光纤油气管道安全预警系统软件设计

陈井军

（中国石化销售有限公司华中分公司，湖北 武汉，430000）

光纤油气管道安全预警系统软件设计

陈井军

（中国石化销售有限公司华中分公司，湖北 武汉，430000）

光纤油气管道安全预警系统基于Φ-OTDR光纤传感技术，可对油气管道发生的偷盗油、人工挖掘等第三方破坏进行全方位、全天候监控。本文介绍了光纤油气管道安全预警系统的工作原理，描述了系统软件的设计方法，详细介绍了光纤油气管道安全预警系统软件在数据采集、处理以及现场实时监控等方面的应用。实践证明该软件可成功实现对管道全方位、全天候的实时监测。

Φ-OTDR光纤传感技术；油气管线监测；VS

1 系统介绍

1.1 系统概述

光纤油气管道安全预警系统由光学信号解调主机、数据处理工控终端和振动探测光缆三部分组成。系统通过采集管道附近的土壤振动信号进行处理和分析，从而对管道上方的施工、挖掘等第三方破坏行为进行安全预警监测[1-2]。

光纤油气管道安全光纤预警系统采用通信光缆中的1芯作为传感器，通过对管道附近的土壤振动信号进行处理和分析，得到振动信号，将其与GIS系统结合，同时根据实际需求建立多级监控体系，从而实现对管道的安全预警监测[3-4]。

图1-1 光纤油气管道安全预警系统结构图

系统光纤传感部分负责输油管道沿线异动行为检测，通过对运动、压力、和振动的快速感应可以对诸如人员及车辆经过、人工挖掘、机械挖掘、敲击管道等行为进行监测。当光缆收到运动或振动干扰时，光信号的相位会发生变化，通过探测光相位的变化得到光缆的运动或振动状态。

1.2 系统工作原理

光纤油气管道安全预警系统基于Φ-OTDR光纤传感技术，Φ-OTDR系统的技术原理如图1-2所示。Φ-OTDR系统是通过光探测器探测后向瑞利散射，当光纤线路上某点由于入侵发生扰动时，该位置处光纤的折射率将发生变化，从而引起后向瑞利散射光光强的变化，由采集卡采集到的后向瑞利散射光的光强发生变化，可以根据光强发生变化的位置判断入侵发生的位置[5]。

图1-2 Φ-OTDR技术原理

运动、振动、或压力会导致光信号相位的改变。利用系光探测器对光信号进行探测，可探测干扰的强度和类型，系统软件对探测到的信号进行处理，通过处理结果判断事件类型。

光纤油气管道安全预警系统通过采集土壤的振动信息，通过光纤将振动信号传输至报警监测中心，工作人员通过对报警定位信息进行处理，可以获得报警点的振动模式和准确位置，并及时采取措施，使管道得以保护，免受损失。基站服务器的报警定位信息，可以通过局域网、英特网甚至GSM网传至任何需要的地方；同时，光纤油气管道安全预警系统对通信光缆安全本身起到一个实时监控的作用。

2 软件设计

软件开发环境为 VS2013，C#WPF/winform+DevExpress，VS和WPF是完整的开发工具集，用于软件的集成和开发，使用DevExpress对软件进行美化。

系统要求软件具有实时监测的功能，并实时显示报警位置，系统软件具有报警提示功能，可对多台设备进行管理，并可将报警信息转发给调控中心，系统可对历史波形，历史操作日志，历史报警日志进行存储及输出。系统软件与GIS地图相结合，根据报警管道距离位置，换算成经纬度坐标并显示在地图上，可根据输入文件在地图上生成管道的分布图。

本软件平台将是光纤预警检测系统采集的预警信息的数据存储、管理核心，是进行远程系统控制、配置的载体，同时可完成预警信息的分析、甄别、自动选择应对处理策略，提交全面详细的预警及处理报告，并提供与CCTV监控系统、数字录像系统、GIS电子地图系统、SMS短信报警系统和其他第三方安全防范系统等的数据交换及联动接口服务。软件的业务逻辑层次如下图所示：

图2-1 业务逻辑层次

逻辑处理层是整个软件扩展应用平台的核心，它对来自于接口通讯层的数据作及时的处理，完成全局联动和计划任务，同时在各子系统间、综合应用层中的相关应用与子系统间构建起沟通的桥梁。

数据处理是对光纤预警检测系统采集的预警信息数据进行动态分析，采集卡对数据进行采集，软件平台对数据进行平均和减法解调，分级别、类别存储至数据库。同时接收用户发送来的控制信息，作相应处理后再分别发送给相应的网关接口，由网关接口通知相关系统完成相应处理。根据事先制定的预警处理预案，当判别各种级别的报警事件发生时，自动产生详细的预警报告，提示调用相应处理流程，联动相关系统的其他设备。执行跨系统的计划任务。

数据采集及数据处理原理框图如图所示。

图2-2 数据采集和数据处理原理图

软件设计分为上下级平台模式，分为站点软件，中心软件，其中中心软件分为管理中心软件和管理客户端软件。软件分为三级管理权限，其中值班员是最低管理权限，管理员是第二管理权限，调控中心具有最高管理权限，各用户可以选择各个权限的功能范围。

