近年来,随着城市化进程的加快,城市公共安全和群体活动监测成为智慧城市建设的重要内容。传统的监控手段如摄像头、无人机以及手机定位虽能提供一定数据,但在隐私保护、环境限制和数据实时性方面存在瓶颈。作为一种新兴技术,光纤分布式声学传感(Distributed Acoustic Sensing,简称DAS)以其利用现有通信光纤基础设施,结合激光相干测量技术,成为城市环境多元监测的利器。2023年挪威国庆日(5月17日)利用光纤DAS对奥斯陆市中心游行乐队进行了试点监测,深入揭示了DAS在城市人群活动监控上的巨大潜力。光纤DAS技术通过在"暗光纤"(未使用的通信光纤)中注入激光脉冲,测量光脉冲因外界声学扰动导致的光信号相位变化,实现对沿光纤线路上数千米范围内声学信号的高精度空间分布感知。该技术能够从城市中路面振动、车辆运行、行人群步伐等多种声学事件中提取信号,信噪比高且不受光照、天气等环境因素影响,具备全天候、免接触、广覆盖等突出优势。
在奥斯陆国庆日游行的监测中,研究团队选择了长度近4公里、空间采样间隔约1米的光纤线路,覆盖了游行的核心路线部分,包括卡尔约翰街(Karl Johan Street)和哈康七世街(Haakon VIIs street)等主要区域。光纤实时采集的声学信号经过精细的信号预处理,包括去趋势、滤波和降采样,使得游行队伍产生的步伐频率和谐波特征清晰可辨。深入分析表明,游行乐队的步伐频率多集中在1.5至2赫兹之间,且相较于普通学校队伍步伐更加齐整,产生明显的多阶谐波频率。这一特征成为自动识别和跟踪不同游行队伍的关键标志。通过多点频谱分析和模式匹配,研究人员成功识别了87支参与游行的乐队中的绝大多数。步速估计结合了声学信号的移动特征和线性回归分析,结果显示乐队步伐平均速度约为每秒1米,略有区域差异,反映了游行过程中的动态节奏变化。
值得一提的是,借助频谱的交叉相关分析,研究团队追踪到部分乐队跨越逾1.5公里的沿途移动轨迹,实现了游行队伍的连续监控。尽管在主游行线路中由于乐队紧密排列且频率相近,追踪精度存在一定局限,但这一成果充分展现了DAS技术在密集人群动态感知中的独特优势。步长的估算同样令人瞩目。根据核心频率和速度关系,计算的步长范围集中在0.44米至0.62米之间。步长的不均匀性反映了乐队成员身高差异、队伍组织结构及同步行进状态。该信息为评估人群动态以及健康步态监测提供了参考依据。
光纤DAS在城市人群监测的应用不仅局限于节庆游行,其全天候、高空间分辨率的优势,使其在应急管理、交通流量监控、公共安全预警等领域具有广泛前景。尤其是在应对突发事件如大规模疏散、骚乱控制和灾害救援中,DAS可以作为传统监控手段的有力补充,确保数据连续性与隐私保护。尽管技术尚处于初步探索阶段,但奥斯陆国庆日的实践验证了DAS利用现有电信基础设施的巨大潜力。相较于专门搭建的传感网络,利用暗光纤极大降低了布设成本,便于快速推广。未来,通过结合机器学习算法和多源数据融合(如摄像头、无人机、手机定位数据),有望实现更智能化和自动化的人群识别与行为分析。此外,光纤本身的铺设深度、耦合状况对信号质量影响显著,优化光纤布局和安装技术将提升监测信噪比与灵敏度。
综上所述,利用光纤分布式声学传感技术监测挪威国庆日游行乐队,不仅展示了这一技术在城市群体活动监测中的创新方法,也开启了利用城市现有光纤基础进行多样化环境感知的新可能。随着技术的成熟与应用推广,未来光纤DAS将在智慧城市建设、公共安全保障与社会治理中扮演更加重要的角色,助力城市管理更加科学、高效与智能化。 。
