摘 ?要：針對(duì)清管器跟蹤定位設(shè)備無(wú)法實(shí)時(shí)連續(xù)跟蹤的問(wèn)題，將與油氣管道伴行的通信光纜作為振動(dòng)傳感器，接入分布式光纖測(cè)振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清管器工作過(guò)程中的跟蹤定位。清管器經(jīng)過(guò)管道焊接縫隙時(shí)會(huì)發(fā)生撞擊產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)波，通過(guò)采集和識(shí)別此種特殊的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)時(shí)域和空域的分析，實(shí)現(xiàn)清管器實(shí)時(shí)跟蹤定位?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明該技術(shù)可以有效進(jìn)行清管器的實(shí)時(shí)跟蹤定位，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感;油氣管道;清管器;實(shí)時(shí)跟蹤定位

中圖分類號(hào)：TP211;TP212 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0138-03

Tracking and Locating of the Pipeline Pig Based on Distributed Optic-Fiber Vibration Sensing System

QU Honghai

（Wuhan WUTOS Co.， Ltd.， Wuhan ?430223， China）

Abstract： In view of the problem that the pipeline pig tracking and positioning equipment can not track continuously in real time， the communication optical cable associated with the oil and gas pipelines is used as the vibration sensor and connected to the distributed optic-fiber vibration measurement system to realize the tracking and positioning during the operation of the pipeline pig. When the pipeline pig passes through the welding gap of the pipe， it will occur an impact and produce a strong vibration wave. By collecting and identifying this special vibration signal， the real-time tracking and positioning of the pipeline pig is realized through the time domain and airspace analysis. Field experiments prove that this technology can effectively conduct real-time tracking and positioning of pipeline pig， and has high engineering application value.

Keywords： distributed optic-fiber sensing; oil and gas pipeline; pipeline pig; real-time tracking and locating

0 ?引 ?言

清管器的跟蹤定位在清管作業(yè)過(guò)程中是一項(xiàng)極為重要的內(nèi)容，需要在清管作業(yè)過(guò)程中，及時(shí)檢測(cè)到卡球情況，從而避免作業(yè)事故的發(fā)生。當(dāng)前，通常采用的清管器跟蹤方法主要有放射性同位素法、機(jī)械法、聲波法、壓力法和磁場(chǎng)法等[1-4]。以上的方法均需要耗費(fèi)大量的人力和物力，在需要監(jiān)測(cè)的管道沿線提前布設(shè)檢測(cè)儀器，在清管器作業(yè)期間進(jìn)行依賴于人工方式的清管器定位，無(wú)法實(shí)時(shí)連續(xù)地進(jìn)行清管器跟蹤[5-10]。

利用分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，將油氣管道的伴行通信光纜作為振動(dòng)傳感器接入分布式測(cè)振儀表，采集油氣管道沿線的振動(dòng)信號(hào)。清管器在油氣管道內(nèi)作業(yè)的行進(jìn)過(guò)程中，在經(jīng)過(guò)管道焊接縫隙時(shí)，會(huì)與管道焊接縫隙撞擊產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)波，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)通過(guò)采集和識(shí)別此種特殊的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行振動(dòng)源的時(shí)間和空間定位，從而實(shí)現(xiàn)清管器振動(dòng)信號(hào)跟蹤定位[11，12]。

1 ?檢測(cè)原理

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)基于相干瑞利散射原理實(shí)現(xiàn)振動(dòng)探測(cè)[13-20]，接入一根普通單模光纖作為振動(dòng)傳感器，采集油氣管道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)。設(shè)置光纜中的每個(gè)探測(cè)單元對(duì)應(yīng)10 m的距離，即：對(duì)于一條實(shí)際長(zhǎng)度為50 km的光纖鏈路，其包含的探測(cè)單元數(shù)量為5 000（50 km/10 m）。當(dāng)全段光纜共包含N個(gè)探測(cè)單元，這N個(gè)探測(cè)單元的位置是連續(xù)的，每個(gè)探測(cè)單元的序號(hào)代表了其對(duì)應(yīng)的空間位置。因此，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在每一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)就是一個(gè)1行N列的矩陣。將各個(gè)時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行拼接，即得到一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，此矩陣的橫軸為距離，縱軸為時(shí)間，由全段振動(dòng)信號(hào)矩陣?yán)L制而成的光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)圖像，稱之為振動(dòng)瀑布圖。

清管器在油氣管道內(nèi)作業(yè)的行進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)管道焊接縫隙時(shí)，與管道焊接縫隙撞擊會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)波，并且振動(dòng)波會(huì)沿著金屬管壁向前后兩個(gè)方向傳播。因此，每一次清管器與管道焊接縫隙的撞擊，在一段區(qū)域振動(dòng)波形所繪制的瀑布圖上，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)類似“字母V”的形狀，如圖1所示，為某次清管器作業(yè)過(guò)程中的20秒全段振動(dòng)瀑布圖。“字母V”的底端所在位置，即指示了這次撞擊的振動(dòng)源的位置，根據(jù)縱軸對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，即可得到這次撞擊發(fā)生的時(shí)刻。通過(guò)提取每次清管器與管道焊接縫隙撞擊發(fā)生的時(shí)刻和位置，即可推算清管器在管道中行進(jìn)的速度和狀態(tài)。

