油气管道光纤预警系统性能评价方法辨析*

蔡永军 王海明 高义 滕振恒 陶冶 庄楠 王宁 张弢甲

1国家管网集团研究总院

2国家石油天然气管网集团

3国家管网集团北方管道有限责任公司

油气管道光纤安全预警是指利用管道同沟敷设的伴行光缆感知管道沿线的振动信号，实现对第三方破坏监测预警。经过十余年的发展，该技术已经在中俄东线、西气东输等管道规模应用。随着技术的不断更新迭代，监测距离、灵敏度、识别能力都在不断提升，但是管道运行单位理解的技术指标与技术供应商理解的技术指标不一致，生产需求和技术可实现性之间也存在一定差距。概念认知不一致，测试、计算方法不统一等问题严重制约了技术的推广和广泛应用[1-2]。

1 光纤预警技术原理

光纤振动传感方法众多，目前用于长距离监测的光纤预警技术主要为基于相位敏感型光时域反射的技术（Phase Sensitivity Optical Time Domain Reflectometry，简称Φ-OTDR）。图1 所示的Φ-OTDR方法采用光时域散射方法探测后向瑞利散射光的强度和相位变化来实现外部扰动探测。利用光缆沿线不同位置的光在不同时刻返回的原理，将数十千米的光缆按照空间分辨率的大小切成等间距的块，实现不同位置的多事件探测及定位。

图1 相位敏感型光时域反射仪原理Fig.1 Principle of phase sensitive optical time domain reflectometer

2 技术指标影响分析

光纤预警系统核心技术指标包括灵敏度、监测距离、定位精度等，这些指标与系统的光学结构、电路系统及算法相关，部分指标从原理上互斥，不能同时实现提升。

2.1 灵敏度

灵敏度是指系统能够检测到的最小振动强度，标准测试方法是对特定加速度的响应[3]。一般以垂直管道方向上的机械挖掘或人工作业能够检测的最大距离表示，例如机械挖掘最大25 m，人工挖掘最大2 m。但是挖掘机的马力、铲斗大小、作业方式千差万别，难以标准化复现。对此行标SY/T 6827—2020 和SY/T 4121—2018 规定使用10 kg 的重物以自由落体的标准冲击响应方式来测定系统的振动灵敏度[4]。

2.2 监测距离

监测距离是指一套设备满足最低灵敏度要求时能够监测到的最大光纤长度。行业标准要求一般不应小于40 km，考虑光缆质量问题又规定动态范围大于10 db 的客观指标。在系统光学结构上监测距离的长短与探测光能量的大小呈正比，探测光能量越大监测距离越长，探测光能量是光功率和光脉冲宽度的乘积，理论上可以通过提高光功率和脉冲宽度来增加探测距离。实际上过大的光功率会产生非线性效应，影响探测效果，因此通过增大光功率的方法提升监测距离的潜力不大，实践中一般通过增加脉冲宽度来提升探测距离[5-8]。为了进一步提高监测距离，还可以使用分布式放大和复用技术，常用拉曼光纤放大器（FRA）、掺耦光纤放大器（EDFA）实现长距离探测。据报道，通过多级放大可以实现120 km以上光缆的振动监测。

2.3 定位精度

定位精度是指报警发生的真实位置与实际位置之间的最大误差，是多次测试的统计平均值。在系统实现上，定位精度受制于光学系统的空间分辨率和模数转换的采样频率，三者既有区别也有联系。

定位精度是系统实际测试的表现，属于应用端，空间分辨率主要侧重光学层，采样率侧重电子层。部分厂家将采样率等同于定位精度或者空间分辨率，既不全面也不准确，单纯的提高采样频率并不能最终提高定位精度（图2）。

图2 定位精度与空间分辨率的关系Fig.2 Relationship between positioning accuracy and spatial resolution

空间分辨率是指空间相邻两个事件能被系统识别并区分的最近距离，一般通过能够空间区分的2个同时发生的振动事件来定义。光纤预警系统的空间分辨率由探测光脉冲的宽度决定。

式中：Rs为空间分辨率，m；n为光纤折射率；c为光速，m/s；τ为探测光脉冲宽度，s。

从公式（1）可知，压缩空间分辨率需要减少光脉冲宽度，但是脉冲宽度减少也减少了光能量，压缩了监测距离。因此系统的监测距离长和空间分辨率高难以同时实现，测得远必然精度低，需要精度高必然距离短，实际应用中应该根据实际场景均衡选择相关参数[9-12]。

