【摘 要】水利供水工程中的管道一般距離較長、供水區(qū)域廣，一旦向城區(qū)供水的管道發(fā)生爆管或外力破壞等事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會造成重大的社會影響。鑒于傳統(tǒng)安全監(jiān)測技術(shù)無法對故障（振動）點振動類型的判別，本文結(jié)合天水市城區(qū)引洮供水工程中供水管道安全監(jiān)測的需要，開發(fā)了基于分布式聲波傳感技術(shù)的長距離輸水管道安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能及時掌握供水管道的運行狀態(tài)，并實時給運行管理部門提供管道運行過程中的關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)故障定位和振動類型判別，提高了安全監(jiān)測的效率。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感；類型識別；安全監(jiān)測；供水管道

1 引言

天水市城區(qū)引洮供水工程穿越通渭縣、武山縣、甘谷縣、秦州區(qū)四個縣區(qū)，供水區(qū)域廣。管道設(shè)計流量2.1 m3/s，供水線路總長度92.401km，其中供水管道總長68.932km，管徑1200到1400mm。該供水管道空間跨度較大，沿途地形地貌條件復(fù)雜多樣，管道需要穿越溝壑、道路、農(nóng)田等各類野外地質(zhì)區(qū)域，大大增加了管道監(jiān)控的難度，同時供水管道沿線一些施工及采掘作業(yè)等往往會直接對管道造成破壞，導(dǎo)致管道爆裂，停水影響范圍廣，因此天水市城區(qū)引洮供水工程供水管道的安全監(jiān)測問題成為目前亟待解決的難題。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于管道安全監(jiān)測的手段主要是傳統(tǒng)的電測式傳感器[1]，其監(jiān)測原理是將泄漏電纜埋入監(jiān)測區(qū)域地下，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定的電磁場分布，如果第三方破壞事件發(fā)生，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)電磁場的分布發(fā)生變化，通過接收電纜的電磁能量隨之變化，從而給出報警。該監(jiān)測方法可以實現(xiàn)分布式監(jiān)測，定位精度通過設(shè)置工作點上側(cè)漏電纜的長度進(jìn)行設(shè)定，但供水管道的長度一般都是幾十公里以上，實際運行中并非所有經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域的第三方事件都是破壞性事件，如果要完成整條管道的監(jiān)測，需要大量的傳感器布點連線才能完成數(shù)據(jù)采集，不僅布點施工復(fù)雜、后期維護(hù)工作量大，而且由于傳感器的離散型布點無法全面反映管道運行情況。另外，電測法監(jiān)測方法無法根據(jù)電磁場變化情況判斷事件的類型，系統(tǒng)告警閾值難于確定，從而上傳誤告警。

近年來興起的光纖傳感器具有抗電磁干擾、抗腐蝕、防水和耐久性長等特點，特別是分布式傳感光纖[2-4]，其沿供水管道同溝布置可以實現(xiàn)全管道的連續(xù)性監(jiān)測，在長距離供水管道安全監(jiān)測工程實踐中有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)天水市城區(qū)引洮供水工程中長距離管道安全監(jiān)測的需求，本系統(tǒng)將專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于DAS技術(shù)中，不僅實現(xiàn)傳統(tǒng)管道安全監(jiān)測技術(shù)具有的故障（振動）告警與故障點定位，而且利用設(shè)計的算法實現(xiàn)故障（振動）點故障類型的判定，實現(xiàn)破壞類故障（振動）的算法篩別，減少正常振動引起的誤告警。

2 分布式聲波傳感技術(shù)

光纖開發(fā)的分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensing，簡稱DAS）技術(shù)[5-7]是基于相干瑞利散射原理的分布式光纖傳感器，利用傳感器對聲音（振動）敏感的特性，當(dāng)外界作用力引起的 振動作用于傳感光纖上時，由于應(yīng)力雙折射效應(yīng)（彈光效應(yīng)），光纖的折射率及長度將產(chǎn)生微小的變化，從而引起光纖內(nèi)傳輸信號的相位發(fā)生變化，使得光強(qiáng)變化。由于聲波（振動）引起的相位變化很小，因此DAS系統(tǒng)通常采用高相干的脈沖光源，在脈沖寬度區(qū)域內(nèi)瑞利散射信號之間會發(fā)生干涉，當(dāng)外界振動引起相位發(fā)生變化時會使得該點的相干瑞利散射信號強(qiáng)度也隨之變化，通過監(jiān)測振動前后的相干瑞利散射光信號的強(qiáng)度變化，即可實現(xiàn)振動事件的探測與振動位置的精確定位，而根據(jù)輸出端頻譜分析可以判定引起振動的類型。

