袁海  劉小暉  馬燁  黃鵬

西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘要：選取蘭州至臨洮93 km管道作為試驗(yàn)管段，加裝光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)運(yùn)行，通過FWS軟件升級(jí)和算法與功能優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而使周告警量和周告警類型有了顯著提高，但是該系統(tǒng)在告警類型分析判斷和有效告警率方面，還有進(jìn)一步提升的空間。

關(guān)鍵詞： 光纖；預(yù)警系統(tǒng)；管道保護(hù)

第三方施工導(dǎo)致管道失效事件約占總失效事件的22.9%，如何能及時(shí)發(fā)現(xiàn)威脅管道事件發(fā)生并準(zhǔn)確定位，減少甚至杜絕因人為破壞而導(dǎo)致的管道事故，維護(hù)管道正常運(yùn)行，給油氣管道安全預(yù)警技術(shù)提出了迫切要求。

1 光纖安全系統(tǒng)原理

1.1 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)原理

光纖振動(dòng)傳感是一種融合了光纖和光干涉技術(shù)，利用光纖不僅作為傳輸而且作為傳感探測(cè)器進(jìn)行微震動(dòng)監(jiān)測(cè)的高科技設(shè)備，是一款為特殊行業(yè)和安防場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的真正本質(zhì)安全的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它以光學(xué)干涉理論為依據(jù)、以非平衡馬赫-澤德（Mach－Zehnder）/薩格奈克（Sagnac）的線型干涉結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過采用光纖傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)等技術(shù)手段完成長(zhǎng)距離沿線信息的檢測(cè)、采集、處理和傳輸，利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和信息智能分析技術(shù)對(duì)各種不同的振動(dòng)信息進(jìn)行分析和識(shí)別（見圖1）。

圖1  光纖振動(dòng)傳感器原理

1.2 光纖振動(dòng)入侵探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)原理

當(dāng)外界有振動(dòng)信號(hào)作用于光纖時(shí)，會(huì)引起光纖折射率的變化，進(jìn)而引起光波相位的變化。待檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)主要為外界緩變壓力信號(hào)和聲場(chǎng)異常擾動(dòng)信號(hào)，這兩種信號(hào)實(shí)質(zhì)上都是對(duì)光纖產(chǎn)生壓力作用。當(dāng)光纖受到壓力作用時(shí)，其折射率變化，由折射率變化引起的光波的相位變化。

1.3 光纖振動(dòng)入侵探測(cè)器定位原理

當(dāng)外界振動(dòng)信號(hào)作用于M—Z光纖干涉系統(tǒng)的兩個(gè)干涉臂時(shí)，傳感光分別向左右兩個(gè)方向傳輸至探測(cè)器1和探測(cè)器2（見圖2）。檢測(cè)比較兩組干涉光的時(shí)間差即可判斷振動(dòng)事件發(fā)生的位置（見圖3）。

圖2  光纖振動(dòng)定位原理

圖3  時(shí)間差計(jì)算圖

2 光纖安全系統(tǒng)指標(biāo)

2.1 國家規(guī)范（SY/T  4121-2012）

監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度：≤60 km

檢測(cè)范圍：≥5m

定位精度：≤±100m

報(bào)警率： ≥95%

響應(yīng)時(shí)間：≤60s

2.2 光纖探測(cè)器的主要技術(shù)參數(shù)

光纖類型：多模（短距離）、單模（遠(yuǎn)距離）

單路長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)間：10 ～ 60 S

測(cè)量距離：2 ～ 35 km空間分辨率：0.5 m，

定位精度：≤1 m

測(cè)溫精度：±1~±1.5 ℃

測(cè)溫范圍：-40~130 ℃（特殊光纖可滿足超低溫和超高溫）

3 應(yīng)用實(shí)踐

西南管道公司所轄蘭州至臨洮管線距離93 km，全線采集GPS坐標(biāo)125個(gè)，采集點(diǎn)涵括所有陰保樁、轉(zhuǎn)角，并對(duì)穿越公路、鐵路、河流、村莊等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密采集。管道預(yù)警系統(tǒng)于2016年12月全部調(diào)試完畢后投入運(yùn)行。經(jīng)過對(duì)全線告警數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際告警地點(diǎn)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在誤報(bào)較多的問題，項(xiàng)目部隨即對(duì)管道預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1  FWS軟件升級(jí)

2017年2月對(duì)蘭州、臨洮兩站的預(yù)警管理終端軟件FWS進(jìn)行了升級(jí)更新，更新后的FWS界面更加簡(jiǎn)潔，并加入全新告警篩選機(jī)制“持續(xù)時(shí)間”及“類別篩選”功能。“持續(xù)時(shí)間”指僅顯示超過設(shè)定值的告警信息。“類別篩選”指僅顯示已勾選的告警類型。通過對(duì)這兩項(xiàng)功能的合理設(shè)置可以更有效的過濾非危害事件告警。

