全球有近360萬(wàn)公里的油氣長(zhǎng)輸管道，在建管道正以數(shù)萬(wàn)公里的速度延伸。長(zhǎng)輸管道往往要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的地質(zhì)和地域環(huán)境，受腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害等因素影響，每年發(fā)生的管道事故達(dá)數(shù)千起。由于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式均為事后檢測(cè)，無(wú)法對(duì)事故做到事前預(yù)警。為此，自2003年以來(lái)，中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程總公司按照“用一代、研一代、籌一代”的思路，持續(xù)推進(jìn)管道光纖安全預(yù)警研發(fā)工作，目前產(chǎn)品研發(fā)已進(jìn)入第四代，商業(yè)和社會(huì)價(jià)值日益顯現(xiàn)。

第三代管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)

1 管道光纖預(yù)警系統(tǒng)介紹

管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)基于瑞利相干檢測(cè)技術(shù)，利用與管道同溝敷設(shè)的一芯光纖，通過(guò)振動(dòng)對(duì)瑞利散射光相位變化的干涉檢測(cè)、解調(diào)和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道周邊破壞性事件的檢測(cè)、定位與預(yù)警。單臺(tái)設(shè)備監(jiān)測(cè)距離最大80公里，定位精度±20米，具有事前預(yù)警能力，定位準(zhǔn)、精度高，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)管道有威脅性的破壞事件和泄漏等意外事件，識(shí)別能力、靈敏度和抗干擾性較為突出，可及時(shí)防止安全事故的發(fā)生。該預(yù)警系統(tǒng)由光纖傳感子系統(tǒng)、預(yù)警單元、預(yù)警管理終端和區(qū)域管理中心組成，形成多級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理模式。

2 預(yù)警系統(tǒng)核心技術(shù)

2.1 單芯瑞利相干檢測(cè)技術(shù)

該系統(tǒng)利用一芯通信光纖作為傳感子系統(tǒng)，采用瑞利相干檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)振動(dòng)對(duì)瑞利散射光相位變化的干涉檢測(cè)、解調(diào)和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件的破壞預(yù)警和定位。與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，該技術(shù)相當(dāng)于在整根光纜上等間距建立多個(gè)傳感單元，各傳感器單元互不干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)信號(hào)的有效區(qū)分，定位精度20米，而且從根本上克服了振動(dòng)事件并發(fā)互相干擾的問(wèn)題，定位更準(zhǔn)、抗干擾能力更強(qiáng)。

2.2 分布式光放大技術(shù)

發(fā)明并混合光放大技術(shù)，提高了光學(xué)信號(hào)信噪比，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)80公里的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度。

2.3 高速信號(hào)并行處理技術(shù)

設(shè)計(jì)了8通道高速信號(hào)采集和多處理器并行處理的處理模塊，每通道處理能力達(dá)1GHz。

2.4 破壞事件識(shí)別預(yù)警技術(shù)

實(shí)踐中需識(shí)別的事件類型眾多，不同應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)破壞事件識(shí)別側(cè)重點(diǎn)不同，信號(hào)特點(diǎn)也就不同。因而，在實(shí)際應(yīng)用中，可將識(shí)別類型劃分為機(jī)械施工、人為施工、重型車輛碾壓、地質(zhì)災(zāi)害等，以不斷完善對(duì)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)的識(shí)別。

由于振動(dòng)信號(hào)經(jīng)土壤傳播會(huì)衰減掉大量特征，降低了不同振源間的區(qū)分度，給識(shí)別帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。通過(guò)長(zhǎng)達(dá)14年的持續(xù)研究，形成了一套基于SVM（支持向量機(jī)）的事件識(shí)別分類算法。經(jīng)在近5000公里管道上應(yīng)用，積累了不同區(qū)域和復(fù)雜環(huán)境下的識(shí)別數(shù)據(jù)，建立了完備的振動(dòng)事件識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)事件的準(zhǔn)確識(shí)別奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（1）數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。以不同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄選并標(biāo)記類型，對(duì)標(biāo)記信號(hào)類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，為下一步特征提取做準(zhǔn)備。

