郭家瑞 王廉祥 沈建林

國家管網集團西南管道公司昆明輸油氣分公司

摘  要：云南多雨山區復雜地質條件容易發生地質災害，嚴重威脅管道安全運行。介紹了光纖預警技術的作用和原理，結合光纖預警系統在山區管道地質災害監測中的應用現狀，提出深化應用方案，提升光纖預警技術在山區復雜環境下的應用價值。

關鍵詞：多雨山區；地質災害；風險；光纖預警；精細化管理

昆明輸油氣分公司所轄管道穿越地區平均海拔2000 m， 84%以上區域是山地，高低參差、縱橫起伏，地形極為復雜，管道沿線地形落差大、切斷面較多；同時，云南雨季集中了約全年85%的降雨量，管道穿越大部分地區雨季降水頻繁且雨量較大，容易造成管道周圍山土疏松、石塊松動，引發滑坡、泥石流、水毀、沉降等地質災害，威脅管道的安全運行。其中尤以滑坡威脅最大，極易造成管道懸空甚至斷裂，引發安全事故和次生環保事故。雖然在數量上地質災害導致油氣管道失效事件機率并不高，但造成的財產損失卻非常巨大。

降雨是導致滑坡的重要誘發因素，長時間持續的降雨使土層趨于飽和，土體重度增加、強度降低，為滑坡準備了力學條件。分析近年國內發生的重大管道安全事故，因降雨導致滑坡引起的占有較大比例，例如貴州黔西南州晴隆“7·2”天然氣管道斷裂燃爆事故、湖北恩施“7·20”川氣東送管道爆炸事故，都是因為持續降雨引發滑坡導致輸氣管道斷裂而造成的。

因此探究光纖預警技術在多雨山區管道地質災害監測的深化應用有重要意義。

1 光纖預警作用

地質災害的常規監測方法主要有大地精密測量法、 GPS測量法、近景測量法和TDR測量法等，但均存在各自缺點。光纖傳感監測技術具有監控距離長、連續分布式測量、全天候實時監測、靈敏度高、響應時間短、定位精度高、本質安全可靠、系統穩定性強等優點，運維管理簡單，建設成本可控，通過與視頻監控業務聯動對管道沿線可疑破壞事件多維感知、綜合監測、視頻復核，有效提高油氣管道安全運行的監管效率及風險管控能力。

基于該技術的管道光纖預警系統通過與管道同溝敷設的通信光纜作為分布式傳感器，依靠其對運動、壓力和振動非常敏感的特性，通過對管道上方產生的振動信號探測分析，能夠有效識別人工作業、機械挖掘、重車碾壓、地質災害等事件，基于GIS地圖系統直觀展示管道外部風險警情信息，包括報警時間、事件位置、事件類型、事件級別、管道樁號等。

2 光纖預警技術原理

光線預警基于布里淵散射的分布式光纖傳感（OTDR），散射光和入射光之間的頻率差（布里淵頻移）與光纖溫度和應變呈線性關系，使用通信用單模光纖作為傳感器，可以實現超長距離（百公里）、超高空間分辨率（厘米）和高精度的分布式應變和溫度測量，特別適合大型基礎設施、泥石流和山體滑坡等地質災害監測（圖 1）。

當光信號輸送進光纖時，系統軟件探測器會處理接收到的光信號的相位，當傳感光纜受到觸碰或振動的干擾時，光信號的傳輸模式就會發生變化（圖 2）。

光纖在受到外來觸碰、振動、擠壓會導致形態干擾而產生光信號相位的改變。系統軟件接收器對相位改變進行探測，可探測干擾的強度和類型，并對探測到的信號進行處理，判別干擾是否符合觸發“事件”的條件，并對干擾對象準確定位，從而對可能造成管道破壞的外部威脅進行提前預警。

地質災害事件發生時，會產生一定頻度和特征的振動信號，也會導致傳感光纖周圍的巖土體變形破壞使光纖變形或破壞，基于對振動信號、時間量等特征歸類分析和O T D R技術檢測光纖宏彎變形或斷裂破壞等，實現對典型的地質災害事件的監測告警。

3 光纖預警應用

3.1 應用現狀

分公司建立了管道光纖預警統一監控管理平臺，構建了全網統一運維管理中心，達到對多區段、多管線的集中統一監控管理，初步實現了管道安全風險“監測預警可控”的管理目標。

光纖預警系統分別在安寧作業區、玉溪作業區、楚雄作業區等多條長輸管道重點管段部署應用，有效預警第三方機械挖掘施工、農戶人工作業施工等風險事件幾十起，及時通知相關責任人趕往現場進行處置，阻止了非法施工、野蠻開挖事件的發生，保障了管道安全運行。

