光纤通信技术在能源输送管道工程中的应用

上海燃气工程设计研究有限公司 马 雯

通信系统作为能源输送管道工程的重要组成部分，承担着管道生产运行SCADA数据以及各类生产管理业务数据传输的重任，是保障管道安全运行的重要因素。同时，随着通信技术的快速发展和数字经济时代以及工业4.0时代的到来，数字化、智能化管道建设将进入快速发展期，而通信技术是实现数字化乃至智能化管道的重要基础支撑。

上海现有的某成品油管道，由于输送量已不能满足城市快速发展带来的日趋增长的市场供应，将在原管道起点和终点之间新建一条大输量的成品油管道。本文将以此工程为研究对象，深入调研分析原有管道通信系统现状及实际应用需求，充分运用先进的信息通信技术来为管道的健康、安全和稳定运行保驾护航。

1 原有管道通信系统现状

上海某成品油原有管道由首站、末站和53 km成品油管道构成。通信业务主要有SCADA数据、工业电视监控、办公网络、话音通信等数据，采用租用公网通信作为各业务数据传输的通信系统。

1.1 SCADA数据

在首站和末站之间租用1条中国电信2 Mbps带宽的公网数字电路作为SCADA数据传输的主用通信方式，租用另1条中国移动2 Mbps带宽的公网数字电路作为 SCADA数据传输的备用通信方式，目前使用情况良好，能够满足SCADA数据传输的要求。

1.2 工业电视监控图像

工业电视监控由首、末站摄像机站内本地监控和管道沿线重点区域摄像机远程监控两部分组成。管道沿线视频监控图像采用租用公网无线通信传输至末站进行远程监控，以满足管道完整性管理要求。在实际使用过程中，由于高清视频监控图像对通信带宽要求较高，采用公网无线通信方式存在信号不稳定、传输速率慢、无线通信模块故障率高、数据传输流量费用高等问题。

1.3 其他业务数据

办公网络、话音通信等其他业务通信均通过租用运营商公网通信实现，目前使用情况较好，能够满足各业务数据通信要求。

2 新管道通信业务需求

新建成品油管道有2座工艺站场（首站和末站）、3座线路截断阀室（1#～3#阀室）以及61 km成品油管道（约11 km架空敷设管道和50 km埋地敷设管道），并由位于末站的调控中心对首站和3座阀室进行集中调控。根据新管道实际情况，数据通信需求由原管道首、末站之间两点传输，增加为末站与首站和3座阀室之间多节点、多种业务数据的实时传输。信息通信需求除传统的数据通信、管道沿线高后果区视频监控图像实时远传外，还增加了管道安全监测预警等智能化管道新技术应用需求。

各通信业务流向和特点总结分析如下：

（1） SCADA数据业务：是生产运行控制类业务。0#、－10#柴油、92#、95#汽油多品种成品油顺序输送管道对SCADA数据通信要求更高，是管道通信业务中的重中之重。该管道要求传输时延小、实时性高、误码率低、可靠性高，并具有流量小的特点。站场通信系统的数据传输速率不低于128 kbps，阀室通信系统的数据传输速率不低于19.2 kbps。

（2） 话音通信业务（调度电话、行政电话）：是非控制生产类业务，属于准实时性业务。要求可靠性高，具有流量小、传输频度低于SCADA数据的特点，是日常生产不可或缺的业务，是保障生产调度正常运转的基本手段。

（3） 工业电视监控、自动监测报警等业务：首站、各阀室以及管道沿线高后果区设置的 24个摄像机至末站之间的工业电视监控图像数据传输，具有流量大的特点。每路高清视频图像数据带宽不低于2.4 Mbps（采用H.265编码）。

（4） 管道安全监测预警业务：运用传感技术实时监测第三方破坏事件并进行事前预警和定位。报警信息数据传输带宽不低于128 kbps。

综上所述，新管道通信业务需求呈现传输节点增多、业务种类丰富、通信质量、安全、带宽和实时性要求高等特点，需解决管道沿线工业电视监控图像传输稳定性较差以及数据流量费用较高的问题，保障高清视频监控图像稳定、可靠、经济的传输至末站进行远程监控。同时，鉴于管道输送介质具有易燃易爆的属性，需探索采用有效技术手段来实时监测管道安全，对人为破坏和机械挖掘等可能引发管道损伤的安全威胁事件进行预警和定位。

