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管道研究

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光纤预警技术在山区管道地质灾害监测的应用

来源:《管道保护》杂志2021年第1期(总第56期) 作者:郭家瑞;王廉祥;沈建林 时间:2021-1-20 阅读:

郭家瑞 王廉祥 沈建林

国家管网集团西南管道公司昆明输油气分公司

 

 

摘  要:云南多雨山区复杂地质条件容易发生地质灾害,严重威胁管道安全运行。介绍了光纤预警技术的作用和原理,结合光纤预警系统在山区管道地质灾害监测中的应用现状,提出深化应用方案,提升光纤预警技术在山区复杂环境下的应用价值。

关键词:多雨山区;地质灾害;风险;光纤预警;精细化管理

 

昆明输油气分公司所辖管道穿越地区平均海拔2000 m, 84%以上区域是山地,高低参差、纵横起伏,地形极为复杂,管道沿线地形落差大、切断面较多;同时,云南雨季集中了约全年85%的降雨量,管道穿越大部分地区雨季降水频繁且雨量较大,容易造成管道周围山土疏松、石块松动,引发滑坡、泥石流、水毁、沉降等地质灾害,威胁管道的安全运行。其中尤以滑坡威胁最大,极易造成管道悬空甚至断裂,引发安全事故和次生环保事故。虽然在数量上地质灾害导致油气管道失效事件机率并不高,但造成的财产损失却非常巨大。

降雨是导致滑坡的重要诱发因素,长时间持续的降雨使土层趋于饱和,土体重度增加、强度降低,为滑坡准备了力学条件。分析近年国内发生的重大管道安全事故,因降雨导致滑坡引起的占有较大比例,例如贵州黔西南州晴隆“7·2”天然气管道断裂燃爆事故、湖北恩施“7·20”川气东送管道爆炸事故,都是因为持续降雨引发滑坡导致输气管道断裂而造成的。

因此探究光纤预警技术在多雨山区管道地质灾害监测的深化应用有重要意义。

1 光纤预警作用

地质灾害的常规监测方法主要有大地精密测量法、 GPS测量法、近景测量法和TDR测量法等,但均存在各自缺点。光纤传感监测技术具有监控距离长、连续分布式测量、全天候实时监测、灵敏度高、响应时间短、定位精度高、本质安全可靠、系统稳定性强等优点,运维管理简单,建设成本可控,通过与视频监控业务联动对管道沿线可疑破坏事件多维感知、综合监测、视频复核,有效提高油气管道安全运行的监管效率及风险管控能力。

基于该技术的管道光纤预警系统通过与管道同沟敷设的通信光缆作为分布式传感器,依靠其对运动、压力和振动非常敏感的特性,通过对管道上方产生的振动信号探测分析,能够有效识别人工作业、机械挖掘、重车碾压、地质灾害等事件,基于GIS地图系统直观展示管道外部风险警情信息,包括报警时间、事件位置、事件类型、事件级别、管道桩号等。

2 光纤预警技术原理

光线预警基于布里渊散射的分布式光纤传感(OTDR),散射光和入射光之间的频率差(布里渊频移)与光纤温度和应变呈线性关系,使用通信用单模光纤作为传感器,可以实现超长距离(百公里)、超高空间分辨率(厘米)和高精度的分布式应变和温度测量,特别适合大型基础设施、泥石流和山体滑坡等地质灾害监测(图 1)。

当光信号输送进光纤时,系统软件探测器会处理接收到的光信号的相位,当传感光缆受到触碰或振动的干扰时,光信号的传输模式就会发生变化(图 2)。

光纤在受到外来触碰、振动、挤压会导致形态干扰而产生光信号相位的改变。系统软件接收器对相位改变进行探测,可探测干扰的强度和类型,并对探测到的信号进行处理,判别干扰是否符合触发“事件”的条件,并对干扰对象准确定位,从而对可能造成管道破坏的外部威胁进行提前预警。

地质灾害事件发生时,会产生一定频度和特征的振动信号,也会导致传感光纤周围的岩土体变形破坏使光纤变形或破坏,基于对振动信号、时间量等特征归类分析和O T D R技术检测光纤宏弯变形或断裂破坏等,实现对典型的地质灾害事件的监测告警。

3 光纤预警应用

3.1 应用现状

分公司建立了管道光纤预警统一监控管理平台,构建了全网统一运维管理中心,达到对多区段、多管线的集中统一监控管理,初步实现了管道安全风险“监测预警可控”的管理目标。

光纤预警系统分别在安宁作业区、玉溪作业区、楚雄作业区等多条长输管道重点管段部署应用,有效预警第三方机械挖掘施工、农户人工作业施工等风险事件几十起,及时通知相关责任人赶往现场进行处置,阻止了非法施工、野蛮开挖事件的发生,保障了管道安全运行。

