淺談通信光纜預(yù)警系統(tǒng)在杭嘉線管道安全防范中的應(yīng)用

摘 要：全文介紹了在長輸管道同溝敷設(shè)光纜的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，選取光纜中3芯單模光纖，構(gòu)成分布式光纖微振動(dòng)傳感器檢測(cè)管道沿線的振動(dòng)信號(hào)，可以有效地實(shí)現(xiàn)管道周圍險(xiǎn)情的預(yù)警和定位，文章闡述了預(yù)警系統(tǒng)的原理和在杭嘉線工程試驗(yàn)段的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖；傳感器；預(yù)警；定位

1 概述

長輸油氣管道擔(dān)負(fù)著我國能源生命線的重要作用，但是管道沿線的非法施工容易造成管道的破壞，由于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，長輸管道沿線第三方活動(dòng)愈加頻繁，管道保護(hù)及巡檢工作難度加大，所以實(shí)時(shí)的防護(hù)、預(yù)警變得極為重要。提取通信光纜的3芯，在站場兩端加控制器，光纜沿線不需要任何有源器件的情況下可提供長距離的安全預(yù)警監(jiān)控。可以檢測(cè)出長距離光纜沿線的震動(dòng)信息的光纖分布式傳感技術(shù)取得了較大的發(fā)展。當(dāng)某段光纜附近出現(xiàn)自然災(zāi)害、施工作業(yè)等產(chǎn)生震動(dòng)的信息時(shí)，光纖傳感設(shè)備可以提供告警信息至控制中心，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情的預(yù)警和有效定位，及時(shí)告知線路維護(hù)人員采取有效措施，快速找到事故發(fā)生地，防止或及時(shí)修護(hù)光纜和管道，保證管道安全和通信暢通。

2 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)目的

通過光纖微振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線由第三方施工導(dǎo)致的泄露，人為鉆孔盜油以及管線腐蝕老化泄露的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。在探測(cè)微振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上做出報(bào)警事件的判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警定位，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)先報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)原理

利用與管道同溝敷設(shè)的光纜作為分布式土壤振動(dòng)檢測(cè)傳感器，部分纖芯用于信號(hào)傳輸，部分纖芯作為安全防范應(yīng)用中的傳感器。對(duì)油氣管道沿線的土壤振動(dòng)情況實(shí)時(shí)長距離連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過報(bào)警控制器的特殊算法和分析處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警及定位功能。

光纖微振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)基于激光干涉原理，能夠?qū)ξ⒚琢考?jí)的光纜形變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)在振動(dòng)波形測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)振動(dòng)的實(shí)時(shí)定位。如圖2 所示，外界振動(dòng)會(huì)使在光纜中傳輸?shù)墓獠ǖ膫鬏斚辔话l(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉特性的改變。通過檢測(cè)干涉信號(hào)可以得到外界振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的波形進(jìn)行分析可以做出報(bào)警判斷，同時(shí)通過定位算法可以得到振動(dòng)位置，并實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)軟件界面上，同時(shí)給出報(bào)警點(diǎn)位的GPS坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警事件的定位。

如圖3所示，光源LD發(fā)出的激光經(jīng)過偏振控制器A，在2x2耦合器B、D分成兩束在光纖中傳播，在耦合器C耦合發(fā)生干涉，通過光纖將耦合過的光傳回探測(cè)器PD1、PD2。當(dāng)傳感光纖附近發(fā)生振動(dòng)，該處的光信號(hào)產(chǎn)生光程差，造成耦合器處干涉信號(hào)的變化。由于振動(dòng)發(fā)生的位置不同，干涉信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間差不同，因此可用解調(diào)相位的時(shí)間差對(duì)第三方破壞信號(hào)發(fā)生的位置進(jìn)行定位。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

光纖預(yù)警系統(tǒng)由以下幾部分組成，如圖4所示：

主控計(jì)算機(jī)：根據(jù)用戶要求定義的接口與主控儀連接，提取主控儀輸出信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。運(yùn)行光線微振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)軟件，直接顯示監(jiān)測(cè)管線線路情況；

主控儀：系統(tǒng)的核心組成部分。包括：

激光發(fā)射模塊：高穩(wěn)定大功率激光光源模塊，實(shí)現(xiàn)長距離檢測(cè)；

光電轉(zhuǎn)換模塊：拾取激光信號(hào)，使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

信號(hào)處理模塊：完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)，恢復(fù)振動(dòng)信號(hào)，保證了信號(hào)的真實(shí)性和系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性；

