曾科宏 李剛 邸小彪

中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

 

摘要：介紹一種基于Ф-OTDR分布式光纖傳感的管道預警系統，利用同溝敷設的光纜作為分布式振動傳感器，連續實時檢測管道周圍的振動信號進行提前預警與定位。通過長輸油氣管道測試與應用效果展示，系統具有較高的靈敏度、定位精度和有效預警準確率，據此可構建“技防+人防”管道安全防護體系。

關鍵詞：Ф-OTDR；分布式振動傳感器；管道光纖預警；定位精度；有效預警準確率

 

針對管道安全監測需求，采用基于相位敏感光時域反射計（Ф-OTDR）的分布式管道光纖預警系統，利用與管道同溝敷設光纜中的一根光纖作為分布式振動傳感器，連續實時對管道周圍的土壤振動事件（第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災害、穿越鉆探等）進行監測并提前預警與定位，以防止破壞事件發生。目前系統已經在長輸油氣管道、城市燃氣等行業應用。本文通過統計分析北京天然氣管道陜京二線實際應用情況，介紹系統性能及應用建議。

1  檢測原理

分布式光纖振動傳感器實時拾取管道沿線預警范圍內的土壤振動信號，通過信號識別分析判斷是否發生威脅管道或光纜安全的事件。系統檢測原理如圖 1所示。

圖 1 Φ-OTDR系統原理

基于Ф-OTDR 的分布式光纖傳感器利用光纖對振動敏感的特性[1-2]，當外界振動作用于傳感光纖時，光纖的折射率、長度將產生微小變化，從而導致光纖內傳輸信號的相位變化，使得光信號強度（光強）發生改變。通過檢測振動前后的光信號強度變化（差分信號），即可實現振動事件的檢測，可同時并行檢測多振動事件并精確定位。

2  光纖預警系統功能

管道光纖預警系統主要由安裝在各閥室和站場的預警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調度中心的預警管理終端FST、區域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網絡組成，借助現有光傳輸系統實現預警單元、預警管理終端、區域管理終端之間的信號及數據傳輸，在預警管理終端和區域管理終端還可實現多臺預警單元的集中統一監控和管理，實現全程全控。

2.1  硬件系統及功能

系統硬件預警單元FU主要由電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監控交換模塊、拉曼放大模塊等組成。電源模塊為預警單元設備整體運行提供穩定有效的電源，電源的工作狀況由其監控模塊實時監控并將數據反饋到管理模塊。

監控交換模塊接收信號處理模塊和管理模塊發出的報警數據和模塊狀態數據，并通過網絡將數據發送給預警管理終端，實現預警單元數據的集中管理和監控。

光傳感模塊是整個系統的核心模塊，為傳感系統提供穩定的光脈沖信號，將傳感光纖返回的光干涉信號轉換為電信號，并進行信號預處理和信號放大。

采集處理模塊對檢測的信號進行處理分析，判斷信號類型是否來自威脅事件，并對振動事件進行檢測和定位。

管理模塊負責協調和控制各模塊的工作，通過設定下發工作參數，控制工作順序，使各模塊協調工作；接收信號處理模塊輸出的數據信號, 根據報警算法來確定管道破壞事件的級別、定位、能量等。管理模塊還實現各功能模塊的控制、參數設置、報警生成和顯示、數據上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光，實現光脈沖信號的有效放大，提高系統監測距離。

2.2  軟件系統及功能

權限管理：根據用戶權限設置不同管理內容。

告警管理：根據預警事件級別實現分級控制與管理；采用GIS地圖將線路信息、預警系統信息、維護管理信息等集中直觀顯示與管理；采用二維圖與告警表格多形式多維度顯示告警信息。

