基于分布式光纤技术的管道安全预警技术分析

李华杰

(中石油中亚天然气管道有限公司，北京 100007)



基于分布式光纤技术的管道安全预警技术分析

李华杰

(中石油中亚天然气管道有限公司，北京 100007)

摘要：为保证穿越中亚地区能源管道的安全，分析了基于分布式光纤技术的管道安全预警技术。概述了分布式光纤预警技术的发展状况，研究了基于光纤技术的安全预警系统的检测和定位的基本原理、信号辨识和处理的技术和方法，针对中亚某管道项目的具体特征,分析了采用分布式光纤预警系统的优势和面临的主要技术问题。

关键词：分布式光纤安全预警管道辨识

Analysis of Safety Early Warning Technology for Pipeline Based on Distributed

Fiber-optic Cable Technology

Li Huajie

(Trans Asia Gas Pipeline LLP, Beijing, 100007,China)

Abstracts: Distributed fiber-optic cable technology based safety early warning technology for pipeline is analyzed to ensure the safety of energy pipeline passing through Trans Asia. Current development status of warning technology based on distributed fiber-optic cable is summarized. Basic principle of detection and location of safety early warning system based on distributed fiber-optic cable, technology and methods of signal identification and processing are studied. The advantages and main technical problems of adopting safety early warning technology system based on distributed fiber-optic cable are discussed with focusing on the specific features of one Trans Asia pipeline project.

Key words:distributed fiber-optic cable; safety early warning; pipeline; identification

长输天然气管道具有距离长、穿越各种不同地形、沿线社会状况变化大等特点，一旦发生事故，容易在经济、社会和环境等方面造成严重后果。因此，从20世纪70年代美国开始，国内外高等院校、研究所和石油公司广泛进行了管道安全运行和防护技术的研究，根据不同原理形成了各种安全预警技术。例如由澳大利亚的未来光纤科技公司提出的分布式光纤预警技术、美国Battelle研究所开创的管道声波预警技术、以色列Hadas公司和Magal公司研究的地震检波器预警技术、利用阴极保护点动态监测阻抗的电磁波预警技术、基于地表三维信息和高程变化信息的合成孔径雷达干涉测量预警技术、地面三维激光扫描预警技术、时域发射预警技术、岩石声发射预警技术等。各种技术的目标均是及时辨别出管线遭入侵、破坏泄漏、地质灾害的威胁，为保护管道免遭破坏和检修赢得了宝贵时间[1-4]。

近年来，新建的天然气管道均沿线同沟敷设通信光缆。因此，利用光缆中的一根或几根光纤进行管道安全预警具有独特的经济和技术优势，使其在管道安全预警领域极具潜力，特别适合面临通信、供电困难和具有野外带状区域特征的长输管道的安全预警。某中亚管道穿越的自然环境和社会环境极端复杂恶劣，而管线的经济政治意义重大，文中拟对其采用的分布式光纤安全预警技术进行分析，以保障该管道的安全运行和防护。

1分布式光纤预警技术原理

1.1光纤预警技术

光纤预警技术是根据光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(温度、压力、磁场、电场位移等)的作用而直接或间接发生变化，利用光纤作为传感器，从而探测出各种待测量并辨别出入侵、泄漏、地质灾害等威胁。它从传感机理上可分为振幅型(强度型)和相位型(干涉仪型)，相位型光纤传感器的灵敏度很高，它的原理是在一段单模光纤中传输相干光，由于待测物理因素的作用，产生相位调制。根据不同的传感模式，近年来产生了多种预警方法，如美国FCI环保公司开发的Petro Sense多光纤探头遥测预测法、英国York Sensors首家开发的分布式光纤测温预警方法、基于Mach-Zehnder光纤干涉仪的泄漏检测预警法、基于Sagnac光纤干涉仪的泄漏检测预警法、光纤光栅泄漏检测预警法等[2]。

1.2光纤预警技术原理

各种光纤预警方法具有相同的基本结构和基本原理，主要差别在于信号提取和处理算法的不同。基本原理： 当管道附近有异常信号时，光纤受到外在因素作用导致光纤长度、直径和折射率发生变化，进而导致光波相位或强度发生变化，测量传感光纤中光波相位或强度的变化即可获得管道附近的振动信号，通过对管道沿线检测的振动信号的分析处理，就可以有效检测出管道沿线所发生的泄漏或入侵等事件。以相位型为例，分布式光纤预警系统的结构如图1所示。

