全球有近360萬(wàn)公里的油氣長(cháng)輸管道，在建管道正以數萬(wàn)公里的速度延伸。長(cháng)輸管道往往要經(jīng)過(guò)復雜的地質(zhì)和地域環(huán)境，受腐蝕、第三方破壞、自然災害等因素影響，每年發(fā)生的管道事故達數千起。由于傳統的檢測方式均為事后檢測，無(wú)法對事故做到事前預警。為此，自2003年以來(lái)，中國石油天然氣管道通信電力工程總公司按照“用一代、研一代、籌一代”的思路，持續推進(jìn)管道光纖安全預警研發(fā)工作，目前產(chǎn)品研發(fā)已進(jìn)入第四代，商業(yè)和社會(huì )價(jià)值日益顯現。

第三代管道光纖安全預警系統

1 管道光纖預警系統介紹

管道光纖安全預警系統基于瑞利相干檢測技術(shù)，利用與管道同溝敷設的一芯光纖，通過(guò)振動(dòng)對瑞利散射光相位變化的干涉檢測、解調和識別，實(shí)現對管道周邊破壞性事件的檢測、定位與預警。單臺設備監測距離最大80公里，定位精度±20米，具有事前預警能力，定位準、精度高，可及時(shí)發(fā)現對管道有威脅性的破壞事件和泄漏等意外事件，識別能力、靈敏度和抗干擾性較為突出，可及時(shí)防止安全事故的發(fā)生。該預警系統由光纖傳感子系統、預警單元、預警管理終端和區域管理中心組成，形成多級網(wǎng)絡(luò )管理模式。

2 預警系統核心技術(shù)

2.1 單芯瑞利相干檢測技術(shù)

該系統利用一芯通信光纖作為傳感子系統，采用瑞利相干檢測技術(shù)，通過(guò)振動(dòng)對瑞利散射光相位變化的干涉檢測、解調和識別，實(shí)現振動(dòng)事件的破壞預警和定位。與傳統傳感技術(shù)相比，該技術(shù)相當于在整根光纜上等間距建立多個(gè)傳感單元，各傳感器單元互不干擾，實(shí)現對震動(dòng)信號的有效區分，定位精度20米，而且從根本上克服了振動(dòng)事件并發(fā)互相干擾的問(wèn)題，定位更準、抗干擾能力更強。

2.2 分布式光放大技術(shù)

發(fā)明并混合光放大技術(shù)，提高了光學(xué)信號信噪比，實(shí)現了超過(guò)80公里的監測長(cháng)度。

2.3 高速信號并行處理技術(shù)

設計了8通道高速信號采集和多處理器并行處理的處理模塊，每通道處理能力達1GHz。

2.4 破壞事件識別預警技術(shù)

實(shí)踐中需識別的事件類(lèi)型眾多，不同應用現場(chǎng)破壞事件識別側重點(diǎn)不同，信號特點(diǎn)也就不同。因而，在實(shí)際應用中，可將識別類(lèi)型劃分為機械施工、人為施工、重型車(chē)輛碾壓、地質(zhì)災害等，以不斷完善對風(fēng)險目標的識別。

由于振動(dòng)信號經(jīng)土壤傳播會(huì )衰減掉大量特征，降低了不同振源間的區分度，給識別帶來(lái)巨大挑戰。通過(guò)長(cháng)達14年的持續研究，形成了一套基于SVM（支持向量機）的事件識別分類(lèi)算法。經(jīng)在近5000公里管道上應用，積累了不同區域和復雜環(huán)境下的識別數據，建立了完備的振動(dòng)事件識別數據庫，為實(shí)現事件的準確識別奠定了堅實(shí)基礎。

（1）數據采集及預處理。以不同現場(chǎng)信號數據庫為基礎，對信號進(jìn)行甄選并標記類(lèi)型，對標記信號類(lèi)型的數據進(jìn)行預處理，為下一步特征提取做準備。

