蔡永軍 王海明 高義 滕振恒 陶冶 莊楠 王寧 張弢甲

1國家管網(wǎng)集團(tuán)研究總院

2國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)

3國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司

油氣管道光纖安全預(yù)警是指利用管道同溝敷設(shè)的伴行光纜感知管道沿線的振動信號，實(shí)現(xiàn)對第三方破壞監(jiān)測預(yù)警。經(jīng)過十余年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在中俄東線、西氣東輸?shù)裙艿酪?guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷更新迭代，監(jiān)測距離、靈敏度、識別能力都在不斷提升，但是管道運(yùn)行單位理解的技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)供應(yīng)商理解的技術(shù)指標(biāo)不一致，生產(chǎn)需求和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性之間也存在一定差距。概念認(rèn)知不一致，測試、計(jì)算方法不統(tǒng)一等問題嚴(yán)重制約了技術(shù)的推廣和廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 光纖預(yù)警技術(shù)原理

光纖振動傳感方法眾多，目前用于長距離監(jiān)測的光纖預(yù)警技術(shù)主要為基于相位敏感型光時域反射的技術(shù)（Phase Sensitivity Optical Time Domain Reflectometry，簡稱Φ-OTDR）。圖1 所示的Φ-OTDR方法采用光時域散射方法探測后向瑞利散射光的強(qiáng)度和相位變化來實(shí)現(xiàn)外部擾動探測。利用光纜沿線不同位置的光在不同時刻返回的原理，將數(shù)十千米的光纜按照空間分辨率的大小切成等間距的塊，實(shí)現(xiàn)不同位置的多事件探測及定位。

圖1 相位敏感型光時域反射儀原理Fig.1 Principle of phase sensitive optical time domain reflectometer

2 技術(shù)指標(biāo)影響分析

光纖預(yù)警系統(tǒng)核心技術(shù)指標(biāo)包括靈敏度、監(jiān)測距離、定位精度等，這些指標(biāo)與系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)及算法相關(guān)，部分指標(biāo)從原理上互斥，不能同時實(shí)現(xiàn)提升。

2.1 靈敏度

靈敏度是指系統(tǒng)能夠檢測到的最小振動強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)測試方法是對特定加速度的響應(yīng)[3]。一般以垂直管道方向上的機(jī)械挖掘或人工作業(yè)能夠檢測的最大距離表示，例如機(jī)械挖掘最大25 m，人工挖掘最大2 m。但是挖掘機(jī)的馬力、鏟斗大小、作業(yè)方式千差萬別，難以標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)現(xiàn)。對此行標(biāo)SY/T 6827—2020 和SY/T 4121—2018 規(guī)定使用10 kg 的重物以自由落體的標(biāo)準(zhǔn)沖擊響應(yīng)方式來測定系統(tǒng)的振動靈敏度[4]。

2.2 監(jiān)測距離

監(jiān)測距離是指一套設(shè)備滿足最低靈敏度要求時能夠監(jiān)測到的最大光纖長度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求一般不應(yīng)小于40 km，考慮光纜質(zhì)量問題又規(guī)定動態(tài)范圍大于10 db 的客觀指標(biāo)。在系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測距離的長短與探測光能量的大小呈正比，探測光能量越大監(jiān)測距離越長，探測光能量是光功率和光脈沖寬度的乘積，理論上可以通過提高光功率和脈沖寬度來增加探測距離。實(shí)際上過大的光功率會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，影響探測效果，因此通過增大光功率的方法提升監(jiān)測距離的潛力不大，實(shí)踐中一般通過增加脈沖寬度來提升探測距離[5-8]。為了進(jìn)一步提高監(jiān)測距離，還可以使用分布式放大和復(fù)用技術(shù)，常用拉曼光纖放大器（FRA）、摻耦光纖放大器（EDFA）實(shí)現(xiàn)長距離探測。據(jù)報道，通過多級放大可以實(shí)現(xiàn)120 km以上光纜的振動監(jiān)測。

2.3 定位精度

定位精度是指報警發(fā)生的真實(shí)位置與實(shí)際位置之間的最大誤差，是多次測試的統(tǒng)計(jì)平均值。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，定位精度受制于光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率，三者既有區(qū)別也有聯(lián)系。

定位精度是系統(tǒng)實(shí)際測試的表現(xiàn)，屬于應(yīng)用端，空間分辨率主要側(cè)重光學(xué)層，采樣率側(cè)重電子層。部分廠家將采樣率等同于定位精度或者空間分辨率，既不全面也不準(zhǔn)確，單純的提高采樣頻率并不能最終提高定位精度（圖2）。

圖2 定位精度與空間分辨率的關(guān)系Fig.2 Relationship between positioning accuracy and spatial resolution