分布式光纖聲波監(jiān)測原理如下：當(dāng)聲波振動作用于光纖時，由于彈光效應(yīng)，光纖的折射率和長度發(fā)生微小變化，導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸光的相位變化，使得光強(qiáng)也會發(fā)生變化。檢測振動前后的瑞利散射光信號的強(qiáng)度變化，可實現(xiàn)聲波振動的探測及定位[8]。假設(shè)射入端光纖的光脈沖峰值功率為P（0），光脈沖沿著光纖傳輸?shù)絏處，在輸入端的后向散射功率為PBS，在時刻t=2x/vg ，對應(yīng)的后向散射功率PBS（t）為：

稱η為后向散射因子，式（1）～（3）反映的是后向散射功率P與距離x、時間t的關(guān)系，截面一定時光的強(qiáng)度和功率成正比，即X處發(fā)生第三方力振動作用時對應(yīng)的α發(fā)生變化，如果能測量出后向散射功率PBS則可對振動的位置x進(jìn)行定位。

輸出端O的光功率為：

（4）

式（4）中α（x）為前向損耗系數(shù)，積分表示X點至末端O的雙程衰減，P（x，t）為X點的損耗向前傳播的光功率P（x）隨時間的變化，O為光纖長度。在輸出端通過對光功率PO（t）的測量可以獲得損耗變化的頻譜特征，不同振動對應(yīng)不同的頻譜特征，因此可以根據(jù)頻譜特征來判定引起損耗的原因和類型（機(jī)械振動或人為破壞等）。

分布式光纖聲波監(jiān)測技術(shù)可用于對物體產(chǎn)生或結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的聲波信號進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)控，并可針對聲波振動進(jìn)行頻率、相位和振幅的實時采集。DAS能夠得到外界聲場包括頻率、相位和振幅的完整信息。當(dāng)管道周圍出現(xiàn)挖掘、打孔、蓄意破壞等外力振動行為時，都會產(chǎn)生不同頻率特征的振動信號（如圖1所示）。DAS可監(jiān)測到管道沿線各個位置的振動信號，全面覆蓋整個管道，實時顯示整個光纜的振動信號分布曲線，當(dāng)某處振動信號應(yīng)變異常時，通過曲線可以顯示該處實時信息，獲得振動事件的時間、地點、事件趨勢等信息，通過對振動波形分析和特征信號提取，并結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法，可確定振動事件類型，對可能威脅管道安全運行的動土事件等外力入侵事件提前預(yù)警，保障管道運行安全。

3 DAS在供水管道安全監(jiān)測的應(yīng)用

3.1 DAS供水管道安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

天水市城區(qū)供水工程供水線路總長度92.401km，供水管道的DAS安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感光纖、光纖解調(diào)設(shè)備、后臺監(jiān)測軟件及配套設(shè)備構(gòu)成。

（1）傳感光纖

傳感光纖作為振動傳感器而且其本身兼作通信光纖，實現(xiàn)傳感一體。光纖分布式聲波監(jiān)測DAS可以實現(xiàn)最大測量距離為50公里/通道，采用1臺2通道的DAS設(shè)備，將該設(shè)備放置于供水管道中間位置，每個通道各監(jiān)測50公里長度，傳感光纜沿管道方向并行敷設(shè)，位于管道（直徑1.2m）頂部上方0.2m～0.3m處（見圖2），可實現(xiàn)全供水管道覆蓋的實時監(jiān)測。

（2）光纖解調(diào)設(shè)備

光纖解調(diào)設(shè)備實現(xiàn)光信號與電信號的轉(zhuǎn)換，將管道附近振動產(chǎn)生的光信號轉(zhuǎn)換為后臺監(jiān)測軟件可以處理與存儲的電信號，本系統(tǒng)使用的解調(diào)設(shè)備如下：

（3）監(jiān)測軟件

監(jiān)測軟件通過對電信號的分析處理，實現(xiàn)供水管道附近振動的類型判定與振動位置定位，同時軟件內(nèi)置專門設(shè)計的故障類型識別算法（專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），提供振動類型識別與破壞類振動的安全告警，提供實時在線監(jiān)測曲線與數(shù)據(jù)的存儲，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可溯源，見圖3。

