袁海  刘小晖  马烨  黄鹏

西南管道公司兰州输油气分公司

摘要：选取兰州至临洮93 km管道作为试验管段，加装光纤安全预警系统，经过试验运行，通过FWS软件升级和算法与功能优化两个方面对系统进行优化，从而使周告警量和周告警类型有了显著提高，但是该系统在告警类型分析判断和有效告警率方面，还有进一步提升的空间。

关键词： 光纤；预警系统；管道保护

第三方施工导致管道失效事件约占总失效事件的22.9%，如何能及时发现威胁管道事件发生并准确定位，减少甚至杜绝因人为破坏而导致的管道事故，维护管道正常运行，给油气管道安全预警技术提出了迫切要求。

1 光纤安全系统原理

1.1 光纤振动传感系统原理

光纤振动传感是一种融合了光纤和光干涉技术，利用光纤不仅作为传输而且作为传感探测器进行微震动监测的高科技设备，是一款为特殊行业和安防场合而设计的真正本质安全的监测系统。它以光学干涉理论为依据、以非平衡马赫-泽德（Mach－Zehnder）/萨格奈克（Sagnac）的线型干涉结构为基础，通过采用光纤传感技术、计算机技术、通讯技术和现代信号处理技术等技术手段完成长距离沿线信息的检测、采集、处理和传输，利用现代信号处理技术和信息智能分析技术对各种不同的振动信息进行分析和识别（见图1）。

图1  光纤振动传感器原理

1.2 光纤振动入侵探测器信号检测原理

当外界有振动信号作用于光纤时，会引起光纤折射率的变化，进而引起光波相位的变化。待检测的振动信号主要为外界缓变压力信号和声场异常扰动信号，这两种信号实质上都是对光纤产生压力作用。当光纤受到压力作用时，其折射率变化，由折射率变化引起的光波的相位变化。

1.3 光纤振动入侵探测器定位原理

当外界振动信号作用于M—Z光纤干涉系统的两个干涉臂时，传感光分别向左右两个方向传输至探测器1和探测器2（见图2）。检测比较两组干涉光的时间差即可判断振动事件发生的位置（见图3）。

图2  光纤振动定位原理

图3  时间差计算图

2 光纤安全系统指标

2.1 国家规范（SY/T  4121-2012）

监测长度：≤60 km

检测范围：≥5m

定位精度：≤±100m

报警率： ≥95%

响应时间：≤60s

2.2 光纤探测器的主要技术参数

光纤类型：多模（短距离）、单模（远距离）

单路长距离测量时间：10 ～ 60 S

测量距离：2 ～ 35 km空间分辨率：0.5 m，

定位精度：≤1 m

测温精度：±1~±1.5 ℃

测温范围：-40~130 ℃（特殊光纤可满足超低温和超高温）

3 应用实践

西南管道公司所辖兰州至临洮管线距离93 km，全线采集GPS坐标125个，采集点涵括所有阴保桩、转角，并对穿越公路、铁路、河流、村庄等重点区域进行加密采集。管道预警系统于2016年12月全部调试完毕后投入运行。经过对全线告警数据进行收集，再与现场实际告警地点进行复验，发现存在误报较多的问题，项目部随即对管道预警系统进行优化。

3.1 系统优化

3.1.1  FWS软件升级

2017年2月对兰州、临洮两站的预警管理终端软件FWS进行了升级更新，更新后的FWS界面更加简洁，并加入全新告警筛选机制“持续时间”及“类别筛选”功能。“持续时间”指仅显示超过设定值的告警信息。“类别筛选”指仅显示已勾选的告警类型。通过对这两项功能的合理设置可以更有效的过滤非危害事件告警。

3.1.2算法与性能优化

对前期采集的告警信息、告警数据进行整理与分析，对告警数据、告警判断、告警位置进行优化。

（1）告警事件甄别优化

以采集的告警信号为蓝本结合现场实际线路信号优化告警事件及类型的甄别；主要采取现场地理位置的先验条件，再依据事件的持续时间、类型、信号能量等进行综合判断。

（2）告警事件显示优化

对FWS预警终端软件的告警信息显示做优化调整，将同一位置多次告警信息做整合处理，减少告警信息显示面板中同一位置告警多条记录的显示；主要采取信号的持续性判断，将同一位置在一定时间内的信号片断进行归纳，减少由于同一事件的多条显示；事件保留时间根据现场事件的判断设置。

（3）参数优化调整

根据系统运行的告警数据分析且同时分析光缆线路的信号变化，根据不同区域的条件设置不同的阈值；主要采取分段设置阈值；分时筛选告警事件数据。参数设置需要持续跟踪，根据季节、线路施工变化等情况进行分析调整。

3.2 优化后结果

（1）优化前后告警量对比

试验管道优化前平均周告警量530余条，优化后减少至110余条（见图4）。针对明显无管道危害事件的告警得到了有效控制。

图4  优化前后告警数据对比

（2） 优化前后告警类型对比

试验管道优化前平均周告警量中约有130余条告警类型为“未知”，优化后未知告警类型减少至20条以内（见图5）。同时告警类型匹配准确率也有了提升。

图5 告警类型优化前后对比

3.3  实践结果

目前试验管道光纤预警系统设备运行稳定，性能指标分别为：

 稳定性：系统稳定运行三个月，无任何故障发生；

 灵敏度： 15 m范围内的机械挖掘与2 m范围内的人工挖掘事件；

 定位误差：不大于100 m；

 信号响应时间：不大于1 min；

 漏报率：在数据采集与距离校正期间，没有出现漏报率；

系统有效告警条数：试运行期间，有效告警条数达到几百条；经过分析处理、筛选与合并，有效告警条数控制在50条内。

4  结语

目前试验选取的光纤预警系统在运行过程中，对事件有效告警率、告警分析等仍需进一步优化完善。

（1）有效告警率。根据季节、线路施工类型、环境干扰因素、白天与夜间信号等变化，对非破坏性的常告警点处理，对道路与过车的信号筛选等；需加强与现场巡线的结合，通过事件复核来提高有效告警率。

（2）告警分析判断。现场信号分析主要采取信号时长、频谱、峭度、占空比等多维特征来判断事件类型，告警事件主要基于持续时间、类型判断、信号阈值与位置先验等综合判断。告警分析判断仍需结合现场线路的实际情况来调整优化，系统需要结合人防+技防，通过技防来提高人防的效率，同时通过人防来有效提升系统的有效告警率。

预警系统能有效检测管道周围的土壤振动信号和判断事件的类型，但事件的威胁度主要依靠持续时间与信号类型，这需要定期采集分析数据，持续优化，不断提高系统的有效告警率，减少误报，实现对危害事件的及时发现、准确定位、有效制止，提高管道运行的安全性。

作者：袁海，男，1980年生，助理工程师，研究方向为管道保护。

《管道保护》2017年第4期（总第35期）