（2）特征提取與選擇。借鑒機(jī)械振動(dòng)、語(yǔ)音信號(hào)、仿生識(shí)別的成功經(jīng)驗(yàn)，研究選取描述振動(dòng)信號(hào)片段特征，綜合涵蓋時(shí)域、頻域等, 進(jìn)行區(qū)分度的測(cè)試、有效性排序和篩選，最后選取主要特征近20個(gè)。

（3）特征分類模型。因依靠特征取值比較不能進(jìn)行有效分類，故引入了信號(hào)模式識(shí)別分類器進(jìn)行事件類別區(qū)分，建立了基于多特征的SVM分類模型，實(shí)現(xiàn)了類型劃分特征空間分界面距離的最大化，并針對(duì)多類不同預(yù)警事件分類需求，建立塔式分類結(jié)構(gòu)，分層次對(duì)事件類別進(jìn)行細(xì)化（如下圖所示）。

3 預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)的成熟產(chǎn)品現(xiàn)已進(jìn)入第三代，技術(shù)性能不斷提升，主要具有以下7大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（1）全天候無(wú)縫隙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與事前預(yù)警，消除了傳統(tǒng)人工巡檢的弊端，降低了巡線成本與人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）占用纖芯資源少，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)高效。前幾代系統(tǒng)至少需要兩根以上光纖構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，而第三代系統(tǒng)只需要一根光纖即可實(shí)現(xiàn)分布式傳感與信號(hào)傳輸，節(jié)省了光纖資源，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

（3）超強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)配置能力。系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道距離與閥室供電情況，采取40、60、80公里等多種靈活配置方式。

（4）超高定位精度。系統(tǒng)把光纜分為等間距的連續(xù)的多個(gè)傳感單元，對(duì)沿線的振動(dòng)信號(hào)和噪聲進(jìn)行空間區(qū)分，定位精度達(dá)到±20米。

（5）超強(qiáng)類型識(shí)別能力。系統(tǒng)經(jīng)在國(guó)內(nèi)外10余年的應(yīng)用，積累了對(duì)硬土、淤泥、沙土地、戈壁等不同環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采取SVM模式識(shí)別算法建立了完備的振動(dòng)事件識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，可有效區(qū)分管道安全事件與非安全事件。當(dāng)發(fā)生預(yù)警事件時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)類型識(shí)別，事件檢測(cè)能力達(dá)到100%，典型事件類型識(shí)別能力達(dá)到95%以上。

（6）超強(qiáng)抗干擾能力。系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境噪聲，采取抑制、分段、分時(shí)設(shè)置閾值、屏蔽等方式。

（7）超靈敏監(jiān)測(cè)能力。系統(tǒng)能檢測(cè)到30米內(nèi)機(jī)械施工，15米內(nèi)車輛碾壓，5米以內(nèi)人為活動(dòng)等事件。

4 預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用成果

管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)自成果轉(zhuǎn)化以來(lái)，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外石油石化行業(yè)原油、成品油、天然氣和城市燃?xì)夤艿兰皣?guó)防光纜保護(hù)，應(yīng)用里程共計(jì)5000余公里，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益逾1.5億元。其中，國(guó)內(nèi)應(yīng)用遍及東北、西北、華北、華東、華中、華南、西南等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)山區(qū)、平原、高原等各種環(huán)境各種敷設(shè)方式下不同類型管道和光纜的保護(hù)，充分證明了產(chǎn)品的成熟度和可靠性。

作者：張金權(quán)，現(xiàn)任中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程總公司副總經(jīng)理、總工程師。光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)主要負(fù)責(zé)人，曾榮獲河北省十大優(yōu)秀發(fā)明者、孫越崎科技青年獎(jiǎng)專家、中國(guó)施工企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)個(gè)人、管道局技術(shù)專家等榮譽(yù)稱號(hào)。

《管道保護(hù)》2016年第5期（總第30期）