防止非法入侵或各种破坏活动，在重要国境线、保税区隔离带、海关港口等重要场所，特别是在崇山峻岭、沙漠荒野等人工巡逻检查十分困难的场所，需要敷设周界安全入侵报警系统用于安全监测。由于我国国境线、海岸线较长，地质情况十分复杂，对周界入侵报警系统具有特殊需求，光纤传感技术相对于红外、电传感技术，具有远距离、大范围的传输、误报率低的优势，能很好的满足上述领域的特殊需求，市场应用空间十分广阔。

【2】石油石化行业，由于光纤传感技术具有本质防爆、安全可靠、灵敏度高的技术优势，该技术在油气储藏、油气管道运输以及油气开采服务的整个石油石化工业产业链得到广泛使用，应用前景十分广阔。如：

预计石油需求量在2021年增加至约7亿吨，随着我国石油消费量的不断增长和国家战略储备油库建设，光纤传感技术可实现对油库的液位、温度、压力、油气浓度等状态量的实时监测，因此，基于防爆、防燃的要求，未来国家战略储备油库及企业自备油库、商业油库等油气储藏设施的建设将给光纤传感类消防监测系统带来广阔的市场空间。
预计我国在未来几年，将建成近20万公里输油管道，随着我国油气输送管网的不断建设、完善，防爆、防盗、防泄漏等管道安全问题日益突出。光纤预警技术可在油气管道运输中，对温度、压力、管线泄漏、储层结构健康等方面进行监测，作为《油气管道安全预警系统技术规范》的主要技术之一，其发展将获得前所未有的机遇。
在油气开采服务方面，为了缓解我国油气资源对外高度依存的压力，我国油气资源勘探开发逐步上升，年固定资产投资总规模达1000亿元以上。基于光纤传感技术的油井监测系统可实现长期、实时在线监测油井井下的温度和压力变化，可优化采油生产、提高采收率、减少修井作业，目前已在油气开采业务中得到广泛推广和应用，其未来市场空间增长潜力较大。

【3】交通隧道行业，由于光纤传感技术具有灵敏度和精度高、本质安全、抗强电磁干扰、耐腐蚀、防雷击、便于组网和长距离传输等特性，基于光纤传感技术的隧道火灾预警系统已广泛应用于公路隧道、铁路隧道和城市轨道交通隧道等交通隧道行业。如：

在公路隧道方面，近年来我国公路建设持续增长，全国公路隧道超一万多个，其中，特长隧道约500处，长隧道约2000处，基于光纤传感技术的隧道火灾预警系统已在公路隧道逐步应用，市场前景广阔。
在铁路隧道建设领域，根据新华网报道，到2020年规划建设5000座隧道，长度超过9000千米，光纤传感技术可在其中发挥其应用。
城市快速轨道交通近年来在我国得到较快发展，预计到2020 年，我国城市轨道交通累计投入运营里程将达到7,000 千米，其中地铁运营里程达到5,880千米，覆盖全国主要大中城市。地铁隧道内具有电磁干扰，以电信号为工作基础的温度传感技术在安全性和信号稳定性方面受到限制。基于光纤传感技术的温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统，则能有效监测地铁隧道温度变化，为一旦发生的地铁隧道火灾救灾指挥提供强有力的支持作用。

【4】电力行业，在电力行业中，为了及时发现可能出现的各种安全隐患，需要采取各种有效措施对关键电力设备进行实时监测，以维持系统的安全运行。由于电力设备通常在高电压、大电流的环境下工作，还有部分置于高空中，这些因素都为系统的监测带来极大不便。传统的电类传感技术由于容易受到强电磁场的干扰，很难适应这类场合的使用要求，而光纤传感技术因其具有较强的抗电磁干扰能力和较宽的工作频率等优点，因此在电力行业中得到广泛使用，尤其在发电及输配电领域。如：

在发电领域，我国每年发电投资金额都保持在3000 亿元以上，投资金额巨大，光纤传感技术主要应用在发电厂、发电站的高压开关柜、大型电机的定子、转子内的温度检测及火力发电厂高温炉测温等。随着我国发电投入不断保持高位，以及发电量和发电企业数量的持续增长，将会极大带动光纤传感技术安全监测系统的广泛应用；
在输配电领域，光纤传感技术主要应用于高压输电电网、高压变压器、高压开关柜、电容器、地下输配电电缆等电力设备、线路的安全监测。在输配电方面，根据中国电力企业联合会数据统计，我国2012年220千伏及以上输电线路长度达到51.49万千米，同时，我国2012年35千伏及以上变电设备容量达到44.5万千伏安。在城市配电网领域，目前我国城市配电网还大多采用架空线路，由于架空线路受廊道和同杆回路数的限制存在诸多弊端，随着电缆负荷呈持续快速增长，居民对供电可靠性期望的不断提高，配电电网入地已成为未来发展趋势。配电电网入地，对地下电缆的在线监测提出更高要求，随着新建电力电缆入地及旧架空线路改造的需求激增，未来会加大电力电缆在线监测系统的需求。