图1　分布式光纤预警系统示意

从图1可以看出，同一光源发出连续光波，以完全相同的形态在测试光纤A和B中同时传播，因而在2条测试光纤中形成相干光波。2条测试光纤会受到管道沿线各种物理因素的影响发生应力应变，因而2条测试光纤中传播的相干波束会分别产生相位变化，但2条光纤受外界同一事件作用产生的应变不完全相同，所以2条光纤中的相干波束产生的相位变化也不完全相同，由此会引起2条光纤在汇合处产生的干涉光的变化。产生的干涉光由通信光纤C传至信号处理装置分析后再传至管道SCADA系统，实现管道的安全预警。

当光纤附近的同一物理因素引起测试光纤A和B中光波相位调制量分别为s1(t)与s2(t)时，沿光纤传播的2束相干波均为简谐波，则测试光纤C中受调制的光波波动方程为

ψ1=A1cos[ω t+s1(t)+φ1]

(1)

ψ2=A2cos[ω t+s2(t)+φ2]

(2)

式中：ψ1，ψ2——2束相干波场强；A1，A2——光场振幅；ω——光波角频率；φ1，φ2——初始相位。

叠加后的光场A为

(3)

(4)

设I0为输入测试光纤的总光强，α为两相干波的混合效率，则有：

I(t)=I0[1+αcos(Δs(t)+Δφ)]

(5)

若仅考虑交流光强，则可简化为

I(t)=I0αcos[Δs(t)+Δφ]

(6)

经光电转换器将光强转为电流，光电流交流量为

i(t)=KI0αcos[Δs(t)+Δφ]

(7)

式中：K——光电转换系统的光电转换系数。

当Δφ为π/2时为直流偏置，此时光电流和检测相位变化的斜率最大，检测灵敏度最高。若Δφ取常数，则检测信号是2束相干波相位调制差Δs(t)的函数。因2条测试光纤A和B所处的位置不同，当它们受到外界因素的影响时，产生的应力应变也不相同，导致在光纤中传播的2束相干波产生的相位变化也不相同，通过实时检测干涉光信号的变化，便可检测出分布式光纤传感器沿途产生的预警信号，通过SCADA系统便可实现安全预警功能。

1.3光纤预警检测定位原理

检测定位是通过同时传播方向相反的2组光波，在光纤传感器两端均产生干涉信号。当测试光纤受到扰动时产生应力应变，该处产生光波相位调制，产生相位调制的光波沿光纤分别向两端传播，由于扰动位置距两端的距离不一致，光速不变，使用2个光电检测器检测两端干涉信号发生变化的时间差，便可计算出发生扰动的位置。光纤检测的一大优点是光速不受管道内输送介质、压力、温度等因素的影响，可获得比其他管道预警定位技术更高的精度[3]。

设分布式光纤预警系统的两端探测器分别检测到同一扰动事件的时间为t1和t2，Δt=t1-t2，检测光纤长度为L，扰动点距监测装置1的距离为x，光纤中传播的光速为v，则可计算出：

(8)

(9)

式中：c——光在真空中速度；n——光纤的折射率。

当定位精度要求很高时，可采用比较2个信号波形的办法。比较2个形状几乎一样的检测信号波形，对2个检测信号进行相关运算，如互功率谱密度法等，获得2个检测信号之间更精确的时间差。

1.4光纤预警信号识别技术和方法

为降低甚至消除光纤预警系统的误报率，提高系统的可用性，需要对管道沿线所发生的事件逐一辨别，区分出对管道安全没有威胁的正常活动和威胁管道安全的事件。长输管道沿途会穿越城镇村庄、农田、江河、沙漠、荒地、铁路、各种等级的公路等不同地带，背景信号噪声多种多样。因此，信号识别技术对提高管道光纤预警系统的实用性极其重要，即尽量获取管道周围的环境噪声的数据，建立庞大的环境噪声数据库，记录环境噪声的细节和信息，根据各种检测信号的不同特征对各种信号分类，管道沿线的检测数据通过信号识别预处理技术提取测试数据的特征，并对测试信号分类，从而准确区分出管道沿线的各种测试信号的特征，保证检测系统准确识别管道附近发生事件的性质[4]。

