張 濤

（中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司，烏魯木齊 830000）

本文介紹了該技術(shù)在管道安全預(yù)警的應(yīng)用，利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜其中的一芯作為分布式振動(dòng)傳感器，對(duì)管道沿線的土壤振動(dòng)情況進(jìn)行長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)管道沿線土壤振動(dòng)信號(hào)的智能分析，判斷威脅管道安全的破壞事件，系統(tǒng)可以對(duì)以管道為中心的人工挖掘5m，機(jī)械挖掘20米范圍內(nèi)進(jìn)行定位，定位精度達(dá)20m。

1 工作原理

分布式瑞利散射光纖預(yù)警技術(shù)基于相位型光時(shí)域反射技術(shù)（φ-OTDR），也是基于OTDR原理。與常規(guī)OTDR一樣，光脈沖從光纖的一端注入，用光探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光，不同的是注入光纖中的光是強(qiáng)相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來(lái)的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。與常規(guī)OTDR一樣，φ-OTDR通過(guò)測(cè)量注入脈沖與接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲來(lái)得到擾動(dòng)的位置。當(dāng)光纖線路上由于入侵而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)位置光纖的折射率及長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該位置光相位的變化。因?yàn)槿肭治恢玫纳⑸涔鈧鬏數(shù)教綔y(cè)器經(jīng)歷的是周期的相位變化，因此，最終干涉的結(jié)果將會(huì)發(fā)生變化，并與入侵的位置相對(duì)應(yīng)。

圖1 分布式瑞利散射光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

探測(cè)光脈沖從光纖的一端注入傳感光纖，由于所用的光源線寬很窄，注入光纖中的光是高度相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來(lái)的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量注入脈沖時(shí)間與接收到信號(hào)之間的時(shí)間延遲來(lái)得到傳感的位置信息。

式中，z為距離；c是真空中的光速；n為光纖的折射率。

2 管道的應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果

2.1 應(yīng)用環(huán)境

分布式瑞利散射光纖預(yù)警系統(tǒng)安裝于西部管道公司烏魯木齊壓氣站，所監(jiān)測(cè)線路為西部管道烏蘭線51#樁（烏魯木齊壓氣站東北角）到烏蘭線0#樁（王家溝油庫(kù)）。經(jīng)查勘當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境，烏蘭線51#樁（烏魯木齊壓氣站）到烏蘭雙線0#樁（王家溝油庫(kù)）區(qū)段，管線所處地質(zhì)多為戈壁灘地質(zhì)，砂石結(jié)合，且有一定的硬度，僅有部分區(qū)段的所處地質(zhì)為蓬松土壤層；由于線路較長(zhǎng)（光纖長(zhǎng)度56km），沿線上有較多不同等級(jí)的公路跨越管線，部分區(qū)段經(jīng)過(guò)采石場(chǎng)，還有部分區(qū)段跨越荒山，較少的區(qū)段處于市郊村莊。在此監(jiān)測(cè)區(qū)段內(nèi)，烏蘭線42-36#樁沿線附近目前（2017年9、10月份）在修建高速公路，因此過(guò)往大車(chē)多而且頻繁。在烏蘭線32-29#區(qū)段，管線靠近采石場(chǎng)，且管線與卡車(chē)經(jīng)過(guò)路線平行（相距不足5m），在特定時(shí)段容易對(duì)監(jiān)測(cè)線路的監(jiān)測(cè)環(huán)境造成一定影響。

管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)具有人工智能識(shí)別能力，系統(tǒng)安裝后，先進(jìn)入自學(xué)習(xí)階段，對(duì)于信號(hào)采用人工干預(yù)的方式進(jìn)行自學(xué)習(xí)，依據(jù)人工判斷事件的原則，系統(tǒng)會(huì)形成自動(dòng)模式識(shí)別，之后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別。系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)的振動(dòng)事件如鐵路穿越點(diǎn)火車(chē)經(jīng)過(guò)對(duì)地面沖擊的振動(dòng)信號(hào)作為常規(guī)信號(hào)提示，對(duì)非常規(guī)信號(hào)如高鐵施工、河道改造則報(bào)警，對(duì)異常信號(hào)在人工學(xué)習(xí)階段沒(méi)有碰到的信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，之后依據(jù)人工處理的原則，系統(tǒng)會(huì)在再次遇到該類(lèi)信號(hào)時(shí)做相應(yīng)的判斷。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

2.2.1 挖掘測(cè)試

圖2為4#樁做機(jī)械挖掘測(cè)試數(shù)據(jù)。在安靜條件下，噪音相對(duì)強(qiáng)度為±8，挖掘信號(hào)，最高可達(dá)175，信噪比達(dá)13.4dB。

圖2 4#樁處機(jī)械挖掘數(shù)據(jù)

2.2.2 定位精度測(cè)試

每次測(cè)試選擇光纜鏈路上的一個(gè)位置，采用人工挖掘作為激勵(lì)行為。統(tǒng)計(jì)分析多次激勵(lì)行為的報(bào)警點(diǎn)位的重復(fù)性可以評(píng)估系統(tǒng)的定位精度。從表1可以看出該系統(tǒng)定位精度±10米以內(nèi)。

表1 定位精度測(cè)試

2.2.3 響應(yīng)范圍測(cè)試

挖掘作業(yè)響應(yīng)范圍測(cè)試：選取測(cè)試點(diǎn)，距離傳感光纜正上方水平1米開(kāi)始，通過(guò)人挖掘（持續(xù)60s）進(jìn)行測(cè)試，若系統(tǒng)報(bào)警，則沿垂直管線方向向外側(cè)移動(dòng)，直到無(wú)響應(yīng)，最后響應(yīng)位置即為系統(tǒng)預(yù)警范圍。若采用中型挖掘機(jī)挖掘，距離傳感光纜正上方水平10米開(kāi)始測(cè)試?？梢钥闯?，人工挖掘響應(yīng)范圍大于5米。機(jī)械挖掘響應(yīng)范圍大于20米。

表2 定響應(yīng)范圍測(cè)試

1 34 18 人工挖掘3 34 23 人工挖掘5 34 25 人工挖掘2 34 1 50 20 人工挖掘3 50 28 人工挖掘5 50 36 人工挖掘3 50 10 34 13 機(jī)械挖掘15 34 11 機(jī)械挖掘20 34 15 機(jī)械挖掘4 34 10 5 50 50 12 機(jī)械挖掘15 50 12 機(jī)械挖掘20 50 11 機(jī)械挖掘

2.2.4 第三方活動(dòng)行為的模式識(shí)別能力

選擇一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別進(jìn)行挖掘激勵(lì)，記錄系統(tǒng)輸出信息。從表3可以看出，本系統(tǒng)識(shí)別挖掘行為為100%。

表3 模式識(shí)別測(cè)試

8 34 34 機(jī)械挖掘 機(jī)械挖掘9 49 49 機(jī)械挖掘 機(jī)械挖掘10 50 50 機(jī)械挖掘 機(jī)械挖掘

3 結(jié)束語(yǔ)

管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)ρ鼐€的大小事件做到實(shí)時(shí)監(jiān)視和精確定位。人工挖掘響應(yīng)范圍5米，機(jī)械挖掘響應(yīng)范圍為20米，可以識(shí)別常見(jiàn)入侵行為。管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)將傳統(tǒng)的被動(dòng)人工巡護(hù)改為線路的主動(dòng)看護(hù)節(jié)省人力物力，降低管道被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。