曾科宏 李剛 邸小彪

中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

 

摘要：介紹一種基于Ф-OTDR分布式光纖傳感的管道預(yù)警系統(tǒng)，利用同溝敷設(shè)的光纜作為分布式振動傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)檢測管道周圍的振動信號進(jìn)行提前預(yù)警與定位。通過長輸油氣管道測試與應(yīng)用效果展示，系統(tǒng)具有較高的靈敏度、定位精度和有效預(yù)警準(zhǔn)確率，據(jù)此可構(gòu)建“技防+人防”管道安全防護(hù)體系。

關(guān)鍵詞：Ф-OTDR；分布式振動傳感器；管道光纖預(yù)警；定位精度；有效預(yù)警準(zhǔn)確率

 

針對管道安全監(jiān)測需求，采用基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Ф-OTDR）的分布式管道光纖預(yù)警系統(tǒng)，利用與管道同溝敷設(shè)光纜中的一根光纖作為分布式振動傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)對管道周圍的土壤振動事件（第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災(zāi)害、穿越鉆探等）進(jìn)行監(jiān)測并提前預(yù)警與定位，以防止破壞事件發(fā)生。目前系統(tǒng)已經(jīng)在長輸油氣管道、城市燃?xì)獾刃袠I(yè)應(yīng)用。本文通過統(tǒng)計(jì)分析北京天然氣管道陜京二線實(shí)際應(yīng)用情況，介紹系統(tǒng)性能及應(yīng)用建議。

1  檢測原理

分布式光纖振動傳感器實(shí)時(shí)拾取管道沿線預(yù)警范圍內(nèi)的土壤振動信號，通過信號識別分析判斷是否發(fā)生威脅管道或光纜安全的事件。系統(tǒng)檢測原理如圖 1所示。

圖 1 Φ-OTDR系統(tǒng)原理

基于Ф-OTDR 的分布式光纖傳感器利用光纖對振動敏感的特性[1-2]，當(dāng)外界振動作用于傳感光纖時(shí)，光纖的折射率、長度將產(chǎn)生微小變化，從而導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸信號的相位變化，使得光信號強(qiáng)度（光強(qiáng)）發(fā)生改變。通過檢測振動前后的光信號強(qiáng)度變化（差分信號），即可實(shí)現(xiàn)振動事件的檢測，可同時(shí)并行檢測多振動事件并精確定位。

2  光纖預(yù)警系統(tǒng)功能

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)主要由安裝在各閥室和站場的預(yù)警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調(diào)度中心的預(yù)警管理終端FST、區(qū)域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網(wǎng)絡(luò)組成，借助現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元、預(yù)警管理終端、區(qū)域管理終端之間的信號及數(shù)據(jù)傳輸，在預(yù)警管理終端和區(qū)域管理終端還可實(shí)現(xiàn)多臺預(yù)警單元的集中統(tǒng)一監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)全程全控。

2.1  硬件系統(tǒng)及功能

系統(tǒng)硬件預(yù)警單元FU主要由電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監(jiān)控交換模塊、拉曼放大模塊等組成。電源模塊為預(yù)警單元設(shè)備整體運(yùn)行提供穩(wěn)定有效的電源，電源的工作狀況由其監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控并將數(shù)據(jù)反饋到管理模塊。

監(jiān)控交換模塊接收信號處理模塊和管理模塊發(fā)出的報(bào)警數(shù)據(jù)和模塊狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給預(yù)警管理終端，實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。

光傳感模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，為傳感系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光脈沖信號，將傳感光纖返回的光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行信號預(yù)處理和信號放大。

采集處理模塊對檢測的信號進(jìn)行處理分析，判斷信號類型是否來自威脅事件，并對振動事件進(jìn)行檢測和定位。

管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各模塊的工作，通過設(shè)定下發(fā)工作參數(shù)，控制工作順序，使各模塊協(xié)調(diào)工作；接收信號處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信號, 根據(jù)報(bào)警算法來確定管道破壞事件的級別、定位、能量等。管理模塊還實(shí)現(xiàn)各功能模塊的控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警生成和顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號的有效放大，提高系統(tǒng)監(jiān)測距離。

2.2  軟件系統(tǒng)及功能

權(quán)限管理：根據(jù)用戶權(quán)限設(shè)置不同管理內(nèi)容。

告警管理：根據(jù)預(yù)警事件級別實(shí)現(xiàn)分級控制與管理；采用GIS地圖將線路信息、預(yù)警系統(tǒng)信息、維護(hù)管理信息等集中直觀顯示與管理；采用二維圖與告警表格多形式多維度顯示告警信息。

系統(tǒng)分析：結(jié)合光時(shí)域信號特征、地理環(huán)境等，對事件類型進(jìn)行分析與有效識別；與高后果高風(fēng)險(xiǎn)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。

歷史告警管理：記錄存儲預(yù)警和事件，根據(jù)需要轉(zhuǎn)儲、備份及設(shè)置存儲周期；對事件進(jìn)行告警時(shí)間回放、查詢等。

線路標(biāo)定：結(jié)合光纜與管道地理距離的差異性，實(shí)現(xiàn)以管道（陰保樁、轉(zhuǎn)角樁、穿越樁等）標(biāo)志樁數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線路標(biāo)定功能。

