油氣管道光纖預(yù)警系統(tǒng)性能評價方法辨析*

蔡永軍 王海明 高義 滕振恒 陶冶 莊楠 王寧 張弢甲

1國家管網(wǎng)集團研究總院

2國家石油天然氣管網(wǎng)集團

3國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司

油氣管道光纖安全預(yù)警是指利用管道同溝敷設(shè)的伴行光纜感知管道沿線的振動信號，實現(xiàn)對第三方破壞監(jiān)測預(yù)警。經(jīng)過十余年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在中俄東線、西氣東輸?shù)裙艿酪?guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷更新迭代，監(jiān)測距離、靈敏度、識別能力都在不斷提升，但是管道運行單位理解的技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)供應(yīng)商理解的技術(shù)指標(biāo)不一致，生產(chǎn)需求和技術(shù)可實現(xiàn)性之間也存在一定差距。概念認知不一致，測試、計算方法不統(tǒng)一等問題嚴重制約了技術(shù)的推廣和廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 光纖預(yù)警技術(shù)原理

光纖振動傳感方法眾多，目前用于長距離監(jiān)測的光纖預(yù)警技術(shù)主要為基于相位敏感型光時域反射的技術(shù)（Phase Sensitivity Optical Time Domain Reflectometry，簡稱Φ-OTDR）。圖1 所示的Φ-OTDR方法采用光時域散射方法探測后向瑞利散射光的強度和相位變化來實現(xiàn)外部擾動探測。利用光纜沿線不同位置的光在不同時刻返回的原理，將數(shù)十千米的光纜按照空間分辨率的大小切成等間距的塊，實現(xiàn)不同位置的多事件探測及定位。

圖1 相位敏感型光時域反射儀原理Fig.1 Principle of phase sensitive optical time domain reflectometer

2 技術(shù)指標(biāo)影響分析

光纖預(yù)警系統(tǒng)核心技術(shù)指標(biāo)包括靈敏度、監(jiān)測距離、定位精度等，這些指標(biāo)與系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)及算法相關(guān)，部分指標(biāo)從原理上互斥，不能同時實現(xiàn)提升。

2.1 靈敏度

靈敏度是指系統(tǒng)能夠檢測到的最小振動強度，標(biāo)準(zhǔn)測試方法是對特定加速度的響應(yīng)[3]。一般以垂直管道方向上的機械挖掘或人工作業(yè)能夠檢測的最大距離表示，例如機械挖掘最大25 m，人工挖掘最大2 m。但是挖掘機的馬力、鏟斗大小、作業(yè)方式千差萬別，難以標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)現(xiàn)。對此行標(biāo)SY/T 6827—2020 和SY/T 4121—2018 規(guī)定使用10 kg 的重物以自由落體的標(biāo)準(zhǔn)沖擊響應(yīng)方式來測定系統(tǒng)的振動靈敏度[4]。

2.2 監(jiān)測距離

監(jiān)測距離是指一套設(shè)備滿足最低靈敏度要求時能夠監(jiān)測到的最大光纖長度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求一般不應(yīng)小于40 km，考慮光纜質(zhì)量問題又規(guī)定動態(tài)范圍大于10 db 的客觀指標(biāo)。在系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測距離的長短與探測光能量的大小呈正比，探測光能量越大監(jiān)測距離越長，探測光能量是光功率和光脈沖寬度的乘積，理論上可以通過提高光功率和脈沖寬度來增加探測距離。實際上過大的光功率會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，影響探測效果，因此通過增大光功率的方法提升監(jiān)測距離的潛力不大，實踐中一般通過增加脈沖寬度來提升探測距離[5-8]。為了進一步提高監(jiān)測距離，還可以使用分布式放大和復(fù)用技術(shù)，常用拉曼光纖放大器（FRA）、摻耦光纖放大器（EDFA）實現(xiàn)長距離探測。據(jù)報道，通過多級放大可以實現(xiàn)120 km以上光纜的振動監(jiān)測。

2.3 定位精度

定位精度是指報警發(fā)生的真實位置與實際位置之間的最大誤差，是多次測試的統(tǒng)計平均值。在系統(tǒng)實現(xiàn)上，定位精度受制于光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率，三者既有區(qū)別也有聯(lián)系。

定位精度是系統(tǒng)實際測試的表現(xiàn)，屬于應(yīng)用端，空間分辨率主要側(cè)重光學(xué)層，采樣率側(cè)重電子層。部分廠家將采樣率等同于定位精度或者空間分辨率，既不全面也不準(zhǔn)確，單純的提高采樣頻率并不能最終提高定位精度（圖2）。