基于不同的信号处理原理，从传统的傅里叶变换开始的信号处理技术目前已发展出基于小波包分解的检测信号特征提取技术、基于经验模态分解的检测信号特征提取技术、基于径向基神经网络的识别方法、基于支持向量机的识别方法等。信号识别和处理技术是光纤预警系统的关键点和最大难点，目前全球各家公司提供的光纤预警系统均标榜其独到的信号识别技术，有些公司的产品从建成到系统投用需要数年的调试时间，其中主要的调试内容就是辨识环境噪声，建立环境噪声数据库，有的系统还具有自学习和自适应功能，可以自动存储发生的环境噪声和威胁事件的特征。因此，对长输天然气管道而言，光纤预警系统的信号处理技术的好坏是投用成功与否的关键因素[5]。

2对中亚某管道采用光纤预警技术的分析

该管道位于中亚地区，管道穿越大量人烟稀少区，依托环境差、形势复杂，沿线社会状况变化较大，自然条件也极其恶劣，山区段多，有大量隧道、河流穿越。该管道政治经济意义重大，为保障管道安全运行，在常规的人工巡检方式外，应探寻装备使用精确定位、可靠性高的安全预警系统[6]。

该管道采用通信光缆全线同沟敷设，采用分布式光纤预警系统技术不需再敷设光纤，可在管道建设时同步实现，因而与基于其他技术的安全预警系统相比，有经济和进度上的保证。全球许多专注安全预警系统的机构已成功实现了多例光纤安全预警系统，国内的油气管线近年来也有较多应用，均在各自领域取得了较好的效果，光纤预警系统的可靠性逐渐提高。同其他的安全预警方式相比，如红外线检测方式，基于光纤预警的检测系统的一大优势在于可以提前发现安全威胁，保证及时检修，减少或者避免经济损失和人员伤亡。

管道的阀室、压气站等有安全预警需求的场所均可采用环形光纤预警系统。线路的光纤预警系统可以利用通信光缆中的剩余光芯实现，根据所采用光纤预警系统的产品特征每隔一定的距离设置信号发生和处理装备，进入SCADA系统实现全线安全预警。例如瑞士OMNISENS公司的DITEST光纤产品利用普通通信光纤，通过每隔30 km设置双向信号发生和处理装置可在很短的时间内实现3 m的检测精度，它的基本原理是当管道发生泄漏时，泄漏点会发生温度变化，引起光纤应力应变，进而使通过光纤的光波相位发生变化，根据光波的相位变化情况便可确定管道是否发生泄漏，根据双向传播的光波从泄漏点到两端信号检测装置的时间差便可确定泄漏点的位置。它实现入侵检测和地质灾害如大地位移、管道变形等的检测原理同泄漏检测原理基本一致，所不同的是入侵检测和地质灾害检测不是根据光纤所处的温度变化情况，而是根据管道或土壤发出的声波或振动情况来辨别是否有安全威胁。光纤检测的灵敏度还同光纤和管道所处的相对位置有关，应使光纤位于天然气管道上部，并同管道保持一定的距离。世界各大公司的光纤预警产品的主要区别在于所采用的检测方式和辨识技术不一样，良好的辨识技术是优秀光纤预警产品的一大特征，它的算法主要通过编制的信号处理软件来实现，为有良好的辨识效果，有的产品可能需要花费数年时间建立环境噪声的数据库。同时，信号处理和辨识的时间也非常关键。为实现较高的检测精度所需的算法工作量是呈几何倍数增加的，这就意味着把检测精度从30 m提高到3 m需要增加巨大的算法工作量，从而增加辨识时间，所以如何平衡预警时间和检测精度也是应用光纤预警系统需考虑的主要问题之一。

3结束语

通过对分布式光纤预警系统的研究和中亚某管道项目实际情况的分析，结合管道面临的实际安全状况和工程建设的方案，采用光纤预警系统较适合该管道项目所处的复杂形势。同沟光缆敷设情况下基于分布式光纤技术的管道安全预警系统除了经济上合理、工期上有保证、质量上可靠外，可实现对管道全线的安全预警全覆盖。为提高辨识精度、辨识效率和辨识的有效性，降低误报率，需采用具有优秀辨识算法、能够合理建造环境噪声数据库的产品，并综合考虑平衡响应时间和检测精度。作为发展的趋势，随着信号识别和信号处理、辨识技术的进一步发展，光纤预警系统将为管道安全平稳运行提供更强有力的保障。

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中图分类号：TP277

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0057-04

作者简介：李华杰(1983—)，男，毕业于清华大学自动化专业，获硕士学位，现就职于中石油中亚天然气管道有限公司，主要从事天然气管道自动化、通信领域的研究工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-10-15，修改稿收到日期： 2015-12-14。