分布式光纤传感桥梁与交通基础设施连续监测实践
用既有通信光缆实现桥群模态参数与重车事件的连续感知
今年12月，第三届分布式光纤传感技术及应用大会将在哈尔滨举办。作为本次大会的承办单位，神州普惠子公司哈船光科正全力推进筹备工作。为了在会前与业界同仁深入交流前沿技术、共享应用真知，我们特别推出“分布式光纤传感应用场景与案例分享”系列专题报告。今天是本系列的第22期，让我们聚焦——分布式光纤传感在桥梁与交通基础设施领域的应用。
桥下通信光缆作为分布式光纤传感的原理示意图
一、暗光纤复用为何适配桥隧与基础设施结构健康检测
交通基础设施养护传统方式靠加速度计、GNSS、人工巡检，痛点在点位少、跨江跨线桥供电走线难、全市桥群难以同一基线。交通韧性传统靠地磁、视频、手机信令，隐私和覆盖都不稳定。DAS把沿路/沿桥既有通信光缆变成连续振动阵列：基于Φ-OTDR相位解调，提取桥梁固有频率、应变振型、位移振型，也提取路面车流强度、车型与重车事件。
适配性有三层：通信光缆已在桥下或路侧，不新装传感器；整桥/整路连续分通道，比单点加速度计更适合看“局部损伤会不会改变全桥模态”；匿名不采车牌人脸，可与SCADA、GIS、交管平台分层。边界是单纤轴向敏感，桥横向、扭转和垂直光纤方向运动要由多缆或多传感器补；交通分类不能只靠能量，要做频谱与空间传播模型。
二、斯坦福Coyote Creek桥下通信纤现场
Coyote Creek桥下通信纤现场
圣何塞Coyote Creek桥为约50m三跨混凝土连续梁，跨越河道并承担公路与人行。桥下已敷设有通信光缆，OptaSense QuantX解调仪安装在距桥约2km处，通道1m、量距10m、采样250Hz；桥面布4个PCB加速度计作校验。2021年6月连续两天十组数据，DAS识别前三阶固有频率约4.6Hz、6.3Hz、8.9Hz，与加速度计平均绝对差约0.06Hz；用物理约束应变状态空间模型做双积分，反演应变振型与位移振型，前三阶MAC均值0.80。
这个案例的价值不在“又一座桥能测”，而在“不登桥面、不贴点式加速计”的存量路径：既有通信光缆+远端解调仪+物理约束双积分可把频率、应变振型、位移振型一起测出。对城市桥群，先拿它证明通信管纤可做主传感，再按桥型补点式基准。
三、频率、振型与超重车辆事件
频率—应变振型—位移振型大屏
桥梁韧性看三档量。
• 频率与阻尼：交通激励下提取运营模态，温度、风速、重车比例变化会引起日/季循环；Coyote案例用1m通道、250Hz采样覆盖前三阶低频模态。
• 应变/位移振型：Φ-OTDR给沿纤应变率，量距10m平衡空间分辨率与SNR；物理引导双积分解决数值二次积分漂移，输出位移模而非只输出“振不振”。
• 重车主频：公路桥车辆激励含低频车载与高频路面纹理，重车慢速以长周期、大应变幅为主；交通普查可用1–10Hz及更宽带做车型模板，但城市主桥应把0–20Hz作为常规模态带、重车准静态另建0.01–1Hz趋势。
• 里昂桥群工程背景：里昂都会区用24km电信暗纤对5座桥做连续运营模态，目标是以一条纤串桥群；A40长途场景用电信纤跟重车、建立重载异常与应变阈值。
四、与加速度计、地磁、视频的分层协同
光纤传感通道与超重车辆频谱特征
DAS做全桥/全路连续基线，加速度计做关键桥校验，地磁/线圈做分车型流量，视频做事件取证但不做长期振动主源。Coyote方案本身就是“4个加速度计校验1m通道DAS”的范式：频率以加速度计定标，振型/位移以DAS补空间，重车事件以视频/称重抽查。韧性平台不追求DAS替代所有传感器，而追求“连续阵列发现异常→点式传感器定性→视频/工单闭环”。
五、城市推广边界
1）耦合条件：桥下传统光缆与桥面附着方式决定轴向应变传递，松散管、波纹管、与梁体非刚性接触要单独标定。
2）方向性：单条沿桥纵向纤对竖向弯曲敏感，对横向风振、扭转变形弱；大跨斜拉/悬索要补横向纤和GNSS。
3）交通干扰：城市桥24h有车，远场弱事件易被重车掩蔽，用STFT+空间波束形成分离。
4）温湿度：温度引起边界条件变化会被误读成损伤，Coyote类案例应建温度—频率修正曲线。
5）数据权限：通信光缆涉及运营商，桥群项目要约定信道、端站、是否影响通信业务。
六、从单桥试点到桥群闭环
从单桥试点到桥群工单闭环
资产盘点：城市桥梁台账×沿桥通信/管廊光缆×载重等级×历史检测报告，筛“桥下有电信管、端站可接、主跨可布纵向纤”的桥。
小样段：选3–5座不同桥型（连续梁、简支、斜拉/悬索、城市高架），1m或2m通道、量距10–20m、采样100–250Hz，同期布加速度计校验。
基线：8–12周交通日周期、重车时段、四季温度，建频率/阻尼/位移阈值。
标定：人为/自然重车、封闭测试、温度循环；ML做频率漂移、异常振型、重车超载三级分类。
工单：频率偏移超基线派人工，位移趋势超服务性阈值派结构评估，重车异常派治超/视频复核；结果进桥梁SCADA和养护工单。
扩围：直埋路侧纤先扩高架，桥下conduit单独建模，纯新建专缆只用于特大桥，不把通信纤强行当全向结构传感。
参考来源
[1] Rodet J, Tauzin B, Amin Panah M, Guéguen P, Nziengui Bâ D, Coutant O, Brûlé S. Urban Dark Fiber Distributed Acoustic Sensing for Bridge Monitoring. Structural Health Monitoring, 2025, 24(1): 636–653. HAL:
https://udl.hal.science/hal-04558951/ ；DOI:10.1177/14759217241231995
[2] Rodet J, Tauzin B, Amin Panah M, Pittet R. Urban Dark Fiber Distributed Acoustic Sensing for Bridge Monitoring under Road Traffic Sollicitation. Galileo Conference: Fibre Optic Sensing in Geosciences, Catania, 2024, GC12-FibreOptic-39. https://dx.doi.org/10.5194/egusphere-gc12-fibreoptic-39
[3] 桥梁DAS桥下通信管方法（Coyote Creek预印/方法）：arXiv 2022, Vibration-Based Bridge Health Monitoring using Telecommunication Cables. https://arxiv.org/html/2205.05114v1
[4] 同现场正式/扩展版：Wiley, Turning Telecommunication Fiber-Optic Cables into Distributed Acoustic Sensors for Vibration-Based Bridge Health Monitoring. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1155/2023/3902306