3 软件应用

在客户端电脑的桌面上打开登录界面，输入正确的用户名和密码后，进入主界面。软件可对管道实行全天候的实时监控，软件实际监测界面如图3-1所示。

图3-1 软件监测界面示意图

点击登录界面“详细”按钮，可以手动设置起始段号和终止段号，更加便于查看某个段号位置的振动信号状态。如图3-2所示。当某个位置有入侵行为发生时，该位置峰值会累加超过设定阈值的次数，软件可对阈值、间隔时间、预警条件数和报警条件数进行设置，如图3-3所示。如图3-2中所示，3.5为设定阈值，当某处发生入侵扰动时，该处超过设定阈值3.5的扰动会被累加，当达到系统设定的预警条件数时，会弹出预警提示框，当达到系统设定的报警条件数时，会弹出报警提示框。如图 3-3，3-4所示。

图3-2 软件监测界面示意图

图3-3 系统设置界面示意图

图3-4 预警弹出框示意图

图3-5 报警弹出框示意图

软件与GIS地图结合，更准确的显示出报警事件的地理位置信息，显示产生的报警在实际光缆线路上的位置。报警点在地图上显示为红色点。点击报警提示框图3-5中地图显示，即可在地图上查看报警点，方便现场施工人员可以更快地确认报警点位置并对入侵采取相应的措施。

图3-6 软件地图显示

图3-7 报警点地图显示

光纤油气管道安全预警系统软件可以随时查询产生的历史报警记录和历史操作记录，方便操作人员对历史信息查询，并可将记录导出到excel文件中。

图3-8 软件操作界面

利用MATLAB软件对系统软件的监测结果进行处理，其处理结果如下图所示。

图3-9 测试结果

由图3-9可知，系统软件可识别几种不同的振动模式。

4 总结与展望

管道输送油气优势突出，但其存在的安全风险也特别大，造成长输管道失效的原因很多，仅第三方破坏在我国油气管道事故中就占40%左右的比例。不断延伸的油气管道在为国民经济和人民生活源源不断地输送能源的同时，也面临着研究的安全考验。

因此，要采取适当措施使油气管道免遭外来侵害，确保管道安全环保运行。传统的管道泄漏检测手段都是基于管道运行参数，比如流量、压力，属于事后检测[6-7]，而光纤传感技术能在第三方破坏发生时提供报警，在管道被破坏前实现预警，为避免管道破坏事件的发生赢得时间，并且光纤传感技术可以获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点，非常适合于大型长距离管线安全监控、大范围安防等领域。

综上，光纤油气管道安全预警系统软件可以根据现场实际情况对系统进行设定，软件在实现油气管道实时监测的同时还可实现对历史数据的存储与导出，软件操作简单，因此，该软件可实时应用于光纤油气管道监测。

[1]何弼.分布式光纤传感技术在管道监测中的应用研究[J].管道技术与设备，2017(1):9-12.

[2]贺剑君，冯伟，刘畅.基于管道应变监测的滑坡灾害预警与防治[J].天然气工业，2011,31(1):100-103.

[3]冷建成，周国强，吴泽民，等.光纤传感技术及其在管道监测中的应用[J].无损检测，2012,34(1):61-65.

[4]王燕花.新型光纤传感系统的研究与实现[D].北京交通大学，2009.

[5]Buerck J,Roth S,Kraemer K,et al.OTDR fiber-optical chemical sensor systemfor detection and location of hydrocarbon leakage[J].Journal ofHazardous Materials,2003,102(1):13-28.

[6]王壮.光纤预警系统在天然气管道保护中的应用[D].山东建筑大学，2016.

[7]孙洁，李松，刘凯蕾，等.油气管道安全预警技术现状[J].油气储运，2016,35(9):1023-1026.

Software Design of Security Pre-warning System of Optical Fiber Oil Gas Pipeline Safety

CHENJin-jun
（Central-China Branch ofChina Petrochemical MarketingCo.LTD,Wuhan 430000,Hubei）

The optical fiber oil and gas pipeline safety warning system is based on the Φ-OTDR optical fiber sensing technology.It can carryout all-round and all-weather monitoringon the three parties such as stealingoil and Excavatingbythe oil and gas pipelines.This paper introduces the workingprinciple ofthe optical fiber oil pipeline safetypre-warningsystem,the design method ofsystem software is described in this paper,and the application ofoptical fiber oil and gas pipeline safety early warning system software in data acquisition,processing and on-site real-time monitoring are introduced in detail.The practice proves that an all-raund and 24-hour monitoringtothis pipe can be realized bythis softuare.

Φ-OTDR optical fiber sensingtechnology;Monitoringofoil and gas pipelines;VS

TP311.52

A

1671-5004（2017）04-0011-05

2017-06-02

陈井军（1968-），男，湖北荆门人，中国石化销售有限公司华中分公司调度中心（生成运行处）处长、经济师，研究方向：管道运行管理，管道安全研究。