孟佳，馬云賓，蔡永軍

（中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

隨著光纖傳感技術(shù)的日漸成熟，新型光纖站場(chǎng)安防系統(tǒng)不斷朝著輕量化、低功耗、高靈敏度、抗電磁干擾等方向發(fā)展完善。基于多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)的站場(chǎng)安防系統(tǒng)，可以在無人值守條件下，對(duì)外界入侵進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，在保證站場(chǎng)安全的前提下，大大節(jié)約了人力物力。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有本質(zhì)安全、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)等特點(diǎn)。

1 技術(shù)背景

1.1 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)，是光纖作為傳感器，對(duì)外界信號(hào)的變化進(jìn)行感知的技術(shù)。所謂感知，是指外界信號(hào)按照其變化規(guī)律作用于光纖，使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如?qiáng)度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測(cè)量光參量的變化即可感知外界信號(hào)的變化。

1.2 光纖傳感技術(shù)的分類

光纖傳感技術(shù)有多種分類方法。依照不同的調(diào)制類型，可以分為強(qiáng)度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。依照光纖傳感技術(shù)感知對(duì)象的不同，可以分為振動(dòng)傳感技術(shù)、溫度傳感技術(shù)和應(yīng)力傳感技術(shù)等。依照傳感器不同的布設(shè)方式，可以分為點(diǎn)式傳感技術(shù)和分布式傳感技術(shù)。

1.3 多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)

光在多模光纖中傳播，存在多個(gè)傳播模式，各個(gè)傳播模式相互疊加產(chǎn)生干涉。多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)，利用多模光纖構(gòu)成分布式振動(dòng)傳感器。當(dāng)外部有振動(dòng)信號(hào)作用于光纖時(shí)，多模光纖受到應(yīng)力而發(fā)生形變，其中傳播的光波模式，相位發(fā)生變化，導(dǎo)致各個(gè)模式之間的干涉散斑變亮或者變暗，見圖1。通過解調(diào)并分析光波的相位變化，即可檢測(cè)出外部振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和頻率。

圖1 干涉散斑變化示意圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)的站場(chǎng)安防系統(tǒng)（如圖2），由振動(dòng)傳感光纖、引導(dǎo)光纖、系統(tǒng)主機(jī)、報(bào)警處理單元及計(jì)算機(jī)等部分組成。傳感光纖為多模光纖，專為站場(chǎng)安防設(shè)計(jì)，靈敏度高，可以感知微弱的振動(dòng)信號(hào)。引導(dǎo)光纖是普通的單模光纖，連接報(bào)警處理單元與傳感光纖，用于傳輸振動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)主機(jī)為報(bào)警處理單元提供供電，并負(fù)責(zé)處理單元與電腦之間的網(wǎng)絡(luò)通信。報(bào)警處理單元是光信號(hào)發(fā)射、接收及振動(dòng)信號(hào)處理裝置。計(jì)算機(jī)則用來進(jìn)行人機(jī)交互，便于使用者跟蹤并處理報(bào)警信息。傳感光纖和引導(dǎo)光纖根據(jù)防區(qū)劃分，布設(shè)于站場(chǎng)周邊的圍欄上。入侵者攀爬圍欄過程中，布設(shè)于圍欄上的傳感光纖感受到振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)通過引導(dǎo)光纖傳輸至報(bào)警處理單元進(jìn)行分析識(shí)別。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)被識(shí)別為入侵事件，該防區(qū)報(bào)警處理單元會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將報(bào)警信號(hào)傳輸至局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)。軟件系統(tǒng)收到報(bào)警信號(hào)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒監(jiān)控人員采取相應(yīng)措施，并將報(bào)警事件的發(fā)生時(shí)間、防區(qū)號(hào)記入數(shù)據(jù)庫，以備查詢。

圖2 基于多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)的站場(chǎng)安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)主機(jī)包含7個(gè)報(bào)警處理單元，每個(gè)處理單元對(duì)應(yīng)一個(gè)防區(qū)，由引導(dǎo)光纖與前端多模光纖相連接。用戶可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)防區(qū)數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展。這種方式實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)全光纖布設(shè)，無須防雷、接地，整體上增強(qiáng)了系統(tǒng)的本質(zhì)安全性。

3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

（1）入侵報(bào)警響應(yīng)時(shí)間：＜2s。

（2）單防區(qū)誤報(bào)率≤1次/月。

（3）系統(tǒng)主機(jī)工作環(huán)境溫度范圍：-30～55℃，濕度范圍：0～ 90%。

（4）系統(tǒng)主機(jī)電源配置：120～240VAC，50～60Hz，主機(jī)功率：25W。

（5）單防區(qū)最佳防護(hù)距離：200m，引導(dǎo)光纖最長可達(dá)20km。

（6）振動(dòng)信號(hào)監(jiān)控頻率范圍：0～600Hz。

（7）風(fēng)速補(bǔ)償范圍：0～70km/h。

（8）通訊方式：串口傳輸、TCP/IP、FSN等多種通訊模式。

4 信號(hào)處理方法

為了區(qū)分大風(fēng)等外界干擾引起的振動(dòng)信號(hào)與攀爬、剪切圍欄等真正的入侵振動(dòng)信號(hào)的區(qū)別，我們對(duì)報(bào)警處理單元中的信號(hào)處理算法進(jìn)行了深入研究。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)入侵振動(dòng)信號(hào)和干擾振動(dòng)信號(hào)在頻域分布和時(shí)域強(qiáng)度方面都有所不同，可采用小波變換的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

小波變換具有多分辨率的特點(diǎn)，可以由粗到細(xì)地逐步觀察信號(hào)，且小波變換在時(shí)域頻域都有表征信號(hào)局部特征的能力，有利于檢測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)或奇異點(diǎn)。通過小波變換，可以得到大風(fēng)引起的振動(dòng)特征和攀爬導(dǎo)致的振動(dòng)特征，如圖3所示。從圖3中可以清楚地看到，在不同小波變換層級(jí)下，大風(fēng)等非人員入侵導(dǎo)致的振動(dòng)與人員攀爬導(dǎo)致的振動(dòng)在歸一化能量特征值上有明顯的區(qū)別。因此，利用小波變換算法，可以減少系統(tǒng)誤報(bào)，穩(wěn)定提升系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率。

圖3

基于多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)的站場(chǎng)安防系統(tǒng)目前已經(jīng)布設(shè)在中國東北地區(qū)的油氣站場(chǎng)，經(jīng)歷了北方寒冷和多風(fēng)氣候的考驗(yàn)，目前，運(yùn)行情況良好。通過模擬入侵測(cè)試，系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)到100%，見表1。

表1 防區(qū)的測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)表1數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，在較為復(fù)雜的條件下，系統(tǒng)能夠在對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬入侵測(cè)試事件的感知，達(dá)到無漏報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)通過積累更多的入侵事件樣本庫，不斷地改進(jìn)和完善系統(tǒng)，可以確保系統(tǒng)能夠在更惡劣的環(huán)境中，保持報(bào)警準(zhǔn)確率，滿足場(chǎng)站安全防護(hù)要求，為站場(chǎng)自動(dòng)化安全運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文在理論研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多模光纖振動(dòng)感知技術(shù)的站場(chǎng)安防系統(tǒng)，能夠?qū)⒆匀画h(huán)境干擾因素與人員入侵正確區(qū)分出來。通過模擬入侵實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下，對(duì)人員入侵的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率能夠達(dá)到100%，其系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足站場(chǎng)安防的實(shí)際需求，可以實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)無人值守全天候監(jiān)測(cè)，有效保障油氣站場(chǎng)的整體運(yùn)行安全。