陳晨

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001)

隨著油氣管道的第三方破壞活動(dòng)日益成為影響管道安全的最重要因素之一，為了確保管道安全，延長(zhǎng)油氣管道壽命，最大程度降低輸送損失，對(duì)管道的第三方非法入侵及破壞活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定位和預(yù)警是必然的要求。本文著重介紹了相干光時(shí)域反射(COTDR)技術(shù)原理，以及基于該技術(shù)的分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成，最終將前端設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)分析、處理、保存的綜合監(jiān)控平臺(tái)。該項(xiàng)技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整條管道的輸送運(yùn)行情況，對(duì)管道運(yùn)營(yíng)和管理具有重大意義。

1 油氣管道安全防護(hù)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 油氣管道安全防護(hù)現(xiàn)狀

中國(guó)輸油氣管網(wǎng)從2004年經(jīng)過(guò)十多年的不斷建設(shè)，截至2021年底，國(guó)內(nèi)油氣管道總里程累計(jì)達(dá)到約1.79×105km。2019年國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)的成立，標(biāo)志著中國(guó)管道建設(shè)框架基本完成，開(kāi)始進(jìn)入深化改革階段。

長(zhǎng)輸油氣管道是油氣輸送系統(tǒng)不可缺少的物質(zhì)輸送設(shè)施，且處于城市或野外復(fù)雜的自然環(huán)境中，沿線地質(zhì)地貌錯(cuò)綜復(fù)雜，存在大型陡坡和潛在滑坡體，再加上城鎮(zhèn)化建設(shè)帶來(lái)的人為非法活動(dòng)、機(jī)械挖掘等破壞事件日益增多，都在威脅著管道的安全運(yùn)行。雖然人工巡線仍然作為目前重要的巡檢方式應(yīng)用在長(zhǎng)輸管道日常維護(hù)工作中，但隨著科技發(fā)展及國(guó)家對(duì)油氣管道治安風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全保障的要求，加上光纖式管道安全預(yù)警技術(shù)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道距離長(zhǎng)、對(duì)故障點(diǎn)定位精準(zhǔn)高的特點(diǎn)，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也越來(lái)越成熟廣泛。

1.2 存在問(wèn)題

隨著油氣管線建設(shè)的持續(xù)增長(zhǎng)和油氣管線使用年限的增加，一旦某個(gè)或幾個(gè)因素造成管道運(yùn)行事故，就會(huì)出現(xiàn)泄漏、爆炸、火災(zāi)等情況，帶來(lái)不可估量的傷亡和損失，因此油氣管道的安全建設(shè)一直備受關(guān)注。

在京津冀、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人員密集、社會(huì)活動(dòng)頻繁的地區(qū)施工機(jī)械化程度高，具有突發(fā)性和不確定性，其中第三方施工頻繁對(duì)管道安全威脅很大；中部和西南管道穿越于泥石流、坍塌等自然災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū)；西部管道地廣人稀，人為刻意破壞預(yù)防形勢(shì)嚴(yán)峻。現(xiàn)有無(wú)人機(jī)技術(shù)存在續(xù)航問(wèn)題，無(wú)法完全覆蓋管道全線；高后果區(qū)視頻監(jiān)控?zé)o法覆蓋人煙稀少、地勢(shì)險(xiǎn)要的區(qū)域。因此，如何運(yùn)用準(zhǔn)確有效的管道預(yù)警技術(shù)來(lái)保障管道安全運(yùn)行，提前預(yù)防非法入侵和自然災(zāi)害，是現(xiàn)在長(zhǎng)輸管道企業(yè)亟需解決的重要問(wèn)題。

2 分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)原理

2.1 分布式光纖預(yù)警技術(shù)簡(jiǎn)介

分布式光纖預(yù)警技術(shù)以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，將油氣管道同溝敷設(shè)的伴行光纜作為傳感媒介，選用其中的1根光纖實(shí)時(shí)探測(cè)管道沿線狀態(tài)，將振動(dòng)信息通過(guò)光纜傳輸至附近站場(chǎng)，全方位保護(hù)管道安全。該技術(shù)適用于具有同溝敷設(shè)光纜的新建或已建管道，可對(duì)第三方入侵進(jìn)行實(shí)時(shí)在線識(shí)別和準(zhǔn)確定位。光纖特有的寬頻帶，損耗低，是一種優(yōu)質(zhì)的高保真抗干擾傳輸線；把光纖作為前端探測(cè)器具有無(wú)源、無(wú)需供電的優(yōu)勢(shì)，使得傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，適用于各種防爆場(chǎng)所及空間狹小等惡劣環(huán)境。光纖傳感技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世就被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.2 COTDR分布式傳感系統(tǒng)原理

