曾科宏 李刚 邸小彪

中国石油天然气管道通信电力工程有限公司

 

摘要：介绍一种基于Ф-OTDR分布式光纤传感的管道预警系统，利用同沟敷设的光缆作为分布式振动传感器，连续实时检测管道周围的振动信号进行提前预警与定位。通过长输油气管道测试与应用效果展示，系统具有较高的灵敏度、定位精度和有效预警准确率，据此可构建“技防+人防”管道安全防护体系。

关键词：Ф-OTDR；分布式振动传感器；管道光纤预警；定位精度；有效预警准确率

 

针对管道安全监测需求，采用基于相位敏感光时域反射计（Ф-OTDR）的分布式管道光纤预警系统，利用与管道同沟敷设光缆中的一根光纤作为分布式振动传感器，连续实时对管道周围的土壤振动事件（第三方施工、人为破坏、打孔盗油、自然灾害、穿越钻探等）进行监测并提前预警与定位，以防止破坏事件发生。目前系统已经在长输油气管道、城市燃气等行业应用。本文通过统计分析北京天然气管道陕京二线实际应用情况，介绍系统性能及应用建议。

1  检测原理

分布式光纤振动传感器实时拾取管道沿线预警范围内的土壤振动信号，通过信号识别分析判断是否发生威胁管道或光缆安全的事件。系统检测原理如图 1所示。

图 1 Φ-OTDR系统原理

基于Ф-OTDR 的分布式光纤传感器利用光纤对振动敏感的特性[1-2]，当外界振动作用于传感光纤时，光纤的折射率、长度将产生微小变化，从而导致光纤内传输信号的相位变化，使得光信号强度（光强）发生改变。通过检测振动前后的光信号强度变化（差分信号），即可实现振动事件的检测，可同时并行检测多振动事件并精确定位。

2  光纤预警系统功能

管道光纤预警系统主要由安装在各阀室和站场的预警单元FU、安装在有人值守的分输站/调度中心的预警管理终端FST、区域管理终端、拉曼放大模块、传感光纤和光纤网络组成，借助现有光传输系统实现预警单元、预警管理终端、区域管理终端之间的信号及数据传输，在预警管理终端和区域管理终端还可实现多台预警单元的集中统一监控和管理，实现全程全控。

2.1  硬件系统及功能

系统硬件预警单元FU主要由电源模块、光传感模块、采集处理模块、管理模块、监控交换模块、拉曼放大模块等组成。电源模块为预警单元设备整体运行提供稳定有效的电源，电源的工作状况由其监控模块实时监控并将数据反馈到管理模块。

监控交换模块接收信号处理模块和管理模块发出的报警数据和模块状态数据，并通过网络将数据发送给预警管理终端，实现预警单元数据的集中管理和监控。

光传感模块是整个系统的核心模块，为传感系统提供稳定的光脉冲信号，将传感光纤返回的光干涉信号转换为电信号，并进行信号预处理和信号放大。

采集处理模块对检测的信号进行处理分析，判断信号类型是否来自威胁事件，并对振动事件进行检测和定位。

管理模块负责协调和控制各模块的工作，通过设定下发工作参数，控制工作顺序，使各模块协调工作；接收信号处理模块输出的数据信号, 根据报警算法来确定管道破坏事件的级别、定位、能量等。管理模块还实现各功能模块的控制、参数设置、报警生成和显示、数据上传等功能。

拉曼放大模块为传感光纤提供泵浦光，实现光脉冲信号的有效放大，提高系统监测距离。

2.2  软件系统及功能

权限管理：根据用户权限设置不同管理内容。

告警管理：根据预警事件级别实现分级控制与管理；采用GIS地图将线路信息、预警系统信息、维护管理信息等集中直观显示与管理；采用二维图与告警表格多形式多维度显示告警信息。