2 ?信號(hào)分析

2.1 ?數(shù)據(jù)預(yù)處理

激勵(lì)定位計(jì)算步驟如下：

（1）每一時(shí)刻，讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)單元的原始信號(hào)。利用與油氣管道同溝敷設(shè)的通信光纜其中空余的一芯作為傳感光纜，在整條光纖鏈路上，按照距離，將光纖劃分為多個(gè)相等長(zhǎng)度的小段，每個(gè)小段稱為1個(gè)監(jiān)測(cè)單元（實(shí)現(xiàn)分布式）。記采樣率為f，監(jiān)測(cè)單元數(shù)量為N，則得到f×N的矩陣。

（2）對(duì)每秒原始信號(hào)矩陣的每一列（即每個(gè)監(jiān)測(cè)單元的時(shí)域數(shù)據(jù)），進(jìn)行差分運(yùn)算，即每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的后一點(diǎn)與其相減，D（an）=an+1-an，再取絕對(duì)值，當(dāng)外界振動(dòng)作用于傳感光纜時(shí)，探測(cè)信號(hào)的波動(dòng)范圍會(huì)增大，通過(guò)差分運(yùn)算，可以描述信號(hào)波動(dòng)范圍變化的程度。

（3）對(duì)上一步的矩陣按行進(jìn)行分幀，記幀數(shù)為d，對(duì)每一幀，求每列的最大值，得到d×N的矩陣。即：將每一時(shí)刻的數(shù)據(jù)劃分為d個(gè)時(shí)間片段，取每個(gè)片段的最大值，用以進(jìn)一步增強(qiáng)探測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)。

（4）將各個(gè)時(shí)刻得到的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行拼接，即得到一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，用于繪制成光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)圖像。

2.2 ?清管器跟蹤

清管器在行進(jìn)過(guò)程中與管道焊接縫隙的每一次撞擊，產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)都會(huì)在振動(dòng)瀑布圖上產(chǎn)生一個(gè)類似“字母V”的形狀。因此，需要對(duì)每個(gè)“字母V”形狀的底部進(jìn)行提取和定位。振動(dòng)激勵(lì)定位包括以下步驟：

（1）對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，采用最大類間方差法進(jìn)行二值化，得到二值化01矩陣，如圖2所示。

（2）對(duì)01矩陣進(jìn)行霍夫變換，找到區(qū)域中存在的直線線段。篩選出斜率小于-k的直線線段存入組a，篩選出斜率大于k的直線線段存入組b，該斜率由聲波在金屬管壁介質(zhì)中的傳播速度確定，如圖3所示，為清管器作業(yè)振動(dòng)數(shù)據(jù)線段提取結(jié)果。

（3）對(duì)于組a中的每條直線線段，查找其與組b中的各條直線線段是否存在交點(diǎn)，若與組b的其中一條直線線段存在交點(diǎn)，則這個(gè)交點(diǎn)即為清管器引起的振動(dòng)源，讀取這個(gè)交點(diǎn)的橫軸坐標(biāo)（清管器所在位置）和縱軸坐標(biāo)（據(jù)此可以得到清管器行進(jìn)到這個(gè)位置的具體時(shí)刻）。若與組b中的多條直線線段存在交點(diǎn)，則取縱軸坐標(biāo)位于最上邊的交點(diǎn)（對(duì)應(yīng)最新的時(shí)刻）。

（4）通過(guò)定位清管器在多個(gè)時(shí)刻的位置，可以對(duì)清管器的行進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤，并可以根據(jù)清管器的行進(jìn)狀態(tài)對(duì)其到達(dá)指定位置的時(shí)間進(jìn)行預(yù)判。清管器定位結(jié)果如圖4所示，每個(gè)圓圈代表一次定位結(jié)果。

得到清管器在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的行進(jìn)狀態(tài)信息，如表1所示。

3 ?運(yùn)行效果

在某天然氣管道清管作業(yè)期間開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)光纖跳線，將天然氣管道伴行光纜的其中一芯接入，所選取用于測(cè)振的單模光纖損耗約為0.24 dB/km。光纜與管道同溝敷設(shè)，位于管道上方。監(jiān)測(cè)距離約23 km，沿途共設(shè)置有20個(gè)標(biāo)識(shí)樁（命名為00#-19#）。使用直碟混合型清管器進(jìn)行清管作業(yè)。清管器作業(yè)過(guò)程中，到達(dá)各標(biāo)識(shí)樁的時(shí)刻記錄如表2所示。

可以估算得到，在清管過(guò)程中，清管器的行進(jìn)速度約為240～360 m/min，數(shù)據(jù)整體斜率較為一致，清管器在作業(yè)期間未出現(xiàn)阻塞情況。利用分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)能夠?qū)η骞芷鞯男羞M(jìn)狀態(tài)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 ?結(jié) ?論

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)通過(guò)接入油氣管道的伴行光纜作為振動(dòng)傳感器，采集油氣管道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)識(shí)別和提取清管器在作業(yè)行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的特殊振動(dòng)信號(hào)，對(duì)清管器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位。其設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，對(duì)清管器位置和行進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)在線跟蹤，可以大幅度降低清管跟蹤作業(yè)成本和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和有效性。此技術(shù)不需布設(shè)安裝額外的監(jiān)測(cè)設(shè)備，不依賴除光纖以外的任何條件，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值，是未來(lái)清管器跟蹤定位技術(shù)的重要發(fā)展方向。

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作者簡(jiǎn)介：渠紅海（1978.09—），男，漢族，江蘇徐州人，中級(jí)職稱，研究方向：油氣泄露綜合監(jiān)測(cè)。