蔡永軍 王海明 高義 滕振恒 陶冶 莊楠 王寧 張弢甲
1國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)研究總院
2國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)
3國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司
油氣管道光纖安全預(yù)警是指利用管道同溝敷設(shè)的伴行光纜感知管道沿線的振動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警。經(jīng)過十余年的發(fā)展,該技術(shù)已經(jīng)在中俄東線、西氣東輸?shù)裙艿酪?guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷更新迭代,監(jiān)測(cè)距離、靈敏度、識(shí)別能力都在不斷提升,但是管道運(yùn)行單位理解的技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)供應(yīng)商理解的技術(shù)指標(biāo)不一致,生產(chǎn)需求和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性之間也存在一定差距。概念認(rèn)知不一致,測(cè)試、計(jì)算方法不統(tǒng)一等問題嚴(yán)重制約了技術(shù)的推廣和廣泛應(yīng)用[1-2]。
光纖振動(dòng)傳感方法眾多,目前用于長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的光纖預(yù)警技術(shù)主要為基于相位敏感型光時(shí)域反射的技術(shù)(Phase Sensitivity Optical Time Domain Reflectometry,簡(jiǎn)稱Φ-OTDR)。圖1 所示的Φ-OTDR方法采用光時(shí)域散射方法探測(cè)后向瑞利散射光的強(qiáng)度和相位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)外部擾動(dòng)探測(cè)。利用光纜沿線不同位置的光在不同時(shí)刻返回的原理,將數(shù)十千米的光纜按照空間分辨率的大小切成等間距的塊,實(shí)現(xiàn)不同位置的多事件探測(cè)及定位。
圖1 相位敏感型光時(shí)域反射儀原理Fig.1 Principle of phase sensitive optical time domain reflectometer
光纖預(yù)警系統(tǒng)核心技術(shù)指標(biāo)包括靈敏度、監(jiān)測(cè)距離、定位精度等,這些指標(biāo)與系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)及算法相關(guān),部分指標(biāo)從原理上互斥,不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)提升。
靈敏度是指系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的最小振動(dòng)強(qiáng)度,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法是對(duì)特定加速度的響應(yīng)[3]。一般以垂直管道方向上的機(jī)械挖掘或人工作業(yè)能夠檢測(cè)的最大距離表示,例如機(jī)械挖掘最大25 m,人工挖掘最大2 m。但是挖掘機(jī)的馬力、鏟斗大小、作業(yè)方式千差萬(wàn)別,難以標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)現(xiàn)。對(duì)此行標(biāo)SY/T 6827—2020 和SY/T 4121—2018 規(guī)定使用10 kg 的重物以自由落體的標(biāo)準(zhǔn)沖擊響應(yīng)方式來(lái)測(cè)定系統(tǒng)的振動(dòng)靈敏度[4]。
監(jiān)測(cè)距離是指一套設(shè)備滿足最低靈敏度要求時(shí)能夠監(jiān)測(cè)到的最大光纖長(zhǎng)度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求一般不應(yīng)小于40 km,考慮光纜質(zhì)量問題又規(guī)定動(dòng)態(tài)范圍大于10 db 的客觀指標(biāo)。在系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)距離的長(zhǎng)短與探測(cè)光能量的大小呈正比,探測(cè)光能量越大監(jiān)測(cè)距離越長(zhǎng),探測(cè)光能量是光功率和光脈沖寬度的乘積,理論上可以通過提高光功率和脈沖寬度來(lái)增加探測(cè)距離。實(shí)際上過大的光功率會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng),影響探測(cè)效果,因此通過增大光功率的方法提升監(jiān)測(cè)距離的潛力不大,實(shí)踐中一般通過增加脈沖寬度來(lái)提升探測(cè)距離[5-8]。為了進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)距離,還可以使用分布式放大和復(fù)用技術(shù),常用拉曼光纖放大器(FRA)、摻耦光纖放大器(EDFA)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離探測(cè)。據(jù)報(bào)道,通過多級(jí)放大可以實(shí)現(xiàn)120 km以上光纜的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