3.2 DAS供水管道安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用測試

供水管道附近出現(xiàn)人工/機(jī)械挖掘、垂直及水平機(jī)械鉆等行為時，地表受到一個瞬時的激勵，產(chǎn)生地震波向遠(yuǎn)處傳播，振動信號隨傳播到達(dá)管道附近的傳感光纜。為檢測供水管道安全檢測系統(tǒng)DAS對管道附近振動類型和位置定位的的有效性，對建成的DAS檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試。在距離管道首端65m、距離管道軸線上方2.9m處上方施加不同類型（車輛通過、機(jī)械挖掘振動）的持續(xù)振動，后臺監(jiān)測軟件輸出的光強(qiáng)度分布和監(jiān)測結(jié)果見圖4：

系統(tǒng)測試結(jié)果：（1）當(dāng)在管道上方經(jīng)過機(jī)械挖掘作業(yè)時，監(jiān)測軟件根據(jù)振動的強(qiáng)度和頻率輸出管道沿線的振動曲線并進(jìn)行定位，軟件定位的振動位置為距離管道首端65.5m、距離管道軸線上方2.85m，監(jiān)測軟件的振動類型判別系統(tǒng)（專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）進(jìn)行自動篩別，DAS監(jiān)測軟件持續(xù)報警，顯示該位置的外力振動屬于破壞型振動；2）當(dāng)車輛（重型卡車和小型汽車）從管道上方經(jīng)過時，監(jiān)測軟件根據(jù)振動的強(qiáng)度和頻率輸出管道沿線的振動曲線并進(jìn)行定位，軟件定位的振動位置為距離管道首端65.3m、距離管道軸線上方2.93m，監(jiān)測軟件的振動類型判別系統(tǒng)（專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）進(jìn)行自動篩別，但DAS監(jiān)測軟件并未報警，顯示該位置的外力振動屬于正常振動，該監(jiān)測系統(tǒng)有效地規(guī)避了正常振動引起的誤報警。

結(jié)合DAS在天水市城區(qū)供水工程供水管道安全監(jiān)測實際應(yīng)用，該監(jiān)測技術(shù)在長距離供水管道在線安全監(jiān)測應(yīng)用方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢：

1）長距離分布式測量：可以實時測量光纖沿線任一點上的振動等分布信息，覆蓋管道全線范圍，無測量盲區(qū)，最大實時監(jiān)測距離可達(dá)雙向100km；

2）靈敏度高：監(jiān)測系統(tǒng)對管道第三方破壞非常靈敏，可監(jiān)測管線周圍10米以內(nèi)的機(jī)器挖掘以及5米以內(nèi)的人工挖掘；

3）振動判別：監(jiān)測系統(tǒng)振動類型判定系統(tǒng)采用專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以對振動類型自動進(jìn)行算法識別，篩選出有危害性的破壞性振動進(jìn)行后臺告警，從而規(guī)避其他正常振動引起的誤告警，較傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)本文設(shè)計DAS管道安全監(jiān)測系統(tǒng)提高了監(jiān)測的效率；

4）安全可靠：分布式光纖傳感器DAS采用光信號測量傳輸，抗電磁干擾性強(qiáng)，管道現(xiàn)場無需供電， 無需額外的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；

5）使用壽命長：單模通信光纖本身就是傳感器，“傳”“感”合一，并且光纖壽命可達(dá)30年，可以長年累月的實時監(jiān)測管道安全，后期維護(hù)成本低。

4 結(jié)語

本文對目前供水工程長距離供水管道實時安全監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了探討，針對傳統(tǒng)管道安全監(jiān)測技術(shù)無法有效識別振動類型的問題，將專家數(shù)據(jù)庫與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于DAS技術(shù)中，設(shè)計的安全監(jiān)測系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)安全監(jiān)測技術(shù)的故障（振動）告警與故障點定位，而且可以實現(xiàn)對故障（振動）點振動類型的判別。通過設(shè)計的DAS監(jiān)測系統(tǒng)在天水市城區(qū)供水工程管道安全監(jiān)測的實際應(yīng)用測試可知，本系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)對長距離供水管道實時安全監(jiān)測，為供水管道安全穩(wěn)定地發(fā)揮社會效益和經(jīng)濟(jì)效益提供技術(shù)保障。

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作者簡介：李鵬（1980-），男（漢族），甘肅臨洮人，工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程設(shè)計，電氣