陳井軍

（中國石化銷售有限公司華中分公司，湖北 武漢，430000）

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

陳井軍

（中國石化銷售有限公司華中分公司，湖北 武漢，430000）

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)基于Φ-OTDR光纖傳感技術(shù)，可對油氣管道發(fā)生的偷盜油、人工挖掘等第三方破壞進(jìn)行全方位、全天候監(jiān)控。本文介紹了光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)的工作原理，描述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)采集、處理以及現(xiàn)場實時監(jiān)控等方面的應(yīng)用。實踐證明該軟件可成功實現(xiàn)對管道全方位、全天候的實時監(jiān)測。

Φ-OTDR光纖傳感技術(shù)；油氣管線監(jiān)測；VS

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)概述

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)由光學(xué)信號解調(diào)主機(jī)、數(shù)據(jù)處理工控終端和振動探測光纜三部分組成。系統(tǒng)通過采集管道附近的土壤振動信號進(jìn)行處理和分析，從而對管道上方的施工、挖掘等第三方破壞行為進(jìn)行安全預(yù)警監(jiān)測[1-2]。

光纖油氣管道安全光纖預(yù)警系統(tǒng)采用通信光纜中的1芯作為傳感器，通過對管道附近的土壤振動信號進(jìn)行處理和分析，得到振動信號，將其與GIS系統(tǒng)結(jié)合，同時根據(jù)實際需求建立多級監(jiān)控體系，從而實現(xiàn)對管道的安全預(yù)警監(jiān)測[3-4]。

圖1-1 光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)光纖傳感部分負(fù)責(zé)輸油管道沿線異動行為檢測，通過對運動、壓力、和振動的快速感應(yīng)可以對諸如人員及車輛經(jīng)過、人工挖掘、機(jī)械挖掘、敲擊管道等行為進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)光纜收到運動或振動干擾時，光信號的相位會發(fā)生變化，通過探測光相位的變化得到光纜的運動或振動狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)基于Φ-OTDR光纖傳感技術(shù)，Φ-OTDR系統(tǒng)的技術(shù)原理如圖1-2所示。Φ-OTDR系統(tǒng)是通過光探測器探測后向瑞利散射，當(dāng)光纖線路上某點由于入侵發(fā)生擾動時，該位置處光纖的折射率將發(fā)生變化，從而引起后向瑞利散射光光強(qiáng)的變化，由采集卡采集到的后向瑞利散射光的光強(qiáng)發(fā)生變化，可以根據(jù)光強(qiáng)發(fā)生變化的位置判斷入侵發(fā)生的位置[5]。

圖1-2 Φ-OTDR技術(shù)原理

運動、振動、或壓力會導(dǎo)致光信號相位的改變。利用系光探測器對光信號進(jìn)行探測，可探測干擾的強(qiáng)度和類型，系統(tǒng)軟件對探測到的信號進(jìn)行處理，通過處理結(jié)果判斷事件類型。

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)通過采集土壤的振動信息，通過光纖將振動信號傳輸至報警監(jiān)測中心，工作人員通過對報警定位信息進(jìn)行處理，可以獲得報警點的振動模式和準(zhǔn)確位置，并及時采取措施，使管道得以保護(hù)，免受損失?；痉?wù)器的報警定位信息，可以通過局域網(wǎng)、英特網(wǎng)甚至GSM網(wǎng)傳至任何需要的地方；同時，光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)對通信光纜安全本身起到一個實時監(jiān)控的作用。

2 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)環(huán)境為 VS2013，C#WPF/winform+DevExpress，VS和WPF是完整的開發(fā)工具集，用于軟件的集成和開發(fā)，使用DevExpress對軟件進(jìn)行美化。

系統(tǒng)要求軟件具有實時監(jiān)測的功能，并實時顯示報警位置，系統(tǒng)軟件具有報警提示功能，可對多臺設(shè)備進(jìn)行管理，并可將報警信息轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)控中心，系統(tǒng)可對歷史波形，歷史操作日志，歷史報警日志進(jìn)行存儲及輸出。系統(tǒng)軟件與GIS地圖相結(jié)合，根據(jù)報警管道距離位置，換算成經(jīng)緯度坐標(biāo)并顯示在地圖上，可根據(jù)輸入文件在地圖上生成管道的分布圖。