信號(hào)調(diào)理模塊：進(jìn)行信號(hào)前端調(diào)理和甄別；

硬件算法模塊：實(shí)現(xiàn)信號(hào)識(shí)別的部分算法硬件化，高速硬件平臺(tái)保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性，即保證了對(duì)振動(dòng)敏感的實(shí)時(shí)性，減少漏報(bào)。

光纖終端盒：光纖接續(xù)設(shè)備。組成完整激光回路，實(shí)現(xiàn)外界傳感段無源化。

引導(dǎo)光纜：實(shí)現(xiàn)被監(jiān)控區(qū)域和監(jiān)控室的激光信號(hào)傳輸。

傳感光纜： 敏感振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)

報(bào)警率： 對(duì)振動(dòng)事件正確判斷做出報(bào)警的概率。系統(tǒng)報(bào)警率>95%。

漏警率： 對(duì)振動(dòng)事件遺漏報(bào)警的概率。系統(tǒng)漏警率為0。

誤警率： 對(duì)振動(dòng)事件性質(zhì)錯(cuò)誤做出錯(cuò)誤判斷導(dǎo)致誤報(bào)警的概率。系統(tǒng)誤警率<5%。

定位精度：對(duì)報(bào)警事件發(fā)生位置判斷的精度。系統(tǒng)定位精度優(yōu)于100m。

響應(yīng)時(shí)間：振動(dòng)事件發(fā)生至系統(tǒng)做出反應(yīng)的時(shí)間，包括光波傳輸時(shí)間和系統(tǒng)電路響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于10ms。

功耗： 系統(tǒng)主控儀的功耗。系統(tǒng)功耗小于20W。

溫度范圍：系統(tǒng)主控儀正常工作的溫度范圍。系統(tǒng)溫度范圍為-40 至60℃。

存儲(chǔ)量： 存儲(chǔ)振動(dòng)波形的數(shù)據(jù)量（通常以能夠存儲(chǔ)的監(jiān)測(cè)歷史時(shí)間計(jì)算）。系統(tǒng)的存儲(chǔ)量為60-90 天。

2.5 光纜選型要點(diǎn)

光纜選型主要包括兩個(gè)方面，一是光纜結(jié)構(gòu)，二是光纜的光學(xué)特性。

2.5.1 光纜結(jié)構(gòu)

光纜埋于地下，為保證光纜的安全性能和傳感性能，光纜采用松套層絞式非金屬加強(qiáng)芯鎧裝光纜。光纖套在松套管內(nèi)，館內(nèi)填充防水化合物。纜芯的中心是玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP），松套管和填充繩圍繞加強(qiáng)芯絞合成緊湊和圓形的纜芯，纜芯外加上金屬鎧裝套管，最后加上一層聚乙烯護(hù)套成纜。松套管和非金屬加強(qiáng)芯（FRP）能夠保證光纜的傳感性能，鎧裝能夠更好的保護(hù)光纜，但在一定程度上會(huì)降低靈敏度。下圖為光纜結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)圖。

2.5.2 光學(xué)特性

光學(xué)特性主要描述了用于成纜的光纖的各種參數(shù)。目前標(biāo)準(zhǔn)通信光纜主要采用了G652和G655光纖，二者對(duì)光纜的傳感性能無顯著差異。

對(duì)于傳感性能，主要關(guān)注光學(xué)特性包括光纜衰減和工作溫度，光纜衰減決定了其傳感距離。

衰減：@1310 ≤0.35dB/km，@1550 ≤0.22dB/km

工作溫度：-40-70℃

光纜芯數(shù)：除正常應(yīng)用的通信光纜外，本技術(shù)只需預(yù)留3-4芯光纖纖芯。

3 在項(xiàng)目上的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案

光纜振動(dòng)檢測(cè)方案在杭嘉線上的應(yīng)用情況如下：

秀洲首站-屠甸分輸站是進(jìn)行了試驗(yàn)，光纜總測(cè)試長度42.18km，傳感光纜利用秀州首站到屠甸分輸站的32芯通信光纜中3芯構(gòu)建成管道安全預(yù)警系統(tǒng)，通信光纜型號(hào)為單模GYFTA型，與油氣管道同溝敷設(shè)，用來對(duì)管道沿線機(jī)械施工和人工挖掘進(jìn)行報(bào)警和定位。終端盒分別裝在秀洲首站和屠甸分輸站外管道井內(nèi)，引導(dǎo)光纜采用3芯通信光纜，終端盒與傳感光纜和引導(dǎo)光纜的連接采用熔接。引導(dǎo)光纜和主控儀的連接采用跳線連接。