采样率对应每秒采集的数据量，对基于时间定位的光纤预警系统来说，在一定程度上决定了定位精度。在空间分辨率以下提高采样频率可以提高定位精度，但是当采样率高于空间分辨率之后，多次采样可能采集的是同一个采集信号，再提高采样频率已经没有意义。

如果采用定位重复性来评价系统的定位精度，那么空间分辨率差和采样率低的系统可能会因为多次事件都在同一个空间分辨率区间内，使事件定位的重复性更高。因此，采用实际位置与真实位置的偏差，更能客观反应定位值与真实值的接近程度，可以避免低空间分辨率设备测评出更高的定位精度。

2.4 响应时间

响应时间一般指现场振动产生到系统报警的时间。光纤预警系统采用光信号探测传感段，如果探测到即报警，系统可以在ms 级内完成运算并响应。但机械挖掘、人工挖掘等事件，不可能刚开始挖就被识别，只有持续一段时间后才能被识别和认定，同时为了尽可能降低非威胁报警数量，减少正常的第三方活动影响，各厂家一般都在事件持续一段时间之后再进行预警，因此测试得到的响应时间主要反应厂家算法的处理效率[13-19]。

2.5 报警率和误报率

光纤预警系统采用报警率评价报警的准确率，误报率评价报警错误率。报警率和误报率的计算应区分测试状态和运行状态采用不同的计算和表达方式。

在测试状态中报警率定义为报警次数与实际测试次数的比值；运行状态中采用有效报警率来评价报警的准确性，定义为检测范围内真正发生的威胁管道安全运行的第三方损坏事件与系统报警事件的比值。

误报率在测试状态中定义为误报次数与测试次数的比值，运行状态应用中可采用次/千米·月方式来评价系统误报的情况。现场测试中因为不能完全封闭几十千米的区段，必然会有未经核实的第三方活动，因此运行和测试中统计的误报率会高于实际水平，一般不会出现误报为零的情况。

系统的识别能力是事件发生数量与报警识别能力的比值，在系统识别能力一定的情况下，事件数量越多，报警数量也越多。按照公式（2）贝叶斯公式可知，同样的识别能力，在不同先验概率样本空间的条件下会有不同的结果。

按照海因里希法则，1次事故就会有29次轻微事故，300次未遂事故。管道光纤预警系统使用中遇到的就是在这样的样本空间中判断威胁事件，1 次能够对管道造成威胁的机械施工，会有29次的管廊带附近施工，300次的其他机械作业，3 000次的机械通过。假设算法识别事故的识别率为99%，按照公式（2）在上述的样本空间中，3 000次的机械通过会有30次被识别成需报警事件，300次中的3次的其他机械作业也会被识别成需报警事件，29次的管廊带施工也会有0.29次被识别成需要报警事件。按照这样的推断，在只有1起待报警真实事件的情况下，会产生34 次报警，报警正确率不足3%。因此系统的报警率和误报率与运行环境高度相关，背景越复杂误报率越高。

实际应用中都希望报警率越高越好、误报率越低越好，但是这两个指标在物理上相互制约，不可能同时提升。报警率和误报率是一个硬币的两面，高报警率和低误报率不可能同时实现，提升报警率必然带来误报率的提升，两者之间的关系一般按照图3 的ROC 曲 线（receiver operating characteristic curve，ROC 受试者工作特性曲线）进行变化。实际工作中应该合理根据需求设定相关参数，使误报率和报警率尽可能靠近原点。

图3 识别能力的ROC曲线Fig.3 ROC curve of recognition ability

3 测试方法

光纤预警测试和验收中关键技术指标的评价一直存在争议，主要依靠企业标准进行测试并提供报告，因此管道运营单位设备采购时经常需要进行前置测试。从标准化和可重复验证的角度看室内测试相对客观，更容易实现，但是只能反应系统对可测量振动量值之间的关系，与现场应用认知需求存在差距。现场测试容易理解，直接反应现场应用情况，简单直观，但是影响因素较多，很难标准化。因此必须把室内和现场测试结合起来，综合评价实际使用效果。

3.1 室内测试

由于灵敏度和监测距离为光学结构本身所决定，只需要标准化测试环境即可测量出这两个指标的性能和水平，相反过于复杂的环境影响因素并不利于量化。因此，这两个指标适合于室内测试。

3.1.1 灵敏度测试

参考振动入侵探测器的灵敏度测试方法，GA1217 提出了一种光纤振动探测器的室内灵敏度测试方法并被石油行业标准引用。如图4所示，采用连续落球实验来评价探测器的灵敏度，以有报警信号或瀑布图上有明显振动信号作为判别标准。