本軟件平臺將是光纖預(yù)警檢測系統(tǒng)采集的預(yù)警信息的數(shù)據(jù)存儲、管理核心，是進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制、配置的載體，同時可完成預(yù)警信息的分析、甄別、自動選擇應(yīng)對處理策略，提交全面詳細(xì)的預(yù)警及處理報告，并提供與CCTV監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字錄像系統(tǒng)、GIS電子地圖系統(tǒng)、SMS短信報警系統(tǒng)和其他第三方安全防范系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)交換及聯(lián)動接口服務(wù)。軟件的業(yè)務(wù)邏輯層次如下圖所示：

圖2-1 業(yè)務(wù)邏輯層次

邏輯處理層是整個軟件擴(kuò)展應(yīng)用平臺的核心，它對來自于接口通訊層的數(shù)據(jù)作及時的處理，完成全局聯(lián)動和計劃任務(wù)，同時在各子系統(tǒng)間、綜合應(yīng)用層中的相關(guān)應(yīng)用與子系統(tǒng)間構(gòu)建起溝通的橋梁。

數(shù)據(jù)處理是對光纖預(yù)警檢測系統(tǒng)采集的預(yù)警信息數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析，采集卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，軟件平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均和減法解調(diào)，分級別、類別存儲至數(shù)據(jù)庫。同時接收用戶發(fā)送來的控制信息，作相應(yīng)處理后再分別發(fā)送給相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)接口，由網(wǎng)關(guān)接口通知相關(guān)系統(tǒng)完成相應(yīng)處理。根據(jù)事先制定的預(yù)警處理預(yù)案，當(dāng)判別各種級別的報警事件發(fā)生時，自動產(chǎn)生詳細(xì)的預(yù)警報告，提示調(diào)用相應(yīng)處理流程，聯(lián)動相關(guān)系統(tǒng)的其他設(shè)備。執(zhí)行跨系統(tǒng)的計劃任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理原理框圖如圖所示。

圖2-2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理原理圖

軟件設(shè)計分為上下級平臺模式，分為站點軟件，中心軟件，其中中心軟件分為管理中心軟件和管理客戶端軟件。軟件分為三級管理權(quán)限，其中值班員是最低管理權(quán)限，管理員是第二管理權(quán)限，調(diào)控中心具有最高管理權(quán)限，各用戶可以選擇各個權(quán)限的功能范圍。

3 軟件應(yīng)用

在客戶端電腦的桌面上打開登錄界面，輸入正確的用戶名和密碼后，進(jìn)入主界面。軟件可對管道實行全天候的實時監(jiān)控，軟件實際監(jiān)測界面如圖3-1所示。

圖3-1 軟件監(jiān)測界面示意圖

點擊登錄界面“詳細(xì)”按鈕，可以手動設(shè)置起始段號和終止段號，更加便于查看某個段號位置的振動信號狀態(tài)。如圖3-2所示。當(dāng)某個位置有入侵行為發(fā)生時，該位置峰值會累加超過設(shè)定閾值的次數(shù)，軟件可對閾值、間隔時間、預(yù)警條件數(shù)和報警條件數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3-3所示。如圖3-2中所示，3.5為設(shè)定閾值，當(dāng)某處發(fā)生入侵?jǐn)_動時，該處超過設(shè)定閾值3.5的擾動會被累加，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)警條件數(shù)時，會彈出預(yù)警提示框，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的報警條件數(shù)時，會彈出報警提示框。如圖 3-3，3-4所示。

圖3-2 軟件監(jiān)測界面示意圖

圖3-3 系統(tǒng)設(shè)置界面示意圖

圖3-4 預(yù)警彈出框示意圖

圖3-5 報警彈出框示意圖

軟件與GIS地圖結(jié)合，更準(zhǔn)確的顯示出報警事件的地理位置信息，顯示產(chǎn)生的報警在實際光纜線路上的位置。報警點在地圖上顯示為紅色點。點擊報警提示框圖3-5中地圖顯示，即可在地圖上查看報警點，方便現(xiàn)場施工人員可以更快地確認(rèn)報警點位置并對入侵采取相應(yīng)的措施。