空間分辨率是指空間相鄰兩個事件能被系統(tǒng)識別并區(qū)分的最近距離，一般通過能夠空間區(qū)分的2個同時發(fā)生的振動事件來定義。光纖預(yù)警系統(tǒng)的空間分辨率由探測光脈沖的寬度決定。

式中：Rs為空間分辨率，m；n為光纖折射率；c為光速，m/s；τ為探測光脈沖寬度，s。

從公式（1）可知，壓縮空間分辨率需要減少光脈沖寬度，但是脈沖寬度減少也減少了光能量，壓縮了監(jiān)測距離。因此系統(tǒng)的監(jiān)測距離長和空間分辨率高難以同時實(shí)現(xiàn)，測得遠(yuǎn)必然精度低，需要精度高必然距離短，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際場景均衡選擇相關(guān)參數(shù)[9-12]。

采樣率對應(yīng)每秒采集的數(shù)據(jù)量，對基于時間定位的光纖預(yù)警系統(tǒng)來說，在一定程度上決定了定位精度。在空間分辨率以下提高采樣頻率可以提高定位精度，但是當(dāng)采樣率高于空間分辨率之后，多次采樣可能采集的是同一個采集信號，再提高采樣頻率已經(jīng)沒有意義。

如果采用定位重復(fù)性來評價系統(tǒng)的定位精度，那么空間分辨率差和采樣率低的系統(tǒng)可能會因?yàn)槎啻问录荚谕粋€空間分辨率區(qū)間內(nèi)，使事件定位的重復(fù)性更高。因此，采用實(shí)際位置與真實(shí)位置的偏差，更能客觀反應(yīng)定位值與真實(shí)值的接近程度，可以避免低空間分辨率設(shè)備測評出更高的定位精度。

2.4 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間一般指現(xiàn)場振動產(chǎn)生到系統(tǒng)報警的時間。光纖預(yù)警系統(tǒng)采用光信號探測傳感段，如果探測到即報警，系統(tǒng)可以在ms 級內(nèi)完成運(yùn)算并響應(yīng)。但機(jī)械挖掘、人工挖掘等事件，不可能剛開始挖就被識別，只有持續(xù)一段時間后才能被識別和認(rèn)定，同時為了盡可能降低非威脅報警數(shù)量，減少正常的第三方活動影響，各廠家一般都在事件持續(xù)一段時間之后再進(jìn)行預(yù)警，因此測試得到的響應(yīng)時間主要反應(yīng)廠家算法的處理效率[13-19]。

2.5 報警率和誤報率

光纖預(yù)警系統(tǒng)采用報警率評價報警的準(zhǔn)確率，誤報率評價報警錯誤率。報警率和誤報率的計(jì)算應(yīng)區(qū)分測試狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)采用不同的計(jì)算和表達(dá)方式。

在測試狀態(tài)中報警率定義為報警次數(shù)與實(shí)際測試次數(shù)的比值；運(yùn)行狀態(tài)中采用有效報警率來評價報警的準(zhǔn)確性，定義為檢測范圍內(nèi)真正發(fā)生的威脅管道安全運(yùn)行的第三方損壞事件與系統(tǒng)報警事件的比值。

誤報率在測試狀態(tài)中定義為誤報次數(shù)與測試次數(shù)的比值，運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)用中可采用次/千米·月方式來評價系統(tǒng)誤報的情況。現(xiàn)場測試中因?yàn)椴荒芡耆忾]幾十千米的區(qū)段，必然會有未經(jīng)核實(shí)的第三方活動，因此運(yùn)行和測試中統(tǒng)計(jì)的誤報率會高于實(shí)際水平，一般不會出現(xiàn)誤報為零的情況。

系統(tǒng)的識別能力是事件發(fā)生數(shù)量與報警識別能力的比值，在系統(tǒng)識別能力一定的情況下，事件數(shù)量越多，報警數(shù)量也越多。按照公式（2）貝葉斯公式可知，同樣的識別能力，在不同先驗(yàn)概率樣本空間的條件下會有不同的結(jié)果。

按照海因里希法則，1次事故就會有29次輕微事故，300次未遂事故。管道光纖預(yù)警系統(tǒng)使用中遇到的就是在這樣的樣本空間中判斷威脅事件，1 次能夠?qū)艿涝斐赏{的機(jī)械施工，會有29次的管廊帶附近施工，300次的其他機(jī)械作業(yè)，3 000次的機(jī)械通過。假設(shè)算法識別事故的識別率為99%，按照公式（2）在上述的樣本空間中，3 000次的機(jī)械通過會有30次被識別成需報警事件，300次中的3次的其他機(jī)械作業(yè)也會被識別成需報警事件，29次的管廊帶施工也會有0.29次被識別成需要報警事件。按照這樣的推斷，在只有1起待報警真實(shí)事件的情況下，會產(chǎn)生34 次報警，報警正確率不足3%。因此系統(tǒng)的報警率和誤報率與運(yùn)行環(huán)境高度相關(guān)，背景越復(fù)雜誤報率越高。

