郭家瑞 王廉祥 沈建林

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司昆明輸油氣分公司

摘  要：云南多雨山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅管道安全運(yùn)行。介紹了光纖預(yù)警技術(shù)的作用和原理，結(jié)合光纖預(yù)警系統(tǒng)在山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出深化應(yīng)用方案，提升光纖預(yù)警技術(shù)在山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多雨山區(qū)；地質(zhì)災(zāi)害；風(fēng)險(xiǎn)；光纖預(yù)警；精細(xì)化管理

昆明輸油氣分公司所轄管道穿越地區(qū)平均海拔2000 m， 84%以上區(qū)域是山地，高低參差、縱橫起伏，地形極為復(fù)雜，管道沿線地形落差大、切斷面較多；同時(shí)，云南雨季集中了約全年85%的降雨量，管道穿越大部分地區(qū)雨季降水頻繁且雨量較大，容易造成管道周圍山土疏松、石塊松動(dòng)，引發(fā)滑坡、泥石流、水毀、沉降等地質(zhì)災(zāi)害，威脅管道的安全運(yùn)行。其中尤以滑坡威脅最大，極易造成管道懸空甚至斷裂，引發(fā)安全事故和次生環(huán)保事故。雖然在數(shù)量上地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致油氣管道失效事件機(jī)率并不高，但造成的財(cái)產(chǎn)損失卻非常巨大。

降雨是導(dǎo)致滑坡的重要誘發(fā)因素，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的降雨使土層趨于飽和，土體重度增加、強(qiáng)度降低，為滑坡準(zhǔn)備了力學(xué)條件。分析近年國(guó)內(nèi)發(fā)生的重大管道安全事故，因降雨導(dǎo)致滑坡引起的占有較大比例，例如貴州黔西南州晴隆“7·2”天然氣管道斷裂燃爆事故、湖北恩施“7·20”川氣東送管道爆炸事故，都是因?yàn)槌掷m(xù)降雨引發(fā)滑坡導(dǎo)致輸氣管道斷裂而造成的。

因此探究光纖預(yù)警技術(shù)在多雨山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的深化應(yīng)用有重要意義。

1 光纖預(yù)警作用

地質(zhì)災(zāi)害的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法主要有大地精密測(cè)量法、 GPS測(cè)量法、近景測(cè)量法和TDR測(cè)量法等，但均存在各自缺點(diǎn)。光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有監(jiān)控距離長(zhǎng)、連續(xù)分布式測(cè)量、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、定位精度高、本質(zhì)安全可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)維管理簡(jiǎn)單，建設(shè)成本可控，通過(guò)與視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)對(duì)管道沿線可疑破壞事件多維感知、綜合監(jiān)測(cè)、視頻復(fù)核，有效提高油氣管道安全運(yùn)行的監(jiān)管效率及風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

基于該技術(shù)的管道光纖預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)與管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為分布式傳感器，依靠其對(duì)運(yùn)動(dòng)、壓力和振動(dòng)非常敏感的特性，通過(guò)對(duì)管道上方產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)探測(cè)分析，能夠有效識(shí)別人工作業(yè)、機(jī)械挖掘、重車碾壓、地質(zhì)災(zāi)害等事件，基于GIS地圖系統(tǒng)直觀展示管道外部風(fēng)險(xiǎn)警情信息，包括報(bào)警時(shí)間、事件位置、事件類型、事件級(jí)別、管道樁號(hào)等。

2 光纖預(yù)警技術(shù)原理

光線預(yù)警基于布里淵散射的分布式光纖傳感（OTDR），散射光和入射光之間的頻率差（布里淵頻移）與光纖溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系，使用通信用單模光纖作為傳感器，可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離（百公里）、超高空間分辨率（厘米）和高精度的分布式應(yīng)變和溫度測(cè)量，特別適合大型基礎(chǔ)設(shè)施、泥石流和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)（圖 1）。

當(dāng)光信號(hào)輸送進(jìn)光纖時(shí)，系統(tǒng)軟件探測(cè)器會(huì)處理接收到的光信號(hào)的相位，當(dāng)傳感光纜受到觸碰或振動(dòng)的干擾時(shí)，光信號(hào)的傳輸模式就會(huì)發(fā)生變化（圖 2）。