定位精度是指報(bào)警發(fā)生的真實(shí)位置與實(shí)際位置之間的最大誤差,是多次測(cè)試的統(tǒng)計(jì)平均值。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上,定位精度受制于光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率,三者既有區(qū)別也有聯(lián)系。
定位精度是系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試的表現(xiàn),屬于應(yīng)用端,空間分辨率主要側(cè)重光學(xué)層,采樣率側(cè)重電子層。部分廠家將采樣率等同于定位精度或者空間分辨率,既不全面也不準(zhǔn)確,單純的提高采樣頻率并不能最終提高定位精度(圖2)。
圖2 定位精度與空間分辨率的關(guān)系Fig.2 Relationship between positioning accuracy and spatial resolution
空間分辨率是指空間相鄰兩個(gè)事件能被系統(tǒng)識(shí)別并區(qū)分的最近距離,一般通過能夠空間區(qū)分的2個(gè)同時(shí)發(fā)生的振動(dòng)事件來(lái)定義。光纖預(yù)警系統(tǒng)的空間分辨率由探測(cè)光脈沖的寬度決定。
式中:Rs為空間分辨率,m;n為光纖折射率;c為光速,m/s;τ為探測(cè)光脈沖寬度,s。
從公式(1)可知,壓縮空間分辨率需要減少光脈沖寬度,但是脈沖寬度減少也減少了光能量,壓縮了監(jiān)測(cè)距離。因此系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)和空間分辨率高難以同時(shí)實(shí)現(xiàn),測(cè)得遠(yuǎn)必然精度低,需要精度高必然距離短,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景均衡選擇相關(guān)參數(shù)[9-12]。
采樣率對(duì)應(yīng)每秒采集的數(shù)據(jù)量,對(duì)基于時(shí)間定位的光纖預(yù)警系統(tǒng)來(lái)說,在一定程度上決定了定位精度。在空間分辨率以下提高采樣頻率可以提高定位精度,但是當(dāng)采樣率高于空間分辨率之后,多次采樣可能采集的是同一個(gè)采集信號(hào),再提高采樣頻率已經(jīng)沒有意義。
如果采用定位重復(fù)性來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的定位精度,那么空間分辨率差和采樣率低的系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)槎啻问录荚谕粋€(gè)空間分辨率區(qū)間內(nèi),使事件定位的重復(fù)性更高。因此,采用實(shí)際位置與真實(shí)位置的偏差,更能客觀反應(yīng)定位值與真實(shí)值的接近程度,可以避免低空間分辨率設(shè)備測(cè)評(píng)出更高的定位精度。
響應(yīng)時(shí)間一般指現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)產(chǎn)生到系統(tǒng)報(bào)警的時(shí)間。光纖預(yù)警系統(tǒng)采用光信號(hào)探測(cè)傳感段,如果探測(cè)到即報(bào)警,系統(tǒng)可以在ms 級(jí)內(nèi)完成運(yùn)算并響應(yīng)。但機(jī)械挖掘、人工挖掘等事件,不可能剛開始挖就被識(shí)別,只有持續(xù)一段時(shí)間后才能被識(shí)別和認(rèn)定,同時(shí)為了盡可能降低非威脅報(bào)警數(shù)量,減少正常的第三方活動(dòng)影響,各廠家一般都在事件持續(xù)一段時(shí)間之后再進(jìn)行預(yù)警,因此測(cè)試得到的響應(yīng)時(shí)間主要反應(yīng)廠家算法的處理效率[13-19]。
光纖預(yù)警系統(tǒng)采用報(bào)警率評(píng)價(jià)報(bào)警的準(zhǔn)確率,誤報(bào)率評(píng)價(jià)報(bào)警錯(cuò)誤率。報(bào)警率和誤報(bào)率的計(jì)算應(yīng)區(qū)分測(cè)試狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)采用不同的計(jì)算和表達(dá)方式。
在測(cè)試狀態(tài)中報(bào)警率定義為報(bào)警次數(shù)與實(shí)際測(cè)試次數(shù)的比值;運(yùn)行狀態(tài)中采用有效報(bào)警率來(lái)評(píng)價(jià)報(bào)警的準(zhǔn)確性,定義為檢測(cè)范圍內(nèi)真正發(fā)生的威脅管道安全運(yùn)行的第三方損壞事件與系統(tǒng)報(bào)警事件的比值。