3.1.2算法與性能優(yōu)化

對(duì)前期采集的告警信息、告警數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，對(duì)告警數(shù)據(jù)、告警判斷、告警位置進(jìn)行優(yōu)化。

（1）告警事件甄別優(yōu)化

以采集的告警信號(hào)為藍(lán)本結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際線路信號(hào)優(yōu)化告警事件及類型的甄別；主要采取現(xiàn)場(chǎng)地理位置的先驗(yàn)條件，再依據(jù)事件的持續(xù)時(shí)間、類型、信號(hào)能量等進(jìn)行綜合判斷。

（2）告警事件顯示優(yōu)化

對(duì)FWS預(yù)警終端軟件的告警信息顯示做優(yōu)化調(diào)整，將同一位置多次告警信息做整合處理，減少告警信息顯示面板中同一位置告警多條記錄的顯示；主要采取信號(hào)的持續(xù)性判斷，將同一位置在一定時(shí)間內(nèi)的信號(hào)片斷進(jìn)行歸納，減少由于同一事件的多條顯示；事件保留時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)事件的判斷設(shè)置。

（3）參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的告警數(shù)據(jù)分析且同時(shí)分析光纜線路的信號(hào)變化，根據(jù)不同區(qū)域的條件設(shè)置不同的閾值；主要采取分段設(shè)置閾值；分時(shí)篩選告警事件數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置需要持續(xù)跟蹤，根據(jù)季節(jié)、線路施工變化等情況進(jìn)行分析調(diào)整。

3.2 優(yōu)化后結(jié)果

（1）優(yōu)化前后告警量對(duì)比

試驗(yàn)管道優(yōu)化前平均周告警量530余條，優(yōu)化后減少至110余條（見圖4）。針對(duì)明顯無管道危害事件的告警得到了有效控制。

圖4  優(yōu)化前后告警數(shù)據(jù)對(duì)比

（2） 優(yōu)化前后告警類型對(duì)比

試驗(yàn)管道優(yōu)化前平均周告警量中約有130余條告警類型為“未知”，優(yōu)化后未知告警類型減少至20條以內(nèi)（見圖5）。同時(shí)告警類型匹配準(zhǔn)確率也有了提升。

圖5 告警類型優(yōu)化前后對(duì)比

3.3  實(shí)踐結(jié)果

目前試驗(yàn)管道光纖預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)分別為：

 穩(wěn)定性：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)月，無任何故障發(fā)生；

 靈敏度： 15 m范圍內(nèi)的機(jī)械挖掘與2 m范圍內(nèi)的人工挖掘事件；

 定位誤差：不大于100 m；

 信號(hào)響應(yīng)時(shí)間：不大于1 min；

 漏報(bào)率：在數(shù)據(jù)采集與距離校正期間，沒有出現(xiàn)漏報(bào)率；

系統(tǒng)有效告警條數(shù)：試運(yùn)行期間，有效告警條數(shù)達(dá)到幾百條；經(jīng)過分析處理、篩選與合并，有效告警條數(shù)控制在50條內(nèi)。

4  結(jié)語

目前試驗(yàn)選取的光纖預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，對(duì)事件有效告警率、告警分析等仍需進(jìn)一步優(yōu)化完善。

（1）有效告警率。根據(jù)季節(jié)、線路施工類型、環(huán)境干擾因素、白天與夜間信號(hào)等變化，對(duì)非破壞性的常告警點(diǎn)處理，對(duì)道路與過車的信號(hào)篩選等；需加強(qiáng)與現(xiàn)場(chǎng)巡線的結(jié)合，通過事件復(fù)核來提高有效告警率。

（2）告警分析判斷。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分析主要采取信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、頻譜、峭度、占空比等多維特征來判斷事件類型，告警事件主要基于持續(xù)時(shí)間、類型判斷、信號(hào)閾值與位置先驗(yàn)等綜合判斷。告警分析判斷仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路的實(shí)際情況來調(diào)整優(yōu)化，系統(tǒng)需要結(jié)合人防+技防，通過技防來提高人防的效率，同時(shí)通過人防來有效提升系統(tǒng)的有效告警率。

預(yù)警系統(tǒng)能有效檢測(cè)管道周圍的土壤振動(dòng)信號(hào)和判斷事件的類型，但事件的威脅度主要依靠持續(xù)時(shí)間與信號(hào)類型，這需要定期采集分析數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化，不斷提高系統(tǒng)的有效告警率，減少誤報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)危害事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位、有效制止，提高管道運(yùn)行的安全性。

作者：袁海，男，1980年生，助理工程師，研究方向?yàn)楣艿辣Ｗo(hù)。

《管道保護(hù)》2017年第4期（總第35期）