圖3-6 軟件地圖顯示

圖3-7 報警點地圖顯示

光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)軟件可以隨時查詢產(chǎn)生的歷史報警記錄和歷史操作記錄，方便操作人員對歷史信息查詢，并可將記錄導(dǎo)出到excel文件中。

圖3-8 軟件操作界面

利用MATLAB軟件對系統(tǒng)軟件的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行處理，其處理結(jié)果如下圖所示。

圖3-9 測試結(jié)果

由圖3-9可知，系統(tǒng)軟件可識別幾種不同的振動模式。

4 總結(jié)與展望

管道輸送油氣優(yōu)勢突出，但其存在的安全風(fēng)險也特別大，造成長輸管道失效的原因很多，僅第三方破壞在我國油氣管道事故中就占40%左右的比例。不斷延伸的油氣管道在為國民經(jīng)濟(jì)和人民生活源源不斷地輸送能源的同時，也面臨著研究的安全考驗。

因此，要采取適當(dāng)措施使油氣管道免遭外來侵害，確保管道安全環(huán)保運行。傳統(tǒng)的管道泄漏檢測手段都是基于管道運行參數(shù)，比如流量、壓力，屬于事后檢測[6-7]，而光纖傳感技術(shù)能在第三方破壞發(fā)生時提供報警，在管道被破壞前實現(xiàn)預(yù)警，為避免管道破壞事件的發(fā)生贏得時間，并且光纖傳感技術(shù)可以獲得被測量信息在空間和時間上連續(xù)分布的特點，非常適合于大型長距離管線安全監(jiān)控、大范圍安防等領(lǐng)域。

綜上，光纖油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)軟件可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，軟件在實現(xiàn)油氣管道實時監(jiān)測的同時還可實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的存儲與導(dǎo)出，軟件操作簡單，因此，該軟件可實時應(yīng)用于光纖油氣管道監(jiān)測。

[1]何弼.分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2017(1):9-12.

[2]賀劍君，馮偉，劉暢.基于管道應(yīng)變監(jiān)測的滑坡災(zāi)害預(yù)警與防治[J].天然氣工業(yè)，2011,31(1):100-103.

[3]冷建成，周國強(qiáng)，吳澤民，等.光纖傳感技術(shù)及其在管道監(jiān)測中的應(yīng)用[J].無損檢測，2012,34(1):61-65.

[4]王燕花.新型光纖傳感系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2009.

[5]Buerck J,Roth S,Kraemer K,et al.OTDR fiber-optical chemical sensor systemfor detection and location of hydrocarbon leakage[J].Journal ofHazardous Materials,2003,102(1):13-28.

[6]王壯.光纖預(yù)警系統(tǒng)在天然氣管道保護(hù)中的應(yīng)用[D].山東建筑大學(xué)，2016.

[7]孫潔，李松，劉凱蕾，等.油氣管道安全預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀[J].油氣儲運，2016,35(9):1023-1026.

Software Design of Security Pre-warning System of Optical Fiber Oil Gas Pipeline Safety

CHENJin-jun
（Central-China Branch ofChina Petrochemical MarketingCo.LTD,Wuhan 430000,Hubei）

The optical fiber oil and gas pipeline safety warning system is based on the Φ-OTDR optical fiber sensing technology.It can carryout all-round and all-weather monitoringon the three parties such as stealingoil and Excavatingbythe oil and gas pipelines.This paper introduces the workingprinciple ofthe optical fiber oil pipeline safetypre-warningsystem,the design method ofsystem software is described in this paper,and the application ofoptical fiber oil and gas pipeline safety early warning system software in data acquisition,processing and on-site real-time monitoring are introduced in detail.The practice proves that an all-raund and 24-hour monitoringtothis pipe can be realized bythis softuare.

Φ-OTDR optical fiber sensingtechnology;Monitoringofoil and gas pipelines;VS

TP311.52

A

1671-5004（2017）04-0011-05

2017-06-02

陳井軍（1968-），男，湖北荊門人，中國石化銷售有限公司華中分公司調(diào)度中心（生成運行處）處長、經(jīng)濟(jì)師，研究方向：管道運行管理，管道安全研究。