（2）特征提取與選擇。借鑒機械振動(dòng)、語(yǔ)音信號、仿生識別的成功經(jīng)驗，研究選取描述振動(dòng)信號片段特征，綜合涵蓋時(shí)域、頻域等, 進(jìn)行區分度的測試、有效性排序和篩選，最后選取主要特征近20個(gè)。

（3）特征分類(lèi)模型。因依靠特征取值比較不能進(jìn)行有效分類(lèi)，故引入了信號模式識別分類(lèi)器進(jìn)行事件類(lèi)別區分，建立了基于多特征的SVM分類(lèi)模型，實(shí)現了類(lèi)型劃分特征空間分界面距離的最大化，并針對多類(lèi)不同預警事件分類(lèi)需求，建立塔式分類(lèi)結構，分層次對事件類(lèi)別進(jìn)行細化（如下圖所示）。

3 預警系統應用優(yōu)勢

管道光纖安全預警系統的成熟產(chǎn)品現已進(jìn)入第三代，技術(shù)性能不斷提升，主要具有以下7大應用優(yōu)勢。

（1）全天候無(wú)縫隙實(shí)時(shí)監測。系統實(shí)現了實(shí)時(shí)監測與事前預警，消除了傳統人工巡檢的弊端，降低了巡線(xiàn)成本與人員安全風(fēng)險。

（2）占用纖芯資源少，產(chǎn)品經(jīng)濟高效。前幾代系統至少需要兩根以上光纖構建傳感網(wǎng)絡(luò )，而第三代系統只需要一根光纖即可實(shí)現分布式傳感與信號傳輸，節省了光纖資源，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟性。

（3）超強現場(chǎng)配置能力。系統可根據現場(chǎng)管道距離與閥室供電情況，采取40、60、80公里等多種靈活配置方式。

（4）超高定位精度。系統把光纜分為等間距的連續的多個(gè)傳感單元，對沿線(xiàn)的振動(dòng)信號和噪聲進(jìn)行空間區分，定位精度達到±20米。

（5）超強類(lèi)型識別能力。系統經(jīng)在國內外10余年的應用，積累了對硬土、淤泥、沙土地、戈壁等不同環(huán)境的基礎數據，采取SVM模式識別算法建立了完備的振動(dòng)事件識別數據庫，可有效區分管道安全事件與非安全事件。當發(fā)生預警事件時(shí)，系統通過(guò)類(lèi)型識別，事件檢測能力達到100%，典型事件類(lèi)型識別能力達到95%以上。

（6）超強抗干擾能力。系統可根據環(huán)境噪聲，采取抑制、分段、分時(shí)設置閾值、屏蔽等方式。

（7）超靈敏監測能力。系統能檢測到30米內機械施工，15米內車(chē)輛碾壓，5米以?xún)热藶榛顒?dòng)等事件。

4 預警系統應用成果

管道光纖安全預警系統自成果轉化以來(lái)，已成功應用于國內外石油石化行業(yè)原油、成品油、天然氣和城市燃氣管道及國防光纜保護，應用里程共計5000余公里，實(shí)現經(jīng)濟效益逾1.5億元。其中，國內應用遍及東北、西北、華北、華東、華中、華南、西南等區域，實(shí)現了對山區、平原、高原等各種環(huán)境各種敷設方式下不同類(lèi)型管道和光纜的保護，充分證明了產(chǎn)品的成熟度和可靠性。

作者：張金權，現任中國石油天然氣管道通信電力工程總公司副總經(jīng)理、總工程師。光纖管道安全預警系統研發(fā)主要負責人，曾榮獲河北省十大優(yōu)秀發(fā)明者、孫越崎科技青年獎專(zhuān)家、中國施工企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新先進(jìn)個(gè)人、管道局技術(shù)專(zhuān)家等榮譽(yù)稱(chēng)號。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）