系統對機械挖掘、人為作業安全風險事件具備較高的監測預警能力，事件識別率、報警準確率高，但對于地質災害事件的監測預警能力較弱，原因是現用光纖預警系統的產品規劃和分析算法主要是針對防范第三方施工風險設計，需要進一步提升針對地質災害事件的監測和判別能力。

3.2 深化應用

通過對現用監測手段的技術分析、地質災害事件歷史數據的特征研究，嘗試對埋深在2米內的管道進行典型地質災害事件監測的可行性，制定了基于對現有光纖預警系統進行算法優化和分析模型構建的技術路線，完善現有光纖預警系統對管道典型地質災害（滑坡、泥石流、雨水沖刷）事件的感知和識別能力，聯合管道光纖預警系統設備廠商，利用管道已有同溝光纜和現有光纖預警監測設備，實現對光纖預警系統的深化應用和價值提升。

（1）特征識別庫建立。針對管道地質災害事件進行數據采集和信號特征分析，確認管道地質災害行為對應的特征參數范圍，包括空間尺度、信號強度和頻率，建立地質災害事件行為樣本，從而建立特征識別庫（圖 3）。

系統采集到管道沿線振動曲線，分析多個周期內的振動信號數量和定位信息，分析提取振動信號波形的空間尺度、強度、頻率信息，將提取出的參數信息 與特征識別庫比對，選出符合地質災害事件行為樣本的振動信號，對符合報警需要的振動信號進行報警顯示（圖 4）。

（2）模式識別特征庫存儲。在模式識別中對樣本庫中的標記信息進行監督學習，根據能量、強度、頻率占比等特征值進行自動訓練對比，尋找最佳分類特征得出決策樹代碼從而進行警情閾值的智能劃分，結合時間追蹤等多種自定義算法提高報警的準確度并進行分類，再將提取的環境及行為特征存儲到模式識別特征庫中。模式識別特征庫是在系統中制作環境類別模板，對實時環境的類別模板進行存儲，保存在數據庫里。

初期階段地質災害事件信號數據量有限，模式識別系統需持續采集足夠的樣本信號，結合多維度特征在識別體系中通過不斷對不同的環境與地質災害事件學習，獲得各類環境及事件的算法模板。

系統正式使用時，實時事件通過算法體系不斷分析事件信號并調用算法模板，并根據實時環境不斷地對系統可調參數進行強化學習，自動調優，達到模式識別的反饋自學習。

信號識別與事件分類流程、事件分類、增量學習機制分別如圖 5、圖 6、圖 7所示。

若在使用中系統智能識別存在偏差，可以進行人工修訂，對事件進行重新訓練，更新數據庫，從而達到盡量準確的對事件進行分析、報警目的。模式識別算法完整模型如圖 8所示。

其中，分析算法的核心內容是首先對采集到的數據進行降噪預處理，然后再通過各種方法對信號進行識別分類，分類完成后根據其振動的強度、頻率特征等與預先訓練好的分類模型進行對比，從而得到對事件的初步分析結果。

（3）多類型事件分辨模型庫優化。通過細化和優化模式識別能力，光纖預警系統內置多類型事件分辨模型庫，以有效實現對人為破壞、機械破壞、重車碾壓、地質災害等安全事件以及非安全事件的精細化分類，自動匹配和判別地質災害事件行為，非威脅事件不進行報警。

（4）高精度GIS地圖數據融合。風險事件分析模塊與管理平臺的高精度GIS地圖數據結合，在GIS地圖上對地質災害頻發、易發地點進行高風險點標注，事件發生地位置、地理及附近環境情況細致呈現，便于管理人員基于地圖信息作出合理判斷。

GIS地圖標注信息可作為輔助字段，結合事件特征識別庫多維度綜合評判，提升光纖預警系統對地質災害風險事件的識別準確率。

4 結語

光纖預警技術的實時性和自動化比傳統監測方法更具優勢，為地質災害監測預警帶來了方便，提高了準確度。探索光纖預警技術在多雨山區管道地質災害監測的深化應用是昆明輸油氣分公司貫徹落實油氣長輸管道建設及運行安全升級管理的實際行動，也是防范化解重大隱患風險的迫切需要。通過技術升級進行管理創新，實現管道風險精細化管理，實施精準有效治理措施，可使風險隱患全面受控，提升管道運行安全保障能力，防范遏制事故發生。

作者簡介：郭家瑞， 1985年生，畢業于徐州空軍學院， 2001年入伍從事戰斗機維修工作， 2008年至今一直從事管道保護工作。聯系方式：18184835454， 372370968@qq.com。