系统分析：结合光时域信号特征、地理环境等，对事件类型进行分析与有效识别；与高后果高风险智能视频监控系统实现联动。

历史告警管理：记录存储预警和事件，根据需要转储、备份及设置存储周期；对事件进行告警时间回放、查询等。

线路标定：结合光缆与管道地理距离的差异性，实现以管道（阴保桩、转角桩、穿越桩等）标志桩数据实现线路标定功能。

远程维护：远程对预警单元进行参数配置、程序下发以及故障诊断。

3  光纤预警系统应用

3.1  陕京二线应用案例

陕京二线安平至33#阀室管道总长约55公里，光缆长60公里。管道经过地区地貌单元以平原为主，管道穿越与并行公路多处，地形环境复杂，施工事件多，主要施工风险源为麻山药种植及挖掘。

该应用段配置1套预警单元、1套预警管理终端和1套拉曼放大模块，实现60公里试点段24小时连续实时监控（图 2）。

图 2 光纤预警系统配置示意图

3.2  预警数据统计分析

系统发布预警信息，相关人员对预警事件进行现场复核及准确性反馈，对预警数据进行审核确认。

（1）预警事件统计。经统计，2019年11月至2020年11月现场日均有效预警条数为8.89条，有效预警准确率为94.56%。结合12个月的运行数据分析，预警条数和有效预警准确率与现场施工数量及季节性有关。与同期数据对比，日预警条数由2019年11月19.33条降至 2020年11月4.7条，预警事件条数降低75.68%，有效预警准确率从92.07%提高至97.92%。

（2）预警事件类型统计。现场预警事件和类型统计如表 1 所示。

表 1 2019-11至2020-11预警事件类型统计表

通过事件复核及现场反馈，全年共发现预警事件494次，其中主要为机械施工占比72.67%（图 3），人工挖掘施工占比19.01%。表明预警能够对机械事件和人工深层次挖掘、持续性挖掘及作业计划事件进行准确预警与定位。

图 3 机械挖掘事件系统报警与现场复核示例

3.3  典型事件

2020年10月25日，预警系统持续发出告警并及时推送预警短信，收到短信的巡线员与预警人员赴预警位置现场，发现在管道标志桩K721+0.39 km、距离管道20 m处有挖掘机施工，经核实为当地人员正在机械挖掘麻山药。针对管道周边频繁的机械挖掘麻山药事件，通过系统持续采集现场事件数据，对麻山药区域实施风险等级升级管理，实现重点监控与管控，预警并复核确认机械和人工挖山药事件达68处。

3.4  应用建议

（1）分公司和作业区采取“背靠背”方式对预警事件及准确性进行共同审核确认，对重点风险源和机械作业进行重点管控。

（2)预警信息通过短信平台分级发送，实现不同层级管控，避免信息不对称现象。

（3）将已收集的第三方施工信息与预警信息进行横向对比，验证系统的各项性能指标及运行状况。

（4）结合线路环境及施工点情况，分别设置新告警点、常告警点和受控点，实现不同类型预警事件分类管理。

4  结语

实际应用结果表明，光纤预警系统在光缆正常埋深（1.2 m）时检测灵敏度较高，可以有效检测到管道周边25 m范围内的机械振动和2 m范围内的人工挖掘事件，地表定位精度达到±50 m，最大响应时间不超过1，同时并行检测多起振动事件相互不受干扰。但系统在振动事件识别、事件威胁度等级判断、农耕事件筛选识别等方面仍需提升与完善，以增强在复杂环境下的适应性，发挥有效的监测和预警作用。

 

参考文献：

[1]钟翔，赵世松，邓华夏，等.基于脉冲调制的Ф-OTDR研究综述[J]. 红外与激光工程，2020(10)：193-202.

[2]张智娟.郭文翰.基于Ф-OTDR的光纤传感技术原理及其应用现状[J].计算机工程与设计，2019(01)：12-19.

 

作者简介：曾科宏，1978年生，高级工程师，毕业于中国石油大学（华东），主要从事光纤传感及管道安全监测技术研究。联系方式：0316-2075866，tx_zengkeh@cnpc.com.cn。