光在玻璃介質(zhì)中傳輸時(shí)，與非均勻纖芯晶格間持續(xù)不斷發(fā)生瑞利散射，并持續(xù)在纖芯介質(zhì)中傳輸。當(dāng)傳感纖芯某區(qū)域內(nèi)發(fā)生溫變或壓力應(yīng)變時(shí)，由于熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)，該區(qū)域內(nèi)纖芯的折射率、密度及散射點(diǎn)之間的距離將發(fā)生變化，從而引起該區(qū)域內(nèi)后向瑞利散射光的相位發(fā)生變化，后向瑞利散射光功率將隨之變化。通過(guò)檢測(cè)入射光脈沖與接收到的信號(hào)之間的時(shí)延差和對(duì)不同時(shí)刻的后向瑞利散射光功率進(jìn)行相關(guān)分析處理，即可準(zhǔn)確定位溫變應(yīng)變發(fā)生的位置及獲取溫變應(yīng)變信息[1]。

基于COTDR分布式光纖傳感利用相干探測(cè)原理，將外腔式半導(dǎo)體激光器發(fā)出的單頻窄線寬激光光源經(jīng)過(guò)耦合器分為兩路，一路光作為本振光，另外一路光作為信號(hào)光[2]。本振光與分布反饋半導(dǎo)體激光器發(fā)出的探測(cè)光脈沖合成互補(bǔ)的填充光(準(zhǔn)連續(xù)光)，可有效消除光浪涌。填充光進(jìn)入待測(cè)光纖，反向瑞利散射回來(lái)的光信號(hào)攜帶有待測(cè)光纖的相關(guān)信息，包括： 能量損耗、光線老化、光纖斷裂等信息，與本振光在耦合器耦合后進(jìn)入探測(cè)器混頻并經(jīng)過(guò)濾波器濾出需要的中頻信號(hào)，通過(guò)解調(diào)該信號(hào)的功率便可得出散射光的功率。通過(guò)外差解調(diào)實(shí)現(xiàn)分布式光纜對(duì)振動(dòng)信號(hào)的探測(cè)和傳輸；通過(guò)計(jì)算注入脈沖與接收信號(hào)的時(shí)間差和反向光信號(hào)功率的大小來(lái)識(shí)別并獲取外部入侵振動(dòng)精確的定位，與后臺(tái)數(shù)據(jù)分析處理模塊相結(jié)合，實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)光纖振動(dòng)的狀態(tài)[3]。COTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 COTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用及設(shè)計(jì)內(nèi)容

在某工程的高后果區(qū)地段設(shè)置分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用與管道同溝伴行的通信光纜中的1根纖芯作為探測(cè)光纖[4]，感知管道沿線的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)管道沿線背景信號(hào)及威脅信號(hào)智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)如車輛行駛、挖掘、打孔盜油等典型管道沿線威脅事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定位和報(bào)警，并能與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)[5]。

根據(jù)該工程高后果區(qū)域內(nèi)管道沿線站場(chǎng)、閥室地理位置的統(tǒng)一布局，在某閥室設(shè)置分布式光纖振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)(雙通道)和工作站，檢測(cè)范圍為兩側(cè)各60 km，共計(jì)120 km范圍，覆蓋了沿線主要的村鎮(zhèn)、學(xué)校等人口密集區(qū)，?；窂S區(qū)，自然、文物保護(hù)區(qū)域以及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域；另外在站場(chǎng)設(shè)置分布式光纖傳感管理平臺(tái)(含軟硬件)和監(jiān)測(cè)主站，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)管理并與調(diào)控中心生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

該系統(tǒng)主要由探測(cè)單元，預(yù)警數(shù)據(jù)采集與處理單元，預(yù)警監(jiān)控管理終端，預(yù)警管理平臺(tái)組成。

1)探測(cè)單元。該單元為管道光纜，用來(lái)實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍壓力、振動(dòng)等情況，將采集到的信息傳送給處理單元進(jìn)行分析。

2)預(yù)警數(shù)據(jù)采集與處理單元。該單元是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要是將光纜當(dāng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行處理，通過(guò)信號(hào)振動(dòng)以及定位計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信號(hào)傳遞，并顯示具體位置。一般包括激光器以及驅(qū)動(dòng)模塊、計(jì)算機(jī)處理模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊、光電轉(zhuǎn)換以及調(diào)理模塊等[6]。

3)預(yù)警監(jiān)控管理終端。該管理終端是用戶端在現(xiàn)實(shí)中操作的裝置，安裝于站控室或調(diào)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與報(bào)警信號(hào)的收集，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，確保管道威脅事件出現(xiàn)后能夠精準(zhǔn)定位，保證信息的實(shí)時(shí)傳送，預(yù)防危害管道安全的各種隱患[7]。