誤報(bào)率在測(cè)試狀態(tài)中定義為誤報(bào)次數(shù)與測(cè)試次數(shù)的比值,運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)用中可采用次/千米·月方式來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)誤報(bào)的情況?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中因?yàn)椴荒芡耆忾]幾十千米的區(qū)段,必然會(huì)有未經(jīng)核實(shí)的第三方活動(dòng),因此運(yùn)行和測(cè)試中統(tǒng)計(jì)的誤報(bào)率會(huì)高于實(shí)際水平,一般不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)為零的情況。
系統(tǒng)的識(shí)別能力是事件發(fā)生數(shù)量與報(bào)警識(shí)別能力的比值,在系統(tǒng)識(shí)別能力一定的情況下,事件數(shù)量越多,報(bào)警數(shù)量也越多。按照公式(2)貝葉斯公式可知,同樣的識(shí)別能力,在不同先驗(yàn)概率樣本空間的條件下會(huì)有不同的結(jié)果。
按照海因里希法則,1次事故就會(huì)有29次輕微事故,300次未遂事故。管道光纖預(yù)警系統(tǒng)使用中遇到的就是在這樣的樣本空間中判斷威脅事件,1 次能夠?qū)艿涝斐赏{的機(jī)械施工,會(huì)有29次的管廊帶附近施工,300次的其他機(jī)械作業(yè),3 000次的機(jī)械通過。假設(shè)算法識(shí)別事故的識(shí)別率為99%,按照公式(2)在上述的樣本空間中,3 000次的機(jī)械通過會(huì)有30次被識(shí)別成需報(bào)警事件,300次中的3次的其他機(jī)械作業(yè)也會(huì)被識(shí)別成需報(bào)警事件,29次的管廊帶施工也會(huì)有0.29次被識(shí)別成需要報(bào)警事件。按照這樣的推斷,在只有1起待報(bào)警真實(shí)事件的情況下,會(huì)產(chǎn)生34 次報(bào)警,報(bào)警正確率不足3%。因此系統(tǒng)的報(bào)警率和誤報(bào)率與運(yùn)行環(huán)境高度相關(guān),背景越復(fù)雜誤報(bào)率越高。
實(shí)際應(yīng)用中都希望報(bào)警率越高越好、誤報(bào)率越低越好,但是這兩個(gè)指標(biāo)在物理上相互制約,不可能同時(shí)提升。報(bào)警率和誤報(bào)率是一個(gè)硬幣的兩面,高報(bào)警率和低誤報(bào)率不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn),提升報(bào)警率必然帶來(lái)誤報(bào)率的提升,兩者之間的關(guān)系一般按照?qǐng)D3 的ROC 曲 線(receiver operating characteristic curve,ROC 受試者工作特性曲線)進(jìn)行變化。實(shí)際工作中應(yīng)該合理根據(jù)需求設(shè)定相關(guān)參數(shù),使誤報(bào)率和報(bào)警率盡可能靠近原點(diǎn)。
圖3 識(shí)別能力的ROC曲線Fig.3 ROC curve of recognition ability
光纖預(yù)警測(cè)試和驗(yàn)收中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)一直存在爭(zhēng)議,主要依靠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試并提供報(bào)告,因此管道運(yùn)營(yíng)單位設(shè)備采購(gòu)時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行前置測(cè)試。從標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)驗(yàn)證的角度看室內(nèi)測(cè)試相對(duì)客觀,更容易實(shí)現(xiàn),但是只能反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)可測(cè)量振動(dòng)量值之間的關(guān)系,與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用認(rèn)知需求存在差距?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試容易理解,直接反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況,簡(jiǎn)單直觀,但是影響因素較多,很難標(biāo)準(zhǔn)化。因此必須把室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合起來(lái),綜合評(píng)價(jià)實(shí)際使用效果。
由于靈敏度和監(jiān)測(cè)距離為光學(xué)結(jié)構(gòu)本身所決定,只需要標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試環(huán)境即可測(cè)量出這兩個(gè)指標(biāo)的性能和水平,相反過于復(fù)雜的環(huán)境影響因素并不利于量化。因此,這兩個(gè)指標(biāo)適合于室內(nèi)測(cè)試。
3.1.1 靈敏度測(cè)試
