分布式光纤安全预警技术在管道保护中的应用

分布式光纤安全预警技术在管道保护中的应用

田益 ,杜洁 

（陕西省天然气股份有限公司 陕西 西安  710016 ）

摘 要：油气管道是保障国家能源供给、关系国计民生的重要基础设施，一旦被损毁、破坏，将会带来巨大的人员伤亡、财产损失和环境污染，甚至影响国家能源供应。如何基于风险，提前预防，是管道保护面临的一个难题。分布式光纤安全预警技术作为一种新的技防手段，实现了对管道沿线振动信号的实时监测、定位与报警，将在提升管道本质安全、降低管道风险因素、缩短应急响应时间等方面发挥重要作用。

关键词：油气管道；破坏；人员伤亡；光纤预警；提前预防。

1 前言

随着我国石油天然气工业的飞速发展，管道运输因其成本低、效率高、占地少、连续性强等优势，在油气输送中被广泛应用，已成为我国能源输送的大动脉。但是，油气管道点多、线长、面广的特点，使其本身面临着风险分散、环境复杂、事故多发等突出问题。近年来，由于地震、滑坡、泥石流等自然灾害以及第三方施工、打孔盗油（气）等人为破坏，管道事故时有发生，造成了严重的人员伤亡、财产损失与环境污染。

传统的管道巡护时间受限、管理方式粗放、质量参差不齐，更无法实时监测管道沿线外部环境，及时发现并快速定位事故地点。分布式光纤安全预警技术作为保障油气管道运行安全的重要技防手段，利用与管道同沟敷设的光纤作为分布式传感器，感知并采集管道沿线振动信号，以实现对管道沿线威胁事件的实时监测、定位与报警，可使管道企业将有限的资源投入到管道本质安全管理最薄弱的环节，在降本增效、保证管道安全方面发挥重要作用，具有巨大的经济和社会效益。

2   系统的原理与特点

2.1 系统原理的分析

分布式光纤安全预警系统基于瑞利散射的原理，沿光纤传播的光在纤芯内各点都有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的振动信号。

      由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。当管道沿线发生威胁到管道安全的异常事件时，异常事件产生的振动信号通过土壤等介质作用在分布式光纤振动传感器上，引起光纤应变。当光纤中传播的两个方向光波经过该事发点时，应变会使光波产生相位调制，两个方向的光波在同样应变作用下发生相位调制后，向分布式光纤振动传感器的两端传播，随后相同传播方向的两路光波在首端或末端产生干涉。在分布式光纤振动传感器中由于两束干涉后的光波传播的路径不同，因此两束干涉光波传播到两个光电探测器时会产生时间差。通过精准地计算时间差，可达到对事发点准确定位。

图1：光纤预警系统原理

上图中，L为管道总长度，也是同沟铺设光纤传感器的长度；X为事发点据首端的距离；首端到两个光电探测器距离为常量，上述的两个变量和一个常量单位均为m。

2.2 报警信号的处理

油气管道一般埋地敷设，管道沿线环境错综复杂，坡陡沟深，沟壑纵横。如何在长距离管道安全监测过程中，准确识别出管道沿线发生的动作中哪些需要报警，哪些无需报警，已成为光纤预警系统的主要任务，模式识别是核心技术之一，检测信号特征向量的提取又是模式识别模块中最关键的环节。

光纤预警系统引入了小波包的“能量—模式”方法，该方法首先对信号进行小波包的分解，通过对某一尺度上各频带内的分解系数重构，在每个分解节点上构成新的时间序列，对这些时间序列分别作时域分析，提取反映信号信息的特征向量。系统利用EMD算法，对管道沿线发生的振动信号进行分析，准确提取信号特征，为后续分类器进行有效识别奠定基础。

管道光纤安全预警系统中，模式识别是最关键且难度最大的技术之一。如何在输送距离长、周边环境复杂以及破坏因素繁多的条件下迅速而准确地捕捉到威胁管道的振动信号，引导系统及时对事发点进行定位，阻止破坏或即将破坏管道事件的发生，是系统对模式识别提出的技术要求。

2.3 预警系统的特点

管道光纤安全预警技术作为管道保护的一种有效的技防手段，具有以下特点：

   （1）监测范围广：作为一种新型的安全监测技术，预警系统基于大数据，以“互联网+”的方式实现了对管道沿线威胁事件的无死角、全天候监测，有效弥补了传统巡检中容易忽略的盲区或无法接近的一些重点区域，如河流穿越、山体滑坡及地址灾害等。

（2）预警距离长：系统采用先进的分布式光纤传感技术，单机能够实现约40公里范围内的有效监控。标准接口和模块化设计使系统具有较强的可扩展性，通过增加新的功能子系统和功能模块，可满足任意长度管线的实时监测和安全预警。