图4 入侵报警功能测试Fig.4 Intrusion alarm function test

另外，针对SY/T 6827—2020《管道光纤预警系统埋地应用需求》提出了沙箱实验测试方法测试振动传感器的埋地性能，通过充填的粗颗粒土来模仿土层的缓冲作用更加反应实际灵敏度。

3.1.2 监测距离测试

监测距离的测试需要同时满足距离和响应两个要素，可以采用图4的测试方法在光缆的特定距离上进行测试，所能够测量最低灵敏度响应的最远距离就是系统的最大监测距离，一般监测距离取整到千米。

3.2 室外测试

室外测试的激励设备、光缆的埋深与管道的远近、土壤环境等因素对激励和响应的影响较多，因此室外测试应该列明所用工器具、测试环境和作业方法。

3.2.1 定位精度测试

管道运营通常采用地面标志桩进行空间定位，所有的报警点都是距离管道标识的偏移距离。测试应选择空旷、无干扰环境进行数次测试，之后再取平均值，测试工具推荐使用10 kg 铅球，在一定高度进行自由落地产生标准振动冲击信号来模拟人工挖掘。

3.2.2 响应时间测试

现场模拟测试持续时间要远大于系统设置的响应时间，从测试开始计时，测试时间到达系统设置的响应时间后，观察系统有无报警产生。响应时间设置长短通常跟现场环境复杂度和用户方要求有关，且人工挖掘响应时间和机械挖掘响应时间设置可以不同，在规定时间内响应即通过。一般采用挖掘机在垂直与管道5 m处采用铲斗夯击地面，作业不少于5 次，作业持续30 s，从作业开始到系统报警响应之间的时间间隔就是响应时间。

3.2.3 报警率和误报率

如果分开考核报警率和漏报率的测试方法，可能出现技术提供商报警率测试（灵敏度测试）时采用一种参数设置，而误报率测试时采用另外一种参数设置的可能。因此可以采取混合测试的方法，在指定日期段进行封机测试，同时考核报警率和误报率，测试时实时复核报警结果，将所有的主动测试报警和核实事件排除之后的报警作为误报警次数。

4 技术应用展望

管道光纤预警系统要实现广泛应用，成为油气管道行业标准配置，还需在以下三个方面进一步统一认识、明确技术定位，提升识别能力。

（1）统一对报警事件认识。光纤预警系统灵敏度较高，能够实现全线的分布式振动测量，这些振动信号大部分不会对管道的运营产生影响，如何定义需要报警的事件需要统一认识。比如“管道10 m以外的机械作业应不应该报警”。有的运营单位认为这已经在5 m的管廊带以外了，不用报警，都算误报。有的运营单位认为机械挖掘很快，30 m 之内的机械挖掘都应该监控。应该认识到光纤振动预警技术作为一种预警手段，预警信息不代表事故发生，只是管道受破坏风险提高的提示。实际应用中应该统一将管廊带附近的第三方机械挖掘活动都作为潜在的风险隐患进行报警提示，未遂事件和事故都作为应报警事件，而不是没出事就是误报。对于报警的信息，可根据高后果区类型、人为活动强度、报警时段等进行分级管理，减少需要现场确认的工作强度。

（2）建立通用的识别样本库。事件识别能力的提升依赖于样本数据库积累，由于各个厂家都按照自己的规范开发系统，数据采样率，数据格式互不兼容。不同厂家采集的样本无法复用，制约了全行业识别能力的提高。建议统一数据格式，规范化样本标注方式，通过机器学习提升全行业识别能力。

（3）明确技防系统的定位。光纤预警的作用主要是振动探测，现场应用中应该将光纤预警系统定位为人防和物防的提高和补充，作为一种24 h的管道沿线振动监控工具，能够实现对第三方活动高发区进行按需巡线。应用中以现场核实来评价是否误报，运营中存在系统报警赶到现场时作业已经停止，没有发现的情况，造成误报率偏高。对于系统报警应结合现场环境、持续时间等进行二次判断，实践中可以将光纤预警的报警信息与高后果区智能视频监控系统进行复合，利用智能视频对光纤预警信息进行复核，对有人为活动主体的报警才进行人工现场确认，进一步降低人工现场复核的劳动强度[20]。

5 结束语

因为行业一直没有CMA/CNAS等行业认可的测试机构，技术提供商宣称的技术指标种类繁多，目前各管道运营商都开展采购前的前置测试，用以确认技术提供商的技术能力和产品性能。因此需要建立公允测试方法，推动专门的技防测试标准的建立，有针对性地培育专门的测试机构，建立专门测试平台，推荐专门的试验管道和典型环境，给出相对可信的室内测试报告和现场测试报告，便于各个厂家的技术指标处在同一基准下进行对比。