參考振動(dòng)入侵探測(cè)器的靈敏度測(cè)試方法,GA1217 提出了一種光纖振動(dòng)探測(cè)器的室內(nèi)靈敏度測(cè)試方法并被石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引用。如圖4所示,采用連續(xù)落球?qū)嶒?yàn)來(lái)評(píng)價(jià)探測(cè)器的靈敏度,以有報(bào)警信號(hào)或瀑布圖上有明顯振動(dòng)信號(hào)作為判別標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 入侵報(bào)警功能測(cè)試Fig.4 Intrusion alarm function test
另外,針對(duì)SY/T 6827—2020《管道光纖預(yù)警系統(tǒng)埋地應(yīng)用需求》提出了沙箱實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法測(cè)試振動(dòng)傳感器的埋地性能,通過充填的粗顆粒土來(lái)模仿土層的緩沖作用更加反應(yīng)實(shí)際靈敏度。
3.1.2 監(jiān)測(cè)距離測(cè)試
監(jiān)測(cè)距離的測(cè)試需要同時(shí)滿足距離和響應(yīng)兩個(gè)要素,可以采用圖4的測(cè)試方法在光纜的特定距離上進(jìn)行測(cè)試,所能夠測(cè)量最低靈敏度響應(yīng)的最遠(yuǎn)距離就是系統(tǒng)的最大監(jiān)測(cè)距離,一般監(jiān)測(cè)距離取整到千米。
室外測(cè)試的激勵(lì)設(shè)備、光纜的埋深與管道的遠(yuǎn)近、土壤環(huán)境等因素對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)的影響較多,因此室外測(cè)試應(yīng)該列明所用工器具、測(cè)試環(huán)境和作業(yè)方法。
3.2.1 定位精度測(cè)試
管道運(yùn)營(yíng)通常采用地面標(biāo)志樁進(jìn)行空間定位,所有的報(bào)警點(diǎn)都是距離管道標(biāo)識(shí)的偏移距離。測(cè)試應(yīng)選擇空曠、無(wú)干擾環(huán)境進(jìn)行數(shù)次測(cè)試,之后再取平均值,測(cè)試工具推薦使用10 kg 鉛球,在一定高度進(jìn)行自由落地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)沖擊信號(hào)來(lái)模擬人工挖掘。
3.2.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試
現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試持續(xù)時(shí)間要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間,從測(cè)試開始計(jì)時(shí),測(cè)試時(shí)間到達(dá)系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間后,觀察系統(tǒng)有無(wú)報(bào)警產(chǎn)生。響應(yīng)時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)短通常跟現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜度和用戶方要求有關(guān),且人工挖掘響應(yīng)時(shí)間和機(jī)械挖掘響應(yīng)時(shí)間設(shè)置可以不同,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)即通過。一般采用挖掘機(jī)在垂直與管道5 m處采用鏟斗夯擊地面,作業(yè)不少于5 次,作業(yè)持續(xù)30 s,從作業(yè)開始到系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)之間的時(shí)間間隔就是響應(yīng)時(shí)間。
3.2.3 報(bào)警率和誤報(bào)率
如果分開考核報(bào)警率和漏報(bào)率的測(cè)試方法,可能出現(xiàn)技術(shù)提供商報(bào)警率測(cè)試(靈敏度測(cè)試)時(shí)采用一種參數(shù)設(shè)置,而誤報(bào)率測(cè)試時(shí)采用另外一種參數(shù)設(shè)置的可能。因此可以采取混合測(cè)試的方法,在指定日期段進(jìn)行封機(jī)測(cè)試,同時(shí)考核報(bào)警率和誤報(bào)率,測(cè)試時(shí)實(shí)時(shí)復(fù)核報(bào)警結(jié)果,將所有的主動(dòng)測(cè)試報(bào)警和核實(shí)事件排除之后的報(bào)警作為誤報(bào)警次數(shù)。
管道光纖預(yù)警系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用,成為油氣管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置,還需在以下三個(gè)方面進(jìn)一步統(tǒng)一認(rèn)識(shí)、明確技術(shù)定位,提升識(shí)別能力。