圖2 定位精度與空間分辨率的關(guān)系Fig.2 Relationship between positioning accuracy and spatial resolution

空間分辨率是指空間相鄰兩個事件能被系統(tǒng)識別并區(qū)分的最近距離，一般通過能夠空間區(qū)分的2個同時發(fā)生的振動事件來定義。光纖預(yù)警系統(tǒng)的空間分辨率由探測光脈沖的寬度決定。

式中：Rs為空間分辨率，m；n為光纖折射率；c為光速，m/s；τ為探測光脈沖寬度，s。

從公式（1）可知，壓縮空間分辨率需要減少光脈沖寬度，但是脈沖寬度減少也減少了光能量，壓縮了監(jiān)測距離。因此系統(tǒng)的監(jiān)測距離長和空間分辨率高難以同時實現(xiàn)，測得遠必然精度低，需要精度高必然距離短，實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實際場景均衡選擇相關(guān)參數(shù)[9-12]。

采樣率對應(yīng)每秒采集的數(shù)據(jù)量，對基于時間定位的光纖預(yù)警系統(tǒng)來說，在一定程度上決定了定位精度。在空間分辨率以下提高采樣頻率可以提高定位精度，但是當(dāng)采樣率高于空間分辨率之后，多次采樣可能采集的是同一個采集信號，再提高采樣頻率已經(jīng)沒有意義。

如果采用定位重復(fù)性來評價系統(tǒng)的定位精度，那么空間分辨率差和采樣率低的系統(tǒng)可能會因為多次事件都在同一個空間分辨率區(qū)間內(nèi)，使事件定位的重復(fù)性更高。因此，采用實際位置與真實位置的偏差，更能客觀反應(yīng)定位值與真實值的接近程度，可以避免低空間分辨率設(shè)備測評出更高的定位精度。

2.4 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間一般指現(xiàn)場振動產(chǎn)生到系統(tǒng)報警的時間。光纖預(yù)警系統(tǒng)采用光信號探測傳感段，如果探測到即報警，系統(tǒng)可以在ms 級內(nèi)完成運算并響應(yīng)。但機械挖掘、人工挖掘等事件，不可能剛開始挖就被識別，只有持續(xù)一段時間后才能被識別和認定，同時為了盡可能降低非威脅報警數(shù)量，減少正常的第三方活動影響，各廠家一般都在事件持續(xù)一段時間之后再進行預(yù)警，因此測試得到的響應(yīng)時間主要反應(yīng)廠家算法的處理效率[13-19]。

2.5 報警率和誤報率

光纖預(yù)警系統(tǒng)采用報警率評價報警的準(zhǔn)確率，誤報率評價報警錯誤率。報警率和誤報率的計算應(yīng)區(qū)分測試狀態(tài)和運行狀態(tài)采用不同的計算和表達方式。

在測試狀態(tài)中報警率定義為報警次數(shù)與實際測試次數(shù)的比值；運行狀態(tài)中采用有效報警率來評價報警的準(zhǔn)確性，定義為檢測范圍內(nèi)真正發(fā)生的威脅管道安全運行的第三方損壞事件與系統(tǒng)報警事件的比值。

誤報率在測試狀態(tài)中定義為誤報次數(shù)與測試次數(shù)的比值，運行狀態(tài)應(yīng)用中可采用次/千米·月方式來評價系統(tǒng)誤報的情況。現(xiàn)場測試中因為不能完全封閉幾十千米的區(qū)段，必然會有未經(jīng)核實的第三方活動，因此運行和測試中統(tǒng)計的誤報率會高于實際水平，一般不會出現(xiàn)誤報為零的情況。

系統(tǒng)的識別能力是事件發(fā)生數(shù)量與報警識別能力的比值，在系統(tǒng)識別能力一定的情況下，事件數(shù)量越多，報警數(shù)量也越多。按照公式（2）貝葉斯公式可知，同樣的識別能力，在不同先驗概率樣本空間的條件下會有不同的結(jié)果。