4)預(yù)警管理平臺(tái)。該平臺(tái)服務(wù)器是高于預(yù)警管理終端的一個(gè)管理終端，作為全線分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)控中心使用。由服務(wù)器、維護(hù)裝置構(gòu)成，光纖預(yù)警服務(wù)器安裝在調(diào)控中心內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)接收系統(tǒng)的報(bào)警數(shù)據(jù)，也可以同步檢查、監(jiān)測(cè)每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部單元的狀態(tài)[8]。

分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

3.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分就是探測(cè)(預(yù)警)單元，產(chǎn)生激光脈沖進(jìn)入光纖，并對(duì)光纖返回的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大整形、采樣、處理及傳輸。光纖探測(cè)主機(jī)典型參數(shù)見(jiàn)表1所列。

圖2 分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成示意

表1 光纖探測(cè)主機(jī)典型參數(shù)

光纖采用管道沿線同溝敷設(shè)的光纜，光纖的主要參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 光纖參數(shù)

3.3 工程應(yīng)用情況

該工程實(shí)施建設(shè)并投入使用后，根據(jù)后期跟進(jìn)反饋使用情況，整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

3.3.1 探測(cè)距離及定位精度

該系統(tǒng)具有雙通道并行監(jiān)測(cè)功能，單通道監(jiān)測(cè)距離可達(dá)60 km，即整套雙通道主機(jī)監(jiān)測(cè)距離可達(dá)120 km。同時(shí)能精確定位入侵點(diǎn)，定位精度在10～50 m可控，并以“標(biāo)識(shí)樁±偏差距離”的形式在報(bào)警信息中顯示。在探測(cè)距離、事件精確定位、適應(yīng)性等方面具有很大優(yōu)勢(shì)[9]。

3.3.2 識(shí)別入侵模式

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，該系統(tǒng)可識(shí)別不同類型的威脅事件，比如人工挖掘(可達(dá)管道兩側(cè)5 m范圍)、機(jī)械挖掘(可達(dá)管道兩側(cè)25 m范圍)、機(jī)械打樁、沖擊鉆等機(jī)械類事件模式。當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)的光纖被截段(或損耗過(guò)大)時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別光纖斷點(diǎn)的位置并在10 s內(nèi)發(fā)出警報(bào)。每種事件識(shí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)事件探測(cè)器，通過(guò)加載不同的探測(cè)器及相對(duì)應(yīng)的軟件模塊，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)調(diào)整參數(shù)，達(dá)到更有效地事件識(shí)別[10]。

3.3.3 報(bào)警模式

該系統(tǒng)會(huì)對(duì)自身狀態(tài)及威脅事件進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容包括： 分管巡線班組、系統(tǒng)狀態(tài)(故障、斷纖等)、報(bào)警狀態(tài)(確認(rèn)、未確認(rèn)等)、報(bào)警位置(標(biāo)識(shí)樁±偏差距離)、事件類型(人挖、機(jī)挖、過(guò)車等)、報(bào)警時(shí)間等。報(bào)警數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)，供后期查詢歷史報(bào)警信息；同時(shí)報(bào)警還能以語(yǔ)音、聲光、短信等形式進(jìn)行推送。

3.3.4 電子地圖信息或GIS功能

當(dāng)有報(bào)警事件產(chǎn)生時(shí)，會(huì)在靜態(tài)地圖上顯示告警位置，地理信息系統(tǒng)(GIS)地圖位置會(huì)出現(xiàn)不同程度的告警顏色閃爍提示，同時(shí)彈出報(bào)警窗口顯示報(bào)警位置，并能夠生成相應(yīng)的報(bào)告。結(jié)合電子地圖，可直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)情況及光纜的敷設(shè)路徑。

該系統(tǒng)運(yùn)行前，需要詳細(xì)地踏勘沿線的地理環(huán)境、人文環(huán)境，記錄周邊環(huán)境包括地理環(huán)境如山地、農(nóng)田、穿越公路、附近是否有工廠等信息。在傳感光纜兩側(cè)區(qū)域內(nèi)，標(biāo)出沿線站場(chǎng)、閥室、管線標(biāo)志樁、村莊、高速與傳感管道光纜路由交越點(diǎn)、管道穿越點(diǎn)及管道拐彎點(diǎn)、沿線施工點(diǎn)、接頭標(biāo)志樁及有可能危及管道安全的明顯標(biāo)識(shí)。在每個(gè)管道樁附近進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的砸鉛球測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域的響應(yīng)度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

3.3.5 視頻聯(lián)動(dòng)