系統分析：結合光時域信號特征、地理環境等，對事件類型進行分析與有效識別；與高后果高風險智能視頻監控系統實現聯動。

歷史告警管理：記錄存儲預警和事件，根據需要轉儲、備份及設置存儲周期；對事件進行告警時間回放、查詢等。

線路標定：結合光纜與管道地理距離的差異性，實現以管道（陰保樁、轉角樁、穿越樁等）標志樁數據實現線路標定功能。

遠程維護：遠程對預警單元進行參數配置、程序下發以及故障診斷。

3  光纖預警系統應用

3.1  陜京二線應用案例

陜京二線安平至33#閥室管道總長約55公里，光纜長60公里。管道經過地區地貌單元以平原為主，管道穿越與并行公路多處，地形環境復雜，施工事件多，主要施工風險源為麻山藥種植及挖掘。

該應用段配置1套預警單元、1套預警管理終端和1套拉曼放大模塊，實現60公里試點段24小時連續實時監控（圖 2）。

圖 2 光纖預警系統配置示意圖

3.2  預警數據統計分析

系統發布預警信息，相關人員對預警事件進行現場復核及準確性反饋，對預警數據進行審核確認。

（1）預警事件統計。經統計，2019年11月至2020年11月現場日均有效預警條數為8.89條，有效預警準確率為94.56%。結合12個月的運行數據分析，預警條數和有效預警準確率與現場施工數量及季節性有關。與同期數據對比，日預警條數由2019年11月19.33條降至 2020年11月4.7條，預警事件條數降低75.68%，有效預警準確率從92.07%提高至97.92%。

（2）預警事件類型統計。現場預警事件和類型統計如表 1 所示。

表 1 2019-11至2020-11預警事件類型統計表

通過事件復核及現場反饋，全年共發現預警事件494次，其中主要為機械施工占比72.67%（圖 3），人工挖掘施工占比19.01%。表明預警能夠對機械事件和人工深層次挖掘、持續性挖掘及作業計劃事件進行準確預警與定位。

圖 3 機械挖掘事件系統報警與現場復核示例

3.3  典型事件

2020年10月25日，預警系統持續發出告警并及時推送預警短信，收到短信的巡線員與預警人員赴預警位置現場，發現在管道標志樁K721+0.39 km、距離管道20 m處有挖掘機施工，經核實為當地人員正在機械挖掘麻山藥。針對管道周邊頻繁的機械挖掘麻山藥事件，通過系統持續采集現場事件數據，對麻山藥區域實施風險等級升級管理，實現重點監控與管控，預警并復核確認機械和人工挖山藥事件達68處。

3.4  應用建議

（1）分公司和作業區采取“背靠背”方式對預警事件及準確性進行共同審核確認，對重點風險源和機械作業進行重點管控。

（2)預警信息通過短信平臺分級發送，實現不同層級管控，避免信息不對稱現象。

（3）將已收集的第三方施工信息與預警信息進行橫向對比，驗證系統的各項性能指標及運行狀況。

（4）結合線路環境及施工點情況，分別設置新告警點、常告警點和受控點，實現不同類型預警事件分類管理。

4  結語

實際應用結果表明，光纖預警系統在光纜正常埋深（1.2 m）時檢測靈敏度較高，可以有效檢測到管道周邊25 m范圍內的機械振動和2 m范圍內的人工挖掘事件，地表定位精度達到±50 m，最大響應時間不超過1，同時并行檢測多起振動事件相互不受干擾。但系統在振動事件識別、事件威脅度等級判斷、農耕事件篩選識別等方面仍需提升與完善，以增強在復雜環境下的適應性，發揮有效的監測和預警作用。

 

參考文獻：

[1]鐘翔，趙世松，鄧華夏，等.基于脈沖調制的Ф-OTDR研究綜述[J]. 紅外與激光工程，2020(10)：193-202.

[2]張智娟.郭文翰.基于Ф-OTDR的光纖傳感技術原理及其應用現狀[J].計算機工程與設計，2019(01)：12-19.

 

作者簡介：曾科宏，1978年生，高級工程師，畢業于中國石油大學（華東），主要從事光纖傳感及管道安全監測技術研究。聯系方式：0316-2075866，tx_zengkeh@cnpc.com.cn。