（3）传感灵敏度高：系统利用通信光缆作为分布式传感器，可检测管道附近的振动信号，并在较短时间内响应报警。

3  系统的开发与应用

陕西省天然气股份有限公司（以下简称“陕天然气公司”）所辖的汉中至勉县输气管道（以下简称“汉勉线”）沿线地质结构复杂、第三方施工频繁以及高后果区分布密集。为实现对汉勉线输气管道24小时实时监测，确保燃气输送安全，陕天然气公司开发并投用了管道光纤安全预警技术，开启了管道人防与技防相结合的管道保护新模式，实现了管道保护方法的科技创新。系统基使用至今运行稳定，多次对威胁管道安全的振动信号进行了监测预警，有效避免了管道事件的发生，确保了管道运行安全，系统主要功能如下：

（1）监测与报警功能：系统能够实现对管道沿线安全威胁事件的实时监测与定位报警，根据破坏事件的严重程度及紧急状况分为三个级别的报警：当管道沿线产生轻微干扰振动信号时，系统会发出Ⅲ级报警信号，提示为疑似事件报警，需要值班人员关注；当振动信号加强或在一定时间内持续振动，系统将发出Ⅱ级报警信号，提示为重要事件报警，需要值班人员对现场进行确认；当振动信号持续加强，系统将发出Ⅰ级报警信号，提示为严重事件报警，需要立即采取应急处置措施。

（2）GIS显示功能：系统配备GIS地图，地图上显示管道位置走向，当检测到报警信号时，系统立即在地图上显示报警位置并发出声光报警，提醒值班人员及时处理。

图2  光纤预警GIS系统展示界面

（3）记录与查询功能：系统将每条报警信息生成地图式和参数式两种记录形式，内容包括报警状态、报警位置、报警时间、报警级别和报警类型等，管理员可根据时间类型、发生日期、报警级别等信息进行历史报警记录的筛选查询。

图3 智能分析

（4）智能识别与分析功能：由于预警系统监测范围大，周边环境复杂，具备众多非破坏性振动信号，如汽车经过、正常农耕、管道节流等振动。系统每次在收到预警信息后，将对振动信号进行识别与记忆，对常见的破坏性振动信号与非破坏性振动信号进行有效识别与分类，对每一次预警信号进行有效甄别，降低系统误报警率，提升监测效率。另外，系统可以对每次振动信号的持续时间及振动信号强度进行智能分析，对每条预警信息可能的发展趋势进行预测，辅助管理人员对预警事件进行分析决策。

图4  振动实时强度

4 系统的测试与调试

为了标定及验证系统定位的准确性，持续对系统的预警功能进行优化完善，分别采用了现场夯土作业、机械挖掘及人工挖掘等测试方法，取得了良好的测试效果。

图5  测试过程中信号显示

为了有效提高系统的报警率，排除部分干扰预警信号，系统结合了汉勉线全线管道埋深及周边环境，针对性地制定了基于时间序列的分析报警，当预警信号持续时间超过一定时间值时，系统默认为一个有效的报警事件。

大量的工程实践表明，不同的振动强度对管道带来的影响也不同。如挖掘机作业振动强度大，风险就高。同一条输气管道，沿线土壤地质、光缆埋设位置、第三方活动等信息都会有诸多差别，这些差别将导致光纤振动信号在土壤传递过程中的损耗会有较大差异。根据汉勉线管道沿线实际情况，通过采用单一变量法进行实际比对分析，设定了报警输出信号值为0.03，根据实际监测情况，一般作业造成输出信号为0.15，机械挖掘作业输出信号为0.5左右。（注：上述参数是光纤预警监测系统最终输出的光电转化后的电压值，为系统内部设置参数）。

图6 测试过程中的幅值分布

5   结束语

管道的安全就是管道的生命。据统计，大多数威胁管道安全的事件都具有振动强度大、持续时间长等特点，如果能提前发现、及时预防，将有效避免事故发生。分布式光纤安全预警技术将光纤作为管道的“感知传输神经”，利用“互联网+”技术，实现了管道安全预警的智能化，弥补了传统式管道保护中存在的短板与不足，变被动维护为主动预防，实现了管道安全保护方法与管理理念的科技创新。随着我国油气管道建设的迅猛发展，分布式光纤安全预警技术将在保障管道安全、预防事故发生、提升抢险效率、企业提质增效等方面发挥重要作用。

参考文献
 

[1] 郭澎，油气管道防盗光纤预警系统的研究。

[2] 王春蓉，光纤感应监测技术在长输管道保护中的应用。

[3]周琰，分布式光纤管道安全监测技术研究。

[4]演秋华，赵宁刚，油气长输管道安全预警技术的应用。

[5]曾科宏，张金权，王飞，光纤管道安全预警系统的研究与应用。