系统对机械挖掘、人为作业安全风险事件具备较高的监测预警能力,事件识别率、报警准确率高,但对于地质灾害事件的监测预警能力较弱,原因是现用光纤预警系统的产品规划和分析算法主要是针对防范第三方施工风险设计,需要进一步提升针对地质灾害事件的监测和判别能力。

3.2 深化应用

通过对现用监测手段的技术分析、地质灾害事件历史数据的特征研究,尝试对埋深在2米内的管道进行典型地质灾害事件监测的可行性,制定了基于对现有光纤预警系统进行算法优化和分析模型构建的技术路线,完善现有光纤预警系统对管道典型地质灾害(滑坡、泥石流、雨水冲刷)事件的感知和识别能力,联合管道光纤预警系统设备厂商,利用管道已有同沟光缆和现有光纤预警监测设备,实现对光纤预警系统的深化应用和价值提升。

(1)特征识别库建立。针对管道地质灾害事件进行数据采集和信号特征分析,确认管道地质灾害行为对应的特征参数范围,包括空间尺度、信号强度和频率,建立地质灾害事件行为样本,从而建立特征识别库(图 3)。

系统采集到管道沿线振动曲线,分析多个周期内的振动信号数量和定位信息,分析提取振动信号波形的空间尺度、强度、频率信息,将提取出的参数信息 与特征识别库比对,选出符合地质灾害事件行为样本的振动信号,对符合报警需要的振动信号进行报警显示(图 4)。

(2)模式识别特征库存储。在模式识别中对样本库中的标记信息进行监督学习,根据能量、强度、频率占比等特征值进行自动训练对比,寻找最佳分类特征得出决策树代码从而进行警情阈值的智能划分,结合时间追踪等多种自定义算法提高报警的准确度并进行分类,再将提取的环境及行为特征存储到模式识别特征库中。模式识别特征库是在系统中制作环境类别模板,对实时环境的类别模板进行存储,保存在数据库里。

初期阶段地质灾害事件信号数据量有限,模式识别系统需持续采集足够的样本信号,结合多维度特征在识别体系中通过不断对不同的环境与地质灾害事件学习,获得各类环境及事件的算法模板。

系统正式使用时,实时事件通过算法体系不断分析事件信号并调用算法模板,并根据实时环境不断地对系统可调参数进行强化学习,自动调优,达到模式识别的反馈自学习。

信号识别与事件分类流程、事件分类、增量学习机制分别如图 5、图 6、图 7所示。

        

若在使用中系统智能识别存在偏差,可以进行人工修订,对事件进行重新训练,更新数据库,从而达到尽量准确的对事件进行分析、报警目的。模式识别算法完整模型如图 8所示。

其中,分析算法的核心内容是首先对采集到的数据进行降噪预处理,然后再通过各种方法对信号进行识别分类,分类完成后根据其振动的强度、频率特征等与预先训练好的分类模型进行对比,从而得到对事件的初步分析结果。

(3)多类型事件分辨模型库优化。通过细化和优化模式识别能力,光纤预警系统内置多类型事件分辨模型库,以有效实现对人为破坏、机械破坏、重车碾压、地质灾害等安全事件以及非安全事件的精细化分类,自动匹配和判别地质灾害事件行为,非威胁事件不进行报警。

(4)高精度GIS地图数据融合。风险事件分析模块与管理平台的高精度GIS地图数据结合,在GIS地图上对地质灾害频发、易发地点进行高风险点标注,事件发生地位置、地理及附近环境情况细致呈现,便于管理人员基于地图信息作出合理判断。

GIS地图标注信息可作为辅助字段,结合事件特征识别库多维度综合评判,提升光纤预警系统对地质灾害风险事件的识别准确率。

4 结语

光纤预警技术的实时性和自动化比传统监测方法更具优势,为地质灾害监测预警带来了方便,提高了准确度。探索光纤预警技术在多雨山区管道地质灾害监测的深化应用是昆明输油气分公司贯彻落实油气长输管道建设及运行安全升级管理的实际行动,也是防范化解重大隐患风险的迫切需要。通过技术升级进行管理创新,实现管道风险精细化管理,实施精准有效治理措施,可使风险隐患全面受控,提升管道运行安全保障能力,防范遏制事故发生。

 

作者简介:郭家瑞, 1985年生,毕业于徐州空军学院, 2001年入伍从事战斗机维修工作, 2008年至今一直从事管道保护工作。联系方式:18184835454, 372370968@qq.com。

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