實(shí)際應(yīng)用中都希望報警率越高越好、誤報率越低越好，但是這兩個指標(biāo)在物理上相互制約，不可能同時提升。報警率和誤報率是一個硬幣的兩面，高報警率和低誤報率不可能同時實(shí)現(xiàn)，提升報警率必然帶來誤報率的提升，兩者之間的關(guān)系一般按照圖3 的ROC 曲 線（receiver operating characteristic curve，ROC 受試者工作特性曲線）進(jìn)行變化。實(shí)際工作中應(yīng)該合理根據(jù)需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)，使誤報率和報警率盡可能靠近原點(diǎn)。

圖3 識別能力的ROC曲線Fig.3 ROC curve of recognition ability

3 測試方法

光纖預(yù)警測試和驗(yàn)收中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的評價一直存在爭議，主要依靠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試并提供報告，因此管道運(yùn)營單位設(shè)備采購時經(jīng)常需要進(jìn)行前置測試。從標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)驗(yàn)證的角度看室內(nèi)測試相對客觀，更容易實(shí)現(xiàn)，但是只能反應(yīng)系統(tǒng)對可測量振動量值之間的關(guān)系，與現(xiàn)場應(yīng)用認(rèn)知需求存在差距?，F(xiàn)場測試容易理解，直接反應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用情況，簡單直觀，但是影響因素較多，很難標(biāo)準(zhǔn)化。因此必須把室內(nèi)和現(xiàn)場測試結(jié)合起來，綜合評價實(shí)際使用效果。

3.1 室內(nèi)測試

由于靈敏度和監(jiān)測距離為光學(xué)結(jié)構(gòu)本身所決定，只需要標(biāo)準(zhǔn)化測試環(huán)境即可測量出這兩個指標(biāo)的性能和水平，相反過于復(fù)雜的環(huán)境影響因素并不利于量化。因此，這兩個指標(biāo)適合于室內(nèi)測試。

3.1.1 靈敏度測試

參考振動入侵探測器的靈敏度測試方法，GA1217 提出了一種光纖振動探測器的室內(nèi)靈敏度測試方法并被石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引用。如圖4所示，采用連續(xù)落球?qū)嶒?yàn)來評價探測器的靈敏度，以有報警信號或瀑布圖上有明顯振動信號作為判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 入侵報警功能測試Fig.4 Intrusion alarm function test

另外，針對SY/T 6827—2020《管道光纖預(yù)警系統(tǒng)埋地應(yīng)用需求》提出了沙箱實(shí)驗(yàn)測試方法測試振動傳感器的埋地性能，通過充填的粗顆粒土來模仿土層的緩沖作用更加反應(yīng)實(shí)際靈敏度。

3.1.2 監(jiān)測距離測試

監(jiān)測距離的測試需要同時滿足距離和響應(yīng)兩個要素，可以采用圖4的測試方法在光纜的特定距離上進(jìn)行測試，所能夠測量最低靈敏度響應(yīng)的最遠(yuǎn)距離就是系統(tǒng)的最大監(jiān)測距離，一般監(jiān)測距離取整到千米。

3.2 室外測試

室外測試的激勵設(shè)備、光纜的埋深與管道的遠(yuǎn)近、土壤環(huán)境等因素對激勵和響應(yīng)的影響較多，因此室外測試應(yīng)該列明所用工器具、測試環(huán)境和作業(yè)方法。

3.2.1 定位精度測試

管道運(yùn)營通常采用地面標(biāo)志樁進(jìn)行空間定位，所有的報警點(diǎn)都是距離管道標(biāo)識的偏移距離。測試應(yīng)選擇空曠、無干擾環(huán)境進(jìn)行數(shù)次測試，之后再取平均值，測試工具推薦使用10 kg 鉛球，在一定高度進(jìn)行自由落地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動沖擊信號來模擬人工挖掘。

3.2.2 響應(yīng)時間測試

現(xiàn)場模擬測試持續(xù)時間要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時間，從測試開始計(jì)時，測試時間到達(dá)系統(tǒng)設(shè)置的響應(yīng)時間后，觀察系統(tǒng)有無報警產(chǎn)生。響應(yīng)時間設(shè)置長短通常跟現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜度和用戶方要求有關(guān)，且人工挖掘響應(yīng)時間和機(jī)械挖掘響應(yīng)時間設(shè)置可以不同，在規(guī)定時間內(nèi)響應(yīng)即通過。一般采用挖掘機(jī)在垂直與管道5 m處采用鏟斗夯擊地面，作業(yè)不少于5 次，作業(yè)持續(xù)30 s，從作業(yè)開始到系統(tǒng)報警響應(yīng)之間的時間間隔就是響應(yīng)時間。