按照海因里希法則，1次事故就會有29次輕微事故，300次未遂事故。管道光纖預(yù)警系統(tǒng)使用中遇到的就是在這樣的樣本空間中判斷威脅事件，1 次能夠?qū)艿涝斐赏{的機械施工，會有29次的管廊帶附近施工，300次的其他機械作業(yè)，3 000次的機械通過。假設(shè)算法識別事故的識別率為99%，按照公式（2）在上述的樣本空間中，3 000次的機械通過會有30次被識別成需報警事件，300次中的3次的其他機械作業(yè)也會被識別成需報警事件，29次的管廊帶施工也會有0.29次被識別成需要報警事件。按照這樣的推斷，在只有1起待報警真實事件的情況下，會產(chǎn)生34 次報警，報警正確率不足3%。因此系統(tǒng)的報警率和誤報率與運行環(huán)境高度相關(guān)，背景越復(fù)雜誤報率越高。

實際應(yīng)用中都希望報警率越高越好、誤報率越低越好，但是這兩個指標(biāo)在物理上相互制約，不可能同時提升。報警率和誤報率是一個硬幣的兩面，高報警率和低誤報率不可能同時實現(xiàn)，提升報警率必然帶來誤報率的提升，兩者之間的關(guān)系一般按照圖3 的ROC 曲 線（receiver operating characteristic curve，ROC 受試者工作特性曲線）進行變化。實際工作中應(yīng)該合理根據(jù)需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)，使誤報率和報警率盡可能靠近原點。

圖3 識別能力的ROC曲線Fig.3 ROC curve of recognition ability

3 測試方法

光纖預(yù)警測試和驗收中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的評價一直存在爭議，主要依靠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行測試并提供報告，因此管道運營單位設(shè)備采購時經(jīng)常需要進行前置測試。從標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)驗證的角度看室內(nèi)測試相對客觀，更容易實現(xiàn)，但是只能反應(yīng)系統(tǒng)對可測量振動量值之間的關(guān)系，與現(xiàn)場應(yīng)用認知需求存在差距。現(xiàn)場測試容易理解，直接反應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用情況，簡單直觀，但是影響因素較多，很難標(biāo)準(zhǔn)化。因此必須把室內(nèi)和現(xiàn)場測試結(jié)合起來，綜合評價實際使用效果。

3.1 室內(nèi)測試

由于靈敏度和監(jiān)測距離為光學(xué)結(jié)構(gòu)本身所決定，只需要標(biāo)準(zhǔn)化測試環(huán)境即可測量出這兩個指標(biāo)的性能和水平，相反過于復(fù)雜的環(huán)境影響因素并不利于量化。因此，這兩個指標(biāo)適合于室內(nèi)測試。

3.1.1 靈敏度測試

參考振動入侵探測器的靈敏度測試方法，GA1217 提出了一種光纖振動探測器的室內(nèi)靈敏度測試方法并被石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引用。如圖4所示，采用連續(xù)落球?qū)嶒瀬碓u價探測器的靈敏度，以有報警信號或瀑布圖上有明顯振動信號作為判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 入侵報警功能測試Fig.4 Intrusion alarm function test

另外，針對SY/T 6827—2020《管道光纖預(yù)警系統(tǒng)埋地應(yīng)用需求》提出了沙箱實驗測試方法測試振動傳感器的埋地性能，通過充填的粗顆粒土來模仿土層的緩沖作用更加反應(yīng)實際靈敏度。

3.1.2 監(jiān)測距離測試

監(jiān)測距離的測試需要同時滿足距離和響應(yīng)兩個要素，可以采用圖4的測試方法在光纜的特定距離上進行測試，所能夠測量最低靈敏度響應(yīng)的最遠距離就是系統(tǒng)的最大監(jiān)測距離，一般監(jiān)測距離取整到千米。

3.2 室外測試

室外測試的激勵設(shè)備、光纜的埋深與管道的遠近、土壤環(huán)境等因素對激勵和響應(yīng)的影響較多，因此室外測試應(yīng)該列明所用工器具、測試環(huán)境和作業(yè)方法。

3.2.1 定位精度測試

管道運營通常采用地面標(biāo)志樁進行空間定位，所有的報警點都是距離管道標(biāo)識的偏移距離。測試應(yīng)選擇空曠、無干擾環(huán)境進行數(shù)次測試，之后再取平均值，測試工具推薦使用10 kg 鉛球，在一定高度進行自由落地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動沖擊信號來模擬人工挖掘。

3.2.2 響應(yīng)時間測試

現(xiàn)場模擬測試持續(xù)時間要遠大于系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時間，從測試開始計時，測試時間到達系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時間后，觀察系統(tǒng)有無報警產(chǎn)生。響應(yīng)時間設(shè)置長短通常跟現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜度和用戶方要求有關(guān)，且人工挖掘響應(yīng)時間和機械挖掘響應(yīng)時間設(shè)置可以不同，在規(guī)定時間內(nèi)響應(yīng)即通過。一般采用挖掘機在垂直與管道5 m處采用鏟斗夯擊地面，作業(yè)不少于5 次，作業(yè)持續(xù)30 s，從作業(yè)開始到系統(tǒng)報警響應(yīng)之間的時間間隔就是響應(yīng)時間。