【5】桥梁及大坝结构安全监测领域，我国目前处于基础设施建设的高峰期，各种桥梁、大坝等大型工程纷纷上马。由于重大桥梁及大坝工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，对传感设备长期监测系统的性能稳定性、耐久性和分布范围提出很高的要求，光纤传感器因其尺寸小、测量值空间分辨率高、输出线性范围宽、在量程范围内波长移动与应变有良好的线性关系、频带宽以及信噪比高等特点，能很好的满足上述特殊需求。光纤传感技术由于具有上述优点，已成为桥梁、大坝等结构健康监测的重要手段。

我国桥梁目前的现状主要表现为以下几个方面：一是保有量大，截至2012年，全国公路桥梁达71.34 万座。二是“老龄”桥梁数量较多，据统计，我国桥梁总数的40%已经属于超25年的“老龄”桥梁范畴，而且随着时间的推移，“老龄”桥梁的数量还在不断增长。三是2010年以来我国新建桥梁的数量持续保持在高位。鉴于我国桥梁在保有量、结构及投入建设的现状，作为桥梁结构安全监测的重要技术，光纤传感技术及其系统产品将面临较大的市场空间。
根据2013 年7 月《中国水利》报刊数据显示，全国共有10万立方米及以上的水库工程近10万座，由于70%以上的水库兴建于20世纪50至70年代，受当时水文地质资料欠缺、设计标准不完善、筑坝技术水平较低、财力不足等条件限制，很多工程建设标准偏低、质量较差，加上后期管护不到位，大量已建成工程经多年运行存在着各种安全隐患。这给光纤传感技术在大坝安全监测领域的应用带来良好的前景。

3.项目主要研究内容

分布式光纤传感系统主要包含了前端分布式光纤传感主机（硬件为主，嵌入式软件采集数据为辅）和后台光纤振动数据处理系统（软件、算法）：

前端分布式光纤感知主机

大多会走一体化光纤主机路线，包含光模块、数据采集模块，调制解调模块，内部通信模块，网络模块等模组，其最核心设备为分布式光纤传感器，内部集成超窄线宽光源、脉冲EDFA、Raman放大器，同时集成调制器等光学器件，采用窄线宽激光光源干涉搭配改进型光路结构，光路的精心设计从原理上解决了环境温度、偏振变化带来的干涉信号稳定问题，增强系统可靠性与稳定性，更为重要的是，全新的光路结构对振动信号响应更灵敏，提高了报警灵敏度，特别是在挂墙、嵌墙、埋地安装环境下灵敏度要优于采用其它光路结构的产品。

随着技术成熟，产品一体化集成度越来越高，产品价格逐年降低，例如最成熟的分布式光纤测温产品，由10年前动辄报价近百万一套，已经下降到现在数万一套，在一般项目中也能有一定的性价比，不再是仅在科研项目中赚取噱头了。

后端数据处理系统

分布式光纤传感数据处理系统，一般由采集分析子系统、信息集中显示子系统、历史信息查询子系统、报警派发与处理子系统、设置与后台子系统、手机APP及二次开发接口等模块组成。

该系统包含传感数据采集、分析、识别、振动和噪声数据算法提取等功能；实现光纤传感数据记录及预处理，经过后端分析处理和智能识别，判断出不同的外部干扰类型，如攀爬铁丝网、围墙、禁行区域的人员入侵或车辆入侵，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等，系统进行实时预警或告警；实现定位报警功能，通过系统提供的入侵地点的位置，可以事件声音复核、现场声音监听、联动视频监控或派遣人员到达现场。实现对系统所有基础数据进行统一管理、配置，包括定标点管理、系统瓦片地图管理、定位管理等功能。

近年来得益于神经网络的智能算法的发展，光纤传感数据处理系统大量引入这些算法，进行训练学习后，能在复杂环境下识别大多数场景事件，这也是分布式光纤传感技术能有效降低漏报、误报，逐步取得市场认可的另一个主因。

4、猜想未来拟解决的关键技术问题

目前分布式光纤传感系统一些关键技术问题为以下几方面：

组合光路设计，单根光纤融合测温、测振、测应力及定位于一体；
人工智能识别系统，降低系统漏报、误报率，并在不同场景中一般甲方都能自行训练模型；
独特的系统构架，可灵活融合及联动其它传感监测系统，极力解决客户实际难题。
元器件、算法国产化及自主可控趋势。

5.列出2021分布式光纤传感头部厂商供读者参考学习

上海波汇通信：

http://www.bandweaver.cn 2002年成立

其涉及行业：电力、智慧城市、轨道交通、高速公路、石油化工
上海华魏科技：

http://www.boomdts.com/ 2001年成立

其涉及行业：综合管廊、油气管线、轨道交通、市政、油田、场站等基础设施建设领域、核电、能源领域、重化工业领域
武汉理工光科：

http://www.wutos.com 2008年成立

其涉及行业：石化、交通隧道、电力电缆、桥梁大坝高铁隧道、城市管廊、消防安全
中油奥博（成都）：

http://www.zyaobo.com 2018年底成立

其涉及行业：管道安全、深井中地震裂痕等勘探监测，及致力于为油气勘探开发、储气库、油气管网、碳捕获/利用与存储、新能源安全运维等业务
深圳国兴汇金：

www.gxhjtech.com 2012年成立

其涉及行业：光纤测井、智慧油田、及石油天然气和可燃冰的开采、生产及存储环节

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