遠(yuǎn)程維護(hù)：遠(yuǎn)程對預(yù)警單元進(jìn)行參數(shù)配置、程序下發(fā)以及故障診斷。

3  光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

3.1  陜京二線應(yīng)用案例

陜京二線安平至33#閥室管道總長約55公里，光纜長60公里。管道經(jīng)過地區(qū)地貌單元以平原為主，管道穿越與并行公路多處，地形環(huán)境復(fù)雜，施工事件多，主要施工風(fēng)險(xiǎn)源為麻山藥種植及挖掘。

該應(yīng)用段配置1套預(yù)警單元、1套預(yù)警管理終端和1套拉曼放大模塊，實(shí)現(xiàn)60公里試點(diǎn)段24小時(shí)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控（圖 2）。

圖 2 光纖預(yù)警系統(tǒng)配置示意圖

3.2  預(yù)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息，相關(guān)人員對預(yù)警事件進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核及準(zhǔn)確性反饋，對預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行審核確認(rèn)。

（1）預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2019年11月至2020年11月現(xiàn)場日均有效預(yù)警條數(shù)為8.89條，有效預(yù)警準(zhǔn)確率為94.56%。結(jié)合12個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)警條數(shù)和有效預(yù)警準(zhǔn)確率與現(xiàn)場施工數(shù)量及季節(jié)性有關(guān)。與同期數(shù)據(jù)對比，日預(yù)警條數(shù)由2019年11月19.33條降至 2020年11月4.7條，預(yù)警事件條數(shù)降低75.68%，有效預(yù)警準(zhǔn)確率從92.07%提高至97.92%。

（2）預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)�，F(xiàn)場預(yù)警事件和類型統(tǒng)計(jì)如表 1 所示。

表 1 2019-11至2020-11預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)表

通過事件復(fù)核及現(xiàn)場反饋，全年共發(fā)現(xiàn)預(yù)警事件494次，其中主要為機(jī)械施工占比72.67%（圖 3），人工挖掘施工占比19.01%。表明預(yù)警能夠?qū)�機(jī)械事件和人工深層次挖掘、持續(xù)性挖掘及作業(yè)計(jì)劃事件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警與定位。

圖 3 機(jī)械挖掘事件系統(tǒng)報(bào)警與現(xiàn)場復(fù)核示例

3.3  典型事件

2020年10月25日，預(yù)警系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出告警并及時(shí)推送預(yù)警短信，收到短信的巡線員與預(yù)警人員赴預(yù)警位置現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)在管道標(biāo)志樁K721+0.39 km、距離管道20 m處有挖掘機(jī)施工，經(jīng)核實(shí)為當(dāng)?shù)厝藛T正在機(jī)械挖掘麻山藥。針對管道周邊頻繁的機(jī)械挖掘麻山藥事件，通過系統(tǒng)持續(xù)采集現(xiàn)場事件數(shù)據(jù)，對麻山藥區(qū)域?qū)嵤╋L(fēng)險(xiǎn)等級升級管理，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控與管控，預(yù)警并復(fù)核確認(rèn)機(jī)械和人工挖山藥事件達(dá)68處。

3.4  應(yīng)用建議

（1）分公司和作業(yè)區(qū)采取“背靠背”方式對預(yù)警事件及準(zhǔn)確性進(jìn)行共同審核確認(rèn)，對重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源和機(jī)械作業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)管控。

（2)預(yù)警信息通過短信平臺分級發(fā)送，實(shí)現(xiàn)不同層級管控，避免信息不對稱現(xiàn)象。

（3）將已收集的第三方施工信息與預(yù)警信息進(jìn)行橫向?qū)Ρ�，�?yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)及運(yùn)行狀況。

（4）結(jié)合線路環(huán)境及施工點(diǎn)情況，分別設(shè)置新告警點(diǎn)、常告警點(diǎn)和受控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同類型預(yù)警事件分類管理。

4  結(jié)語

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，光纖預(yù)警系統(tǒng)在光纜正常埋深（1.2 m）時(shí)檢測靈敏度較高，可以有效檢測到管道周邊25 m范圍內(nèi)的機(jī)械振動和2 m范圍內(nèi)的人工挖掘事件，地表定位精度達(dá)到±50 m，最大響應(yīng)時(shí)間不超過1，同時(shí)并行檢測多起振動事件相互不受干擾。但系統(tǒng)在振動事件識別、事件威脅度等級判斷、農(nóng)耕事件篩選識別等方面仍需提升與完善，以增強(qiáng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性，發(fā)揮有效的監(jiān)測和預(yù)警作用。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘翔，趙世松，鄧華夏，等.基于脈沖調(diào)制的Ф-OTDR研究綜述[J]. 紅外與激光工程，2020(10)：193-202.

[2]張智娟.郭文翰.基于Ф-OTDR的光纖傳感技術(shù)原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2019(01)：12-19.

 

作者簡介：曾科宏，1978年生，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），主要從事光纖傳感及管道安全監(jiān)測技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2075866，tx_zengkeh@cnpc.com.cn。