當(dāng)管道沿線重要區(qū)域出現(xiàn)威脅事件時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)立即定位入侵點(diǎn)，產(chǎn)生報(bào)警，并在第一時(shí)間將報(bào)警信息上傳給綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)，由綜合監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)相應(yīng)位置的攝像機(jī)進(jìn)行視頻定位，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況并存儲(chǔ)入侵圖像，同時(shí)產(chǎn)生聲光警報(bào)和語(yǔ)音喊話警示，及時(shí)保障管道安全。

3.3.6 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)在防區(qū)的劃分上分為手動(dòng)和自動(dòng)、布防和撤防，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域可單獨(dú)布防和撤防，并設(shè)定虛擬防區(qū)的長(zhǎng)度參數(shù)，能夠全部或部分區(qū)域布防和撤防，布防和撤防狀態(tài)在系統(tǒng)上有明顯不同的顯示。當(dāng)光纜經(jīng)過(guò)一些特殊穿越地段需要屏蔽防區(qū)時(shí)，可手動(dòng)調(diào)至撤防模式，系統(tǒng)則不會(huì)對(duì)光纜的報(bào)警做出任何反應(yīng)。

3.3.7 報(bào)警統(tǒng)計(jì)與分析

該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道光纜線路，與管道維護(hù)人員配合，提高管道維護(hù)方面的管理水平。系統(tǒng)可方便地查詢、打印、導(dǎo)出歷史報(bào)警事件，并能對(duì)報(bào)警事件在時(shí)間、空間兩個(gè)維度上進(jìn)行分析，便于用戶對(duì)報(bào)警的管理。實(shí)際應(yīng)用中，由于管道沿線附近的活動(dòng)事件的類型數(shù)量多且較為復(fù)雜，多次誤報(bào)加重了巡防的難度。該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)報(bào)警閾值及設(shè)定辦法，針對(duì)具體的土壤物理參數(shù)可以分區(qū)域設(shè)置，經(jīng)主機(jī)對(duì)報(bào)警信號(hào)比對(duì)識(shí)別和分析處理，判斷報(bào)警類型和報(bào)警處理方式。對(duì)于常規(guī)類型的事件信息進(jìn)行歸類但不上報(bào)，只有遇上如第三方開(kāi)挖等有潛在威脅的事件告警時(shí)，再上報(bào)給值班人員進(jìn)行巡防，進(jìn)一步確認(rèn)告警事件。

3.4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過(guò)在該工程上應(yīng)用分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)提高集輸管道運(yùn)維管理的安全性。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)在上述工程運(yùn)用的實(shí)際情況，80%以上的入侵事件都有長(zhǎng)時(shí)間積累的特性，如果可以提早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)預(yù)防，都可以防患于未然。該系統(tǒng)可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，并在管道未破壞之前識(shí)別出沿線的破壞活動(dòng)，可有效保障管道安全。依靠報(bào)警信息，進(jìn)行有效統(tǒng)籌、調(diào)配管道巡檢人員，對(duì)管道進(jìn)行有目的性的重點(diǎn)監(jiān)控，這種管道巡檢人員與該系統(tǒng)相結(jié)合的管理方式，是一種主動(dòng)、高效率的管理模式。

2)提前感知管道存在的危險(xiǎn)。系統(tǒng)對(duì)管道沿線進(jìn)行有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)管道區(qū)域內(nèi)機(jī)械挖掘等行為及時(shí)識(shí)別、迅速地定位并報(bào)警，在相關(guān)行為產(chǎn)生實(shí)際危害前預(yù)警并阻止其繼續(xù)破壞，從而避免巨大損失。當(dāng)巡查人員進(jìn)行日常沿線維保時(shí)，一些譬如泥石流滑坡、長(zhǎng)年雨水沖刷造成的光纜裸露、斷裂等潛在危險(xiǎn)經(jīng)常發(fā)生在地勢(shì)惡劣的危險(xiǎn)區(qū)域，以上情況雖然巡檢時(shí)不容易被發(fā)現(xiàn)，但是很容易通過(guò)該系統(tǒng)識(shí)別并判斷出來(lái)。

3)縮短管理人員搶維修時(shí)間。當(dāng)該系統(tǒng)報(bào)警后，管道巡檢維保人員可在管道未遭受實(shí)質(zhì)性破壞前獲知現(xiàn)場(chǎng)入侵的類型、準(zhǔn)確位置等事件詳情，可第一時(shí)間趕往破壞現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)救援，最大程度地縮短維保人員搶維修時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該工程對(duì)分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，能達(dá)到遠(yuǎn)距離探測(cè)、精確判斷識(shí)別入侵事件的位置、及時(shí)進(jìn)行搶維修等目的，并可對(duì)第三方入侵和因不可抗力的極端天氣造成的破壞實(shí)行有效監(jiān)測(cè)，既能減少人工維護(hù)的成本，又能準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)警，確保管道安全運(yùn)行。