全球有近360万公里的油气长输管道，在建管道正以数万公里的速度延伸。长输管道往往要经过复杂的地质和地域环境，受腐蚀、第三方破坏、自然灾害等因素影响，每年发生的管道事故达数千起。由于传统的检测方式均为事后检测，无法对事故做到事前预警。为此，自2003年以来，中国石油天然气管道通信电力工程总公司按照“用一代、研一代、筹一代”的思路，持续推进管道光纤安全预警研发工作，目前产品研发已进入第四代，商业和社会价值日益显现。

第三代管道光纤安全预警系统

1 管道光纤预警系统介绍

管道光纤安全预警系统基于瑞利相干检测技术，利用与管道同沟敷设的一芯光纤，通过振动对瑞利散射光相位变化的干涉检测、解调和识别，实现对管道周边破坏性事件的检测、定位与预警。单台设备监测距离最大80公里，定位精度±20米，具有事前预警能力，定位准、精度高，可及时发现对管道有威胁性的破坏事件和泄漏等意外事件，识别能力、灵敏度和抗干扰性较为突出，可及时防止安全事故的发生。该预警系统由光纤传感子系统、预警单元、预警管理终端和区域管理中心组成，形成多级网络管理模式。

2 预警系统核心技术

2.1 单芯瑞利相干检测技术

该系统利用一芯通信光纤作为传感子系统，采用瑞利相干检测技术，通过振动对瑞利散射光相位变化的干涉检测、解调和识别，实现振动事件的破坏预警和定位。与传统传感技术相比，该技术相当于在整根光缆上等间距建立多个传感单元，各传感器单元互不干扰，实现对震动信号的有效区分，定位精度20米，而且从根本上克服了振动事件并发互相干扰的问题，定位更准、抗干扰能力更强。

2.2 分布式光放大技术

发明并混合光放大技术，提高了光学信号信噪比，实现了超过80公里的监测长度。

2.3 高速信号并行处理技术

设计了8通道高速信号采集和多处理器并行处理的处理模块，每通道处理能力达1GHz。

2.4 破坏事件识别预警技术

实践中需识别的事件类型众多，不同应用现场破坏事件识别侧重点不同，信号特点也就不同。因而，在实际应用中，可将识别类型划分为机械施工、人为施工、重型车辆碾压、地质灾害等，以不断完善对风险目标的识别。

由于振动信号经土壤传播会衰减掉大量特征，降低了不同振源间的区分度，给识别带来巨大挑战。通过长达14年的持续研究，形成了一套基于SVM（支持向量机）的事件识别分类算法。经在近5000公里管道上应用，积累了不同区域和复杂环境下的识别数据，建立了完备的振动事件识别数据库，为实现事件的准确识别奠定了坚实基础。

（1）数据采集及预处理。以不同现场信号数据库为基础，对信号进行甄选并标记类型，对标记信号类型的数据进行预处理，为下一步特征提取做准备。

（2）特征提取与选择。借鉴机械振动、语音信号、仿生识别的成功经验，研究选取描述振动信号片段特征，综合涵盖时域、频域等, 进行区分度的测试、有效性排序和筛选，最后选取主要特征近20个。

（3）特征分类模型。因依靠特征取值比较不能进行有效分类，故引入了信号模式识别分类器进行事件类别区分，建立了基于多特征的SVM分类模型，实现了类型划分特征空间分界面距离的最大化，并针对多类不同预警事件分类需求，建立塔式分类结构，分层次对事件类别进行细化（如下图所示）。

3 预警系统应用优势

管道光纤安全预警系统的成熟产品现已进入第三代，技术性能不断提升，主要具有以下7大应用优势。

（1）全天候无缝隙实时监测。系统实现了实时监测与事前预警，消除了传统人工巡检的弊端，降低了巡线成本与人员安全风险。

（2）占用纤芯资源少，产品经济高效。前几代系统至少需要两根以上光纤构建传感网络，而第三代系统只需要一根光纤即可实现分布式传感与信号传输，节省了光纤资源，提高了产品的经济性。

（3）超强现场配置能力。系统可根据现场管道距离与阀室供电情况，采取40、60、80公里等多种灵活配置方式。

（4）超高定位精度。系统把光缆分为等间距的连续的多个传感单元，对沿线的振动信号和噪声进行空间区分，定位精度达到±20米。

（5）超强类型识别能力。系统经在国内外10余年的应用，积累了对硬土、淤泥、沙土地、戈壁等不同环境的基础数据，采取SVM模式识别算法建立了完备的振动事件识别数据库，可有效区分管道安全事件与非安全事件。当发生预警事件时，系统通过类型识别，事件检测能力达到100%，典型事件类型识别能力达到95%以上。

（6）超强抗干扰能力。系统可根据环境噪声，采取抑制、分段、分时设置阈值、屏蔽等方式。

（7）超灵敏监测能力。系统能检测到30米内机械施工，15米内车辆碾压，5米以内人为活动等事件。

4 预警系统应用成果

管道光纤安全预警系统自成果转化以来，已成功应用于国内外石油石化行业原油、成品油、天然气和城市燃气管道及国防光缆保护，应用里程共计5000余公里，实现经济效益逾1.5亿元。其中，国内应用遍及东北、西北、华北、华东、华中、华南、西南等区域，实现了对山区、平原、高原等各种环境各种敷设方式下不同类型管道和光缆的保护，充分证明了产品的成熟度和可靠性。

作者：张金权，现任中国石油天然气管道通信电力工程总公司副总经理、总工程师。光纤管道安全预警系统研发主要负责人，曾荣获河北省十大优秀发明者、孙越崎科技青年奖专家、中国施工企业技术创新先进个人、管道局技术专家等荣誉称号。

《管道保护》2016年第5期（总第30期）