光纖在受到外來(lái)觸碰、振動(dòng)、擠壓會(huì)導(dǎo)致形態(tài)干擾而產(chǎn)生光信號(hào)相位的改變。系統(tǒng)軟件接收器對(duì)相位改變進(jìn)行探測(cè)，可探測(cè)干擾的強(qiáng)度和類型，并對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，判別干擾是否符合觸發(fā)“事件”的條件，并對(duì)干擾對(duì)象準(zhǔn)確定位，從而對(duì)可能造成管道破壞的外部威脅進(jìn)行提前預(yù)警。

地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定頻度和特征的振動(dòng)信號(hào)，也會(huì)導(dǎo)致傳感光纖周圍的巖土體變形破壞使光纖變形或破壞，基于對(duì)振動(dòng)信號(hào)、時(shí)間量等特征歸類分析和O T D R技術(shù)檢測(cè)光纖宏彎變形或斷裂破壞等，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型的地質(zhì)災(zāi)害事件的監(jiān)測(cè)告警。

3 光纖預(yù)警應(yīng)用

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

分公司建立了管道光纖預(yù)警統(tǒng)一監(jiān)控管理平臺(tái)，構(gòu)建了全網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)維管理中心，達(dá)到對(duì)多區(qū)段、多管線的集中統(tǒng)一監(jiān)控管理，初步實(shí)現(xiàn)了管道安全風(fēng)險(xiǎn)“監(jiān)測(cè)預(yù)警可控”的管理目標(biāo)。

光纖預(yù)警系統(tǒng)分別在安寧作業(yè)區(qū)、玉溪作業(yè)區(qū)、楚雄作業(yè)區(qū)等多條長(zhǎng)輸管道重點(diǎn)管段部署應(yīng)用，有效預(yù)警第三方機(jī)械挖掘施工、農(nóng)戶人工作業(yè)施工等風(fēng)險(xiǎn)事件幾十起，及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任人趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置，阻止了非法施工、野蠻開(kāi)挖事件的發(fā)生，保障了管道安全運(yùn)行。

系統(tǒng)對(duì)機(jī)械挖掘、人為作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)事件具備較高的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，事件識(shí)別率、報(bào)警準(zhǔn)確率高，但對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害事件的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力較弱，原因是現(xiàn)用光纖預(yù)警系統(tǒng)的產(chǎn)品規(guī)劃和分析算法主要是針對(duì)防范第三方施工風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，需要進(jìn)一步提升針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害事件的監(jiān)測(cè)和判別能力。

3.2 深化應(yīng)用

通過(guò)對(duì)現(xiàn)用監(jiān)測(cè)手段的技術(shù)分析、地質(zhì)災(zāi)害事件歷史數(shù)據(jù)的特征研究，嘗試對(duì)埋深在2米內(nèi)的管道進(jìn)行典型地質(zhì)災(zāi)害事件監(jiān)測(cè)的可行性，制定了基于對(duì)現(xiàn)有光纖預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行算法優(yōu)化和分析模型構(gòu)建的技術(shù)路線，完善現(xiàn)有光纖預(yù)警系統(tǒng)對(duì)管道典型地質(zhì)災(zāi)害（滑坡、泥石流、雨水沖刷）事件的感知和識(shí)別能力，聯(lián)合管道光纖預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備廠商，利用管道已有同溝光纜和現(xiàn)有光纖預(yù)警監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖預(yù)警系統(tǒng)的深化應(yīng)用和價(jià)值提升。

（1）特征識(shí)別庫(kù)建立。針對(duì)管道地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)特征分析，確認(rèn)管道地質(zhì)災(zāi)害行為對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)范圍，包括空間尺度、信號(hào)強(qiáng)度和頻率，建立地質(zhì)災(zāi)害事件行為樣本，從而建立特征識(shí)別庫(kù)（圖 3）。

系統(tǒng)采集到管道沿線振動(dòng)曲線，分析多個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)量和定位信息，分析提取振動(dòng)信號(hào)波形的空間尺度、強(qiáng)度、頻率信息，將提取出的參數(shù)信息 與特征識(shí)別庫(kù)比對(duì)，選出符合地質(zhì)災(zāi)害事件行為樣本的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)符合報(bào)警需要的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警顯示（圖 4）。