3.2.3 報警率和誤報率

如果分開考核報警率和漏報率的測試方法，可能出現(xiàn)技術(shù)提供商報警率測試（靈敏度測試）時采用一種參數(shù)設(shè)置，而誤報率測試時采用另外一種參數(shù)設(shè)置的可能。因此可以采取混合測試的方法，在指定日期段進(jìn)行封機(jī)測試，同時考核報警率和誤報率，測試時實(shí)時復(fù)核報警結(jié)果，將所有的主動測試報警和核實(shí)事件排除之后的報警作為誤報警次數(shù)。

4 技術(shù)應(yīng)用展望

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，成為油氣管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，還需在以下三個方面進(jìn)一步統(tǒng)一認(rèn)識、明確技術(shù)定位，提升識別能力。

（1）統(tǒng)一對報警事件認(rèn)識。光纖預(yù)警系統(tǒng)靈敏度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)全線的分布式振動測量，這些振動信號大部分不會對管道的運(yùn)營產(chǎn)生影響，如何定義需要報警的事件需要統(tǒng)一認(rèn)識。比如“管道10 m以外的機(jī)械作業(yè)應(yīng)不應(yīng)該報警”。有的運(yùn)營單位認(rèn)為這已經(jīng)在5 m的管廊帶以外了，不用報警，都算誤報。有的運(yùn)營單位認(rèn)為機(jī)械挖掘很快，30 m 之內(nèi)的機(jī)械挖掘都應(yīng)該監(jiān)控。應(yīng)該認(rèn)識到光纖振動預(yù)警技術(shù)作為一種預(yù)警手段，預(yù)警信息不代表事故發(fā)生，只是管道受破壞風(fēng)險提高的提示。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該統(tǒng)一將管廊帶附近的第三方機(jī)械挖掘活動都作為潛在的風(fēng)險隱患進(jìn)行報警提示，未遂事件和事故都作為應(yīng)報警事件，而不是沒出事就是誤報。對于報警的信息，可根據(jù)高后果區(qū)類型、人為活動強(qiáng)度、報警時段等進(jìn)行分級管理，減少需要現(xiàn)場確認(rèn)的工作強(qiáng)度。

（2）建立通用的識別樣本庫。事件識別能力的提升依賴于樣本數(shù)據(jù)庫積累，由于各個廠家都按照自己的規(guī)范開發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣率，數(shù)據(jù)格式互不兼容。不同廠家采集的樣本無法復(fù)用，制約了全行業(yè)識別能力的提高。建議統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，規(guī)范化樣本標(biāo)注方式，通過機(jī)器學(xué)習(xí)提升全行業(yè)識別能力。

（3）明確技防系統(tǒng)的定位。光纖預(yù)警的作用主要是振動探測，現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)該將光纖預(yù)警系統(tǒng)定位為人防和物防的提高和補(bǔ)充，作為一種24 h的管道沿線振動監(jiān)控工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對第三方活動高發(fā)區(qū)進(jìn)行按需巡線。應(yīng)用中以現(xiàn)場核實(shí)來評價是否誤報，運(yùn)營中存在系統(tǒng)報警趕到現(xiàn)場時作業(yè)已經(jīng)停止，沒有發(fā)現(xiàn)的情況，造成誤報率偏高。對于系統(tǒng)報警應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、持續(xù)時間等進(jìn)行二次判斷，實(shí)踐中可以將光纖預(yù)警的報警信息與高后果區(qū)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合，利用智能視頻對光纖預(yù)警信息進(jìn)行復(fù)核，對有人為活動主體的報警才進(jìn)行人工現(xiàn)場確認(rèn)，進(jìn)一步降低人工現(xiàn)場復(fù)核的勞動強(qiáng)度[20]。

5 結(jié)束語

因?yàn)樾袠I(yè)一直沒有CMA/CNAS等行業(yè)認(rèn)可的測試機(jī)構(gòu)，技術(shù)提供商宣稱的技術(shù)指標(biāo)種類繁多，目前各管道運(yùn)營商都開展采購前的前置測試，用以確認(rèn)技術(shù)提供商的技術(shù)能力和產(chǎn)品性能。因此需要建立公允測試方法，推動專門的技防測試標(biāo)準(zhǔn)的建立，有針對性地培育專門的測試機(jī)構(gòu)，建立專門測試平臺，推薦專門的試驗(yàn)管道和典型環(huán)境，給出相對可信的室內(nèi)測試報告和現(xiàn)場測試報告，便于各個廠家的技術(shù)指標(biāo)處在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行對比。