3 光纤通信技术方案

经研究分析，运用光纤通信技术可同时满足上述几方面信息通信需求，采用与管道同沟敷设通信光缆组建SDH光通信系统作为SCADA数据和其他业务数据的主用通信系统，同时租用公网MSTP数字电路点对点专线作为SCADA数据备用通信，当主用通信链路中断或设备出现故障时，通过动态路由协议自动切换为备用通信系统，主备联合形成成环保护，从而实现更为安全、稳定、可靠、高速的数据通信系统；利用同沟敷设的光缆为管道沿线视频监控提供稳定、经济的实时高清影像传输；运用光纤传感技术，将与管道同沟敷设的通信光缆作为分布式光纤传感器，对管道周边土壤振动情况进行长距离实时监测，从而实现管道安全实时监测预警和定位。

3.1 SDH光通信组网方案

管道全线采用基于MSTP的SDH同步光传输系统组网，配置具有多种业务接口的设备，可以方便地传输数据、话音和图像。由于本成品油管道相对独立，未有其他管道及光缆与之互联，因此采用线型结构，并采用点对点或链路的1+1和1:1线路保护倒换。在建设管道的同时与管道同沟敷设1条光缆，并在管道工程站场和阀室各设置 1套 SDH光通信设备，其中，首站和末站采用传输速率等级为 STM-16的光通信设备作为数据汇聚主干层节点，主干层节点共占用光缆中的 4芯光纤采用1+1MSP线性复用段保护方式组网；3座阀室采用传输速率等级为 STM-1的光通信设备作为接入层节点，采用线性0+1MSP方式，向首、末站汇聚实现双方向通道保护；同时，为进一步加强光通信网络的可靠性，对设备的主要单板采用主、备板保护工作方式，在网络的各节点设计使用双路由器互为备份保护方式，以避免故障单点。同时，通过采用故障隔离和故障排除后自动恢复，以及允许设备单板带电插拔误操作容错设计等多种措施，保障系统的稳定可靠性；在末站（调度中心）设置时钟和网管系统，统一管理全线光通信设备。此种组网方式数据传输质量高、时延低。由于 SDH系统采用的是分插复用技术，所以不同业务数据可轻松实现隔离。光通信组网系统图见图1。

图1 光通信组网系统

3.2 沿线视频监控图像光纤传输方案

根据管道完整性及智能化管道管理要求，在人口居住密集高后果区、河道两岸及重点区域共安装24台前端监控高清网络摄像机，对现场进行音视频采集，音视频在相邻站场或阀室存储，并上传至末站进行远程监控和管理。由于摄像机位于管道沿线，且视频高清画面对通信网络传输带宽要求较高，相应的租用网络带宽费用也较高，因此，通过与管道同沟敷设的光缆进行图像传输，效果最佳且经济适用。摄像机视频数据通过带光口的工业以太网交换机经4芯铠装光缆接入管道干线通信光缆，并通过就近阀室的 SDH光通信设备传输至末站工业电视监控管理系统，利用与管道同沟敷设的 24芯光缆中空余的2芯光纤作为工业电视传输通道。沿线视频监控图像光纤传输示意见图2。

图2 沿线视频监控图像光纤传输示意

3.3 分布式光纤传感技术监测管道安全预警

该成品油管道沿途穿越了上海市四个辖区，存在相对频繁的人员活动及第三方施工作业，易对管道安全形成潜在威胁，并且当管道受到第三方等破坏后可能引起管道缺陷甚至失效，造成泄漏、燃爆等不利后果，会给该区域内人员及环境带来极大安全风险。针对上述环境特点，研究运用传感技术通过传感器进行智能监测、实时感知挖掘事件并进行报警。光纤传感技术在抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温及长距离监测抗信号衰减方面具有独特的优越性，同时具备物理量探测及监测报警数据传输能力，且光纤传感器无需现场供电，非常适合野外长距离监测场景。

本工程可利用与管道同沟敷设的通信光缆中的2芯光纤作为探测传感器，采用基于瑞利散射的相干光时域反射 OTDR传感技术实现分布式振动信息测量传感，并对感知信号进行分析、定位、识别和预警。对于复杂的城市环境，采用外差解调的方式对光缆外部的扰动进行获取与识别，通过时域差分、阈值对比来识别是威胁事件还是车辆经过等造成的扰动，并识别威胁事件的类型，如人工挖掘、机械挖掘等，从实时监测、提前预防和及时处置的角度，为避免管道破坏事件的发生赢得时间，提升管道抗风险能力。