（2）模式識(shí)別特征庫(kù)存儲(chǔ)。在模式識(shí)別中對(duì)樣本庫(kù)中的標(biāo)記信息進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，根據(jù)能量、強(qiáng)度、頻率占比等特征值進(jìn)行自動(dòng)訓(xùn)練對(duì)比，尋找最佳分類特征得出決策樹(shù)代碼從而進(jìn)行警情閾值的智能劃分，結(jié)合時(shí)間追蹤等多種自定義算法提高報(bào)警的準(zhǔn)確度并進(jìn)行分類，再將提取的環(huán)境及行為特征存儲(chǔ)到模式識(shí)別特征庫(kù)中。模式識(shí)別特征庫(kù)是在系統(tǒng)中制作環(huán)境類別模板，對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境的類別模板進(jìn)行存儲(chǔ)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里。

初期階段地質(zhì)災(zāi)害事件信號(hào)數(shù)據(jù)量有限，模式識(shí)別系統(tǒng)需持續(xù)采集足夠的樣本信號(hào)，結(jié)合多維度特征在識(shí)別體系中通過(guò)不斷對(duì)不同的環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害事件學(xué)習(xí)，獲得各類環(huán)境及事件的算法模板。

系統(tǒng)正式使用時(shí)，實(shí)時(shí)事件通過(guò)算法體系不斷分析事件信號(hào)并調(diào)用算法模板，并根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境不斷地對(duì)系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，自動(dòng)調(diào)優(yōu)，達(dá)到模式識(shí)別的反饋?zhàn)詫W(xué)習(xí)。

信號(hào)識(shí)別與事件分類流程、事件分類、增量學(xué)習(xí)機(jī)制分別如圖 5、圖 6、圖 7所示。

若在使用中系統(tǒng)智能識(shí)別存在偏差，可以進(jìn)行人工修訂，對(duì)事件進(jìn)行重新訓(xùn)練，更新數(shù)據(jù)庫(kù)，從而達(dá)到盡量準(zhǔn)確的對(duì)事件進(jìn)行分析、報(bào)警目的。模式識(shí)別算法完整模型如圖 8所示。

其中，分析算法的核心內(nèi)容是首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪預(yù)處理，然后再通過(guò)各種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分類，分類完成后根據(jù)其振動(dòng)的強(qiáng)度、頻率特征等與預(yù)先訓(xùn)練好的分類模型進(jìn)行對(duì)比，從而得到對(duì)事件的初步分析結(jié)果。

（3）多類型事件分辨模型庫(kù)優(yōu)化。通過(guò)細(xì)化和優(yōu)化模式識(shí)別能力，光纖預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)置多類型事件分辨模型庫(kù)，以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)人為破壞、機(jī)械破壞、重車碾壓、地質(zhì)災(zāi)害等安全事件以及非安全事件的精細(xì)化分類，自動(dòng)匹配和判別地質(zhì)災(zāi)害事件行為，非威脅事件不進(jìn)行報(bào)警。

（4）高精度GIS地圖數(shù)據(jù)融合。風(fēng)險(xiǎn)事件分析模塊與管理平臺(tái)的高精度GIS地圖數(shù)據(jù)結(jié)合，在GIS地圖上對(duì)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、易發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)標(biāo)注，事件發(fā)生地位置、地理及附近環(huán)境情況細(xì)致呈現(xiàn)，便于管理人員基于地圖信息作出合理判斷。

GIS地圖標(biāo)注信息可作為輔助字段，結(jié)合事件特征識(shí)別庫(kù)多維度綜合評(píng)判，提升光纖預(yù)警系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)事件的識(shí)別準(zhǔn)確率。

4 結(jié)語(yǔ)

光纖預(yù)警技術(shù)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警帶來(lái)了方便，提高了準(zhǔn)確度。探索光纖預(yù)警技術(shù)在多雨山區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的深化應(yīng)用是昆明輸油氣分公司貫徹落實(shí)油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)及運(yùn)行安全升級(jí)管理的實(shí)際行動(dòng)，也是防范化解重大隱患風(fēng)險(xiǎn)的迫切需要。通過(guò)技術(shù)升級(jí)進(jìn)行管理創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化管理，實(shí)施精準(zhǔn)有效治理措施，可使風(fēng)險(xiǎn)隱患全面受控，提升管道運(yùn)行安全保障能力，防范遏制事故發(fā)生。

作者簡(jiǎn)介：郭家瑞， 1985年生，畢業(yè)于徐州空軍學(xué)院， 2001年入伍從事戰(zhàn)斗機(jī)維修工作， 2008年至今一直從事管道保護(hù)工作。聯(lián)系方式：18184835454， 372370968@qq.com。