(1)統(tǒng)一對(duì)報(bào)警事件認(rèn)識(shí)。光纖預(yù)警系統(tǒng)靈敏度較高,能夠?qū)崿F(xiàn)全線的分布式振動(dòng)測(cè)量,這些振動(dòng)信號(hào)大部分不會(huì)對(duì)管道的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響,如何定義需要報(bào)警的事件需要統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。比如“管道10 m以外的機(jī)械作業(yè)應(yīng)不應(yīng)該報(bào)警”。有的運(yùn)營(yíng)單位認(rèn)為這已經(jīng)在5 m的管廊帶以外了,不用報(bào)警,都算誤報(bào)。有的運(yùn)營(yíng)單位認(rèn)為機(jī)械挖掘很快,30 m 之內(nèi)的機(jī)械挖掘都應(yīng)該監(jiān)控。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到光纖振動(dòng)預(yù)警技術(shù)作為一種預(yù)警手段,預(yù)警信息不代表事故發(fā)生,只是管道受破壞風(fēng)險(xiǎn)提高的提示。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該統(tǒng)一將管廊帶附近的第三方機(jī)械挖掘活動(dòng)都作為潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行報(bào)警提示,未遂事件和事故都作為應(yīng)報(bào)警事件,而不是沒出事就是誤報(bào)。對(duì)于報(bào)警的信息,可根據(jù)高后果區(qū)類型、人為活動(dòng)強(qiáng)度、報(bào)警時(shí)段等進(jìn)行分級(jí)管理,減少需要現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)的工作強(qiáng)度。
(2)建立通用的識(shí)別樣本庫(kù)。事件識(shí)別能力的提升依賴于樣本數(shù)據(jù)庫(kù)積累,由于各個(gè)廠家都按照自己的規(guī)范開發(fā)系統(tǒng),數(shù)據(jù)采樣率,數(shù)據(jù)格式互不兼容。不同廠家采集的樣本無(wú)法復(fù)用,制約了全行業(yè)識(shí)別能力的提高。建議統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式,規(guī)范化樣本標(biāo)注方式,通過機(jī)器學(xué)習(xí)提升全行業(yè)識(shí)別能力。
(3)明確技防系統(tǒng)的定位。光纖預(yù)警的作用主要是振動(dòng)探測(cè),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中應(yīng)該將光纖預(yù)警系統(tǒng)定位為人防和物防的提高和補(bǔ)充,作為一種24 h的管道沿線振動(dòng)監(jiān)控工具,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)第三方活動(dòng)高發(fā)區(qū)進(jìn)行按需巡線。應(yīng)用中以現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)來(lái)評(píng)價(jià)是否誤報(bào),運(yùn)營(yíng)中存在系統(tǒng)報(bào)警趕到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)作業(yè)已經(jīng)停止,沒有發(fā)現(xiàn)的情況,造成誤報(bào)率偏高。對(duì)于系統(tǒng)報(bào)警應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行二次判斷,實(shí)踐中可以將光纖預(yù)警的報(bào)警信息與高后果區(qū)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合,利用智能視頻對(duì)光纖預(yù)警信息進(jìn)行復(fù)核,對(duì)有人為活動(dòng)主體的報(bào)警才進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),進(jìn)一步降低人工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核的勞動(dòng)強(qiáng)度[20]。
因?yàn)樾袠I(yè)一直沒有CMA/CNAS等行業(yè)認(rèn)可的測(cè)試機(jī)構(gòu),技術(shù)提供商宣稱的技術(shù)指標(biāo)種類繁多,目前各管道運(yùn)營(yíng)商都開展采購(gòu)前的前置測(cè)試,用以確認(rèn)技術(shù)提供商的技術(shù)能力和產(chǎn)品性能。因此需要建立公允測(cè)試方法,推動(dòng)專門的技防測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的建立,有針對(duì)性地培育專門的測(cè)試機(jī)構(gòu),建立專門測(cè)試平臺(tái),推薦專門的試驗(yàn)管道和典型環(huán)境,給出相對(duì)可信的室內(nèi)測(cè)試報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告,便于各個(gè)廠家的技術(shù)指標(biāo)處在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行對(duì)比。