光纤振动管道安全预警系统由预警单元、处理单元、沿线光缆和预警管理终端等组成。预警单元对管道沿线周围环境压力、振动等情况进行实时感应，并将收集到的信息传输给处理单元；处理单元对来自预警单元的数据信号进行分析和处理；沿线光缆不仅提供探测光纤，同时还是通信传输链路；预警管理终端主要是接收、处理和显示预警单元上传的数据和预警信息。目前主流的光纤预警系统单台预警主机单通道监测距离可达50 km左右，根据管线和站场/阀室分布情况，本工程以 1#阀室为界把全线分为23.65 km和37.35 km，在1#阀室设置光纤预警系统的处理主机和预警主机，负责监测上、下游全线共61.00 km管线，同时，在末站设置1套光纤预警综合管理平台，负责对光纤预警系统进行集中操作管理。光纤预警系统见图3。

图3 光纤预警系统

3.4 光缆敷设

通信光缆线路采用与成品油管道伴行敷设。管道管架敷设时，光缆也采用管架敷设方式，可靠固定在桥架内，随成品油管道一起沿管廊敷设；管道埋地敷设时，光缆采用与成品油管道同沟敷设管道光缆的方式，即与管道同沟敷设1根硅芯管，同期吹入 1根层绞式管道光缆。光缆（硅芯管）与输油管道底部平齐并与管壁垂直间距不小于300 mm，敷设深度应满足距离自然地面不小于1.2 m的要求。光缆（硅芯管）的施工应与输油管道施工协同进行，并应做好相互间的工序衔接。施工流程如图4所示。

图4 光缆线路施工流程

本工程光传输线路采用24芯G.652D光纤的层绞式管道光缆，型号为GYTA 24B1.3d。首站和末站作为骨干层节点，占用24芯光缆中的4芯光纤，3座阀室作为接入层节点占用光缆中的2芯光纤，光纤预警系统占用2芯光纤（1用1备），沿线工业电视监控图像传输占用2芯光纤，预留14芯光纤作为备用光纤，用于未来业务拓展及光纤损坏替换。

4 结语

自建光纤通信具有传输速率快、传输容量大、抗干扰能力强、安全稳定等优点，采用与管道同沟敷设的方案进行通信光缆线路敷设，很大程度上降低了光缆线路敷设较高的施工成本。同时，由于光缆纤芯是理想的通信资源，可为管道沿线监控数据以及未来智能化管道各种传感器监测数据的实时传输提供稳定可靠的通信信道，并且无需逐年支付租用公网费用以及较高的无线通信流量费，相较于施工费用来说，24芯光缆与12芯光缆材料价差对总投资影响很小，因此建议多预留一些空余纤芯资源用于今后业务拓展或作为备用。

数据通信是能源输送管道安全稳定运行的重要要素及实现智能化管道的重要基础支撑。本工程充分运用光纤通信技术，优化了某成品油管道工程各业务数据通信方案以及管道沿线视频监控图像实时远传方案，同时解决了该成品油管道预防第三方开挖破坏安全监测预警的问题。因此，其方案可推广应用至其他新建石油及天然气等能源输送管道工程。

Application of Optical Fiber Communication Technology in Energy Transmission Pipeline Project

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co.,Ltd. MA Wen

Abstract:As an important part of energy transmission pipeline project,communication system undertakes the important transmission task of SCADA data in pipeline production and operation as well as various production management business data,which is an important factor to ensure the safe operation of pipeline. Taking a product oil pipeline as an example,this paper investigates and summarizes the current situation,usage and new requirements of the original pipeline communication system,sorts out and analyzes the communication business requirements,and combined with the problems to be optimized and solved and the new requirements of intelligent pipeline development,fully uses the optical fiber communication technology to optimize the data communication scheme of various business of pipeline engineering,It solves the problems of real-time remote communication of video monitoring image along the line and pipeline safety monitoring’s early warning. The outcome can be applied to other new energy transmission pipeline projects.

Keywords:optical fiber communication technology,optical cable laying in the same ditch,optical fiber sensing technology,video monitoring image transmission,multi service data transmission