全球有近360萬公里的油氣長輸管道，在建管道正以數萬公里的速度延伸。長輸管道往往要經過復雜的地質和地域環境，受腐蝕、第三方破壞、自然災害等因素影響，每年發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，無法對事故做到事前預警。為此，自2003年以來，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，持續推進管道光纖安全預警研發工作，目前產品研發已進入第四代，商業和社會價值日益顯現。

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，利用與管道同溝敷設的一芯光纖，通過振動對瑞利散射光相位變化的干涉檢測、解調和識別，實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，可及時發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，可及時防止安全事故的發生。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，形成多級網絡管理模式。

2 預警系統核心技術

2.1 單芯瑞利相干檢測技術

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，通過振動對瑞利散射光相位變化的干涉檢測、解調和識別，實現振動事件的破壞預警和定位。與傳統傳感技術相比，該技術相當于在整根光纜上等間距建立多個傳感單元，各傳感器單元互不干擾，實現對震動信號的有效區分，定位精度20米，而且從根本上克服了振動事件并發互相干擾的問題，定位更準、抗干擾能力更強。

2.2 分布式光放大技術

發明并混合光放大技術，提高了光學信號信噪比，實現了超過80公里的監測長度。

2.3 高速信號并行處理技術

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

實踐中需識別的事件類型眾多，不同應用現場破壞事件識別側重點不同，信號特點也就不同。因而，在實際應用中，可將識別類型劃分為機械施工、人為施工、重型車輛碾壓、地質災害等，以不斷完善對風險目標的識別。

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

（1）數據采集及預處理。以不同現場信號數據庫為基礎，對信號進行甄選并標記類型，對標記信號類型的數據進行預處理，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、語音信號、仿生識別的成功經驗，研究選取描述振動信號片段特征，綜合涵蓋時域、頻域等, 進行區分度的測試、有效性排序和篩選，最后選取主要特征近20個。

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

3 預警系統應用優勢

管道光纖安全預警系統的成熟產品現已進入第三代，技術性能不斷提升，主要具有以下7大應用優勢。

（1）全天候無縫隙實時監測。系統實現了實時監測與事前預警，消除了傳統人工巡檢的弊端，降低了巡線成本與人員安全風險。

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

（3）超強現場配置能力。系統可根據現場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傳感單元，對沿線的振動信號和噪聲進行空間區分，定位精度達到±20米。

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

（6）超強抗干擾能力。系統可根據環境噪聲，采取抑制、分段、分時設置閾值、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米內車輛碾壓，5米以內人為活動等事件。

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，已成功應用于國內外石油石化行業原油、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，實現經濟效益逾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，實現了對山區、平原、高原等各種環境各種敷設方式下不同類型管道和光纜的保護，充分證明了產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理、總工程師。光纖管道安全預警系統研發主要負責人，曾榮獲河北省十大優秀發明者、孫越崎科技青年獎專家、中國施工企業技術創新先進個人、管道局技術專家等榮譽稱號。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）