在選用傳感光纖時(shí)，應(yīng)選擇分處于兩個(gè)對(duì)稱套管內(nèi)的纖芯，這樣的測(cè)量靈敏度和精度才可以做到最高。

光纖熔接也要嚴(yán)格按照工程要求，任何一個(gè)熔點(diǎn)的損耗衰減都會(huì)影響到整體系統(tǒng)的工作。

如果在全線應(yīng)用時(shí)，具體做法如下：每臺(tái)控制器防護(hù)距離一般在50km以內(nèi)，所以選取合適站場，內(nèi)設(shè)置一套控制器，空間占用19寸機(jī)柜，4U。如果站場距離大于等于50km，則在中間閥室增加一套控制器，并提供電源和網(wǎng)絡(luò)通信接口。控制器采用220VAC供電，功率500W。其起始傳感器和末端傳感器均是無源設(shè)備。

當(dāng)在管線監(jiān)測(cè)中布置多個(gè)主控儀時(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將各主控儀的主控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，最終將報(bào)警信息集中在調(diào)控中心總監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一出警處理。對(duì)于多站點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，只需將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行軟硬件配置，成本和工程難度較低。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)采用挖掘機(jī)管道上方穿越及停留測(cè)試、單斗鑿擊管道上方及周邊地表測(cè)試、漸進(jìn)挖掘測(cè)試，當(dāng)外界破壞到一定深度時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警并定位。

定位數(shù)據(jù)的均值為192.6m，光纜實(shí)際位置為180m。定位精度比較高，便于工作人員盡快找到事故位置。

3.3 在杭嘉線中體現(xiàn)的安全預(yù)警系統(tǒng)的作用及不足

①在杭嘉線試驗(yàn)段應(yīng)用的情況表明，基本可以滿足管道安全預(yù)警的要求，使管道安全監(jiān)測(cè)方式由人工現(xiàn)場定點(diǎn)、定時(shí)、間斷巡檢，轉(zhuǎn)變到了系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、人工監(jiān)聽識(shí)別告警，減少了人工巡線的頻次。當(dāng)監(jiān)測(cè)到破壞點(diǎn)，可以使工作人員以最快的時(shí)間到達(dá)破壞處，進(jìn)行檢修，及時(shí)恢復(fù)通信。

②系統(tǒng)雖然可以大大減輕人工巡檢的頻次，但仍有一定程度的誤報(bào)，這就需要操作員的人為識(shí)別能力，對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求較高。系統(tǒng)還需

要進(jìn)一步完善歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢和調(diào)取功能，提高機(jī)器的判斷功能。

③預(yù)警系統(tǒng)對(duì)事件定位精度為+200m，在實(shí)際應(yīng)用中還有待完善。根據(jù)每個(gè)地區(qū)的環(huán)境不同，需要長時(shí)間監(jiān)測(cè)，對(duì)已發(fā)生事件進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)不同振動(dòng)頻率的規(guī)律，形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，更高的提高定位精度和事件發(fā)生的準(zhǔn)確度。

④預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)的敏感度與光纜所處的土質(zhì)松軟程度有關(guān)。在土質(zhì)松軟地段，例如南方多雨潮濕松軟土壤尤其是沙漠地區(qū)，振動(dòng)傳遞距離短，振動(dòng)較大或者很近時(shí)才能報(bào)警，重型機(jī)械在管道上方行走才能監(jiān)測(cè)到，預(yù)警系統(tǒng)不敏感。在戈壁灘類的較硬土質(zhì)的地區(qū)，在振動(dòng)源20m外即能檢測(cè)到，其檢測(cè)敏感度尚可。

⑤當(dāng)有兩個(gè)破壞點(diǎn)同時(shí)報(bào)警，無法判斷出報(bào)警的具體位置。

⑥光纜一般在管道一側(cè)敷設(shè)，當(dāng)管道另一側(cè)發(fā)生破壞性振動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生盲區(qū)。

4 結(jié)論

油氣管道光纖預(yù)警系統(tǒng)具有利用已建光纜、用電配置低、監(jiān)測(cè)距離長等特點(diǎn)，它在新建和已建長途輸送管道上都有一定的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于管線距離長，巡檢困難，不易發(fā)現(xiàn)破壞點(diǎn)的管道上有很好的防護(hù)性。可以將傳統(tǒng)的被動(dòng)人工巡護(hù)改為線路的主動(dòng)看護(hù)，節(jié)省人力物力，降低管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)，增加搶修速度。但該技術(shù)存在誤報(bào)等不足的方面，仍需進(jìn)一步技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用。

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作者簡介：

陳慧婕（1982-），女，河北樂亭人，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司自控通信工程設(shè)計(jì)所，從事長輸管道通信設(shè)計(jì)工作。