3.2.3 報警率和誤報率

如果分開考核報警率和漏報率的測試方法，可能出現(xiàn)技術(shù)提供商報警率測試（靈敏度測試）時采用一種參數(shù)設(shè)置，而誤報率測試時采用另外一種參數(shù)設(shè)置的可能。因此可以采取混合測試的方法，在指定日期段進行封機測試，同時考核報警率和誤報率，測試時實時復(fù)核報警結(jié)果，將所有的主動測試報警和核實事件排除之后的報警作為誤報警次數(shù)。

4 技術(shù)應(yīng)用展望

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)要實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，成為油氣管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，還需在以下三個方面進一步統(tǒng)一認識、明確技術(shù)定位，提升識別能力。

（1）統(tǒng)一對報警事件認識。光纖預(yù)警系統(tǒng)靈敏度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)全線的分布式振動測量，這些振動信號大部分不會對管道的運營產(chǎn)生影響，如何定義需要報警的事件需要統(tǒng)一認識。比如“管道10 m以外的機械作業(yè)應(yīng)不應(yīng)該報警”。有的運營單位認為這已經(jīng)在5 m的管廊帶以外了，不用報警，都算誤報。有的運營單位認為機械挖掘很快，30 m 之內(nèi)的機械挖掘都應(yīng)該監(jiān)控。應(yīng)該認識到光纖振動預(yù)警技術(shù)作為一種預(yù)警手段，預(yù)警信息不代表事故發(fā)生，只是管道受破壞風(fēng)險提高的提示。實際應(yīng)用中應(yīng)該統(tǒng)一將管廊帶附近的第三方機械挖掘活動都作為潛在的風(fēng)險隱患進行報警提示，未遂事件和事故都作為應(yīng)報警事件，而不是沒出事就是誤報。對于報警的信息，可根據(jù)高后果區(qū)類型、人為活動強度、報警時段等進行分級管理，減少需要現(xiàn)場確認的工作強度。

（2）建立通用的識別樣本庫。事件識別能力的提升依賴于樣本數(shù)據(jù)庫積累，由于各個廠家都按照自己的規(guī)范開發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣率，數(shù)據(jù)格式互不兼容。不同廠家采集的樣本無法復(fù)用，制約了全行業(yè)識別能力的提高。建議統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，規(guī)范化樣本標(biāo)注方式，通過機器學(xué)習(xí)提升全行業(yè)識別能力。

（3）明確技防系統(tǒng)的定位。光纖預(yù)警的作用主要是振動探測，現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)該將光纖預(yù)警系統(tǒng)定位為人防和物防的提高和補充，作為一種24 h的管道沿線振動監(jiān)控工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對第三方活動高發(fā)區(qū)進行按需巡線。應(yīng)用中以現(xiàn)場核實來評價是否誤報，運營中存在系統(tǒng)報警趕到現(xiàn)場時作業(yè)已經(jīng)停止，沒有發(fā)現(xiàn)的情況，造成誤報率偏高。對于系統(tǒng)報警應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、持續(xù)時間等進行二次判斷，實踐中可以將光纖預(yù)警的報警信息與高后果區(qū)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行復(fù)合，利用智能視頻對光纖預(yù)警信息進行復(fù)核，對有人為活動主體的報警才進行人工現(xiàn)場確認，進一步降低人工現(xiàn)場復(fù)核的勞動強度[20]。

5 結(jié)束語

因為行業(yè)一直沒有CMA/CNAS等行業(yè)認可的測試機構(gòu)，技術(shù)提供商宣稱的技術(shù)指標(biāo)種類繁多，目前各管道運營商都開展采購前的前置測試，用以確認技術(shù)提供商的技術(shù)能力和產(chǎn)品性能。因此需要建立公允測試方法，推動專門的技防測試標(biāo)準(zhǔn)的建立，有針對性地培育專門的測試機構(gòu)，建立專門測試平臺，推薦專門的試驗管道和典型環(huán)境，給出相對可信的室內(nèi)測試報告和現(xiàn)場測試報告，便于各個廠家的技術(shù)指標(biāo)處在同一基準(zhǔn)下進行對比。