基于Ф-OTDR的管道光纤预警系统应用统计分析

曾科宏，赖 康,颜 刚,李新文,席有强,邸小彪，李 刚

(1.中国石油天然气管道通信电力工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.中石油北京天然气管道有限公司，北京 100020)

长输管道是油气能源运输的大动脉，直接服务沿线工业生产和城市居民的生活保障。管道属于危险源，一旦发生泄漏，易燃易爆的高压介质迅速扩散，极易发生燃烧爆炸等灾难，不仅影响管道安全生产，还会给国家和人民群众的生命财产造成巨大损失[1]。截至2019年底，中国长输油气管道达到13.9万km。管道线路环境复杂多样，自然和社会环境各不相同，随着管道沿线经济和城镇化进程的快速发展，管道沿线的人为、机械、自然灾害等破坏事件频繁发生，严重威胁油气管道的生产安全。

目前国内对长输油气管道的维护主要以人工定期巡查为主，无法做到实时连续、无盲区监测管道安全状态和及时发现油气管道的破坏。管道监控技术上分为泄漏后报警技术和开孔前预警技术两种。其中应用于油气管道安全监测的技术方法以泄漏监测为主[2-4]，如负压力波法、流量平衡法、压力梯度法、超声波检测等。从管道防护角度，泄漏后报警技术已不符合管道安全生产的要求，其报警滞后、已被盗窃分子掌握规律等弱点被生产实践证明定位精度和报警准确度[5-7]难以满足油气管道安全生产的要求。

针对管道安全监测的需求，本文介绍一种基于相位敏感光时域反射计(Ф-OTDR)的分布式管道光纤预警系统，该系统利用管道同沟敷设光缆中的一根光纤作为分布振动传感器，连续实时对管道周围的土壤振动(第三方施工、人为破坏、打孔盗油、自然灾害、穿越钻探)等威胁管道的事件进行提前预警与定位，提前制止破坏事件发生。目前系统已经在长输油气管道、地方管网、城市燃气、国防光缆等行业应用与测试。本文通过北京天然气管道陕京二线实际应用案例，统计分析系统性能。

1 系统原理

本系统利用长输油气管道同沟敷设光缆中的一根通信光纤作为分布式振动传感器，实时拾取管道沿线预警范围内的土壤振动信号，通过信号识别分析类型并根据综合分析判断是否威胁管道或光缆安全的事件。系统检测原理如图1所示。

图1 Ф-OTDR系统原理

基于Ф-OTDR[8-9]的分布式光纤传感器利用光纤对振动敏感的特性，当外界振动作用于传感光纤时，光纤的折射率、长度将产生微小变化，从而导致光纤内传输信号的相位变化，使得光强(信号强度)发生变化。通过检测振动前后的瑞利散射光信号的强度变化(差分信号)，即可实现振动事件的检测，并具备多振动事件同时精确定位。

2 管道光纤预警系统硬件与软件功能

管道光纤预警系统主要由安装在各阀室、站场的预警单元FU、安装在有人值守的分输站/调度中心的预警管理终端FST、区域管理终端、拉曼放大模块、传感光纤和光纤网络组成，借助现有光传输系统实现预警单元、预警管理终端、区域管理终端之间的信号及数据传输，在预警管理终端和区域管理终端上可实现多台预警单元的集中统一监控和管理，实现全程全控。

2.1 硬件系统构成

基于Ф-OTDR的管道光纤预警系统硬件预警单元FU(图2)，连接传感光纤实现光缆附近振动信号的检测和分析。预警单元FU主要包括电源模块、光传感模块、采集处理模块、管理模块、监控交换模块、拉曼放大模块等。

图2 管道光纤预警系统预警单元(FU)

电源模块为预警单元设备整体的运行提供稳定有效的电源，电源的工作状况由其监控模块实时监控并将数据反馈到管理模块。

监控交换模块接收信号处理模块和管理模块发出的报警数据和模块状态数据，并通过网络将数据发送给预警管理终端，实现预警单元数据的集中管理和监控。

光传感模块是整个系统的核心模块，它为传感系统提供稳定的光脉冲信号，将传感光纤返回的瑞利光干涉信号转换为电信号，并进行信号预处理和信号放大。

采集处理模块对检测的信号进行处理分析，判断是否是破坏威胁的信号，并对振动事件进行检测和定位。

管理模块负责协调和控制各模块的工作，通过设定下发工作参数，控制工作顺序，使各模块协调工作；接收信号处理模块输出的数据信号,根据报警算法来确定管道破坏事件的级别、定位、能量等。管理模块还实现各功能模块的控制、参数设置、报警生成和显示、数据上传等功能。

拉曼放大模块为传感光纤提供泵浦光，实现光脉冲信号的有效放大，提高系统监测距离。

2.2 软件系统功能及组成

1)权限管理：可以根据用户角色的权限进行管理。

2)分级告警：可以根据事件的级别综合分析判断,实现不同级别控制与管理策略。

3)GIS显示：配备离线GIS地图，将线路信息、预警系统信息、维护管理信息等汇集到一起，实现直观显示与管理。

4)多种告警显示方式：系统采用GIS地图、二维图与告警表格3种不同方式显示告警多维度信息。

5)系统分析功能：结合时频域信号特征、地理环境等，能对事件进行有效类型分析与识别。

6)系统回放功能：根据时间设置来对事件进行告警时间回放，可以显示事件的发展趋势。

7)系统查询功能：对预警记录、事件等历史数据进行查询。

8)系统存储功能：对预警记录、事件进行存储，存储周期根据用户需要存储、转储及备份。

9)线路标定功能：有效结合光缆与地理距离的差异性，实现以管道(阴保桩、转角桩、穿越桩)等标桩数据实现线路标定功能。

10)远程修改维护功能：远程对预警单元进行参数配置、程序下发以及故障诊断。

11)断缆功能：对光缆中断突发事件进行预警与定位。

12)联动功能：实现高后果高风险智能视频系统进行联动与融合数据分析。

管道光纤预警系统预警软件界面如图3所示。

图3 管道光纤预警系统预警软件界面

3 管道光纤预警系统应用

3.1 应用线路

陕京二线安平至33#阀室管道总长约55 km，光缆距离的60 km，管道经过地区地貌单元以平原为主。管道穿越与并行公路多处，地形环境复杂，施工事件多，主要施工风险源为麻山药种植及挖掘。

该应用段配置 1套预警单元、1套预警管理终端和1套拉曼放大模块，如图4所示，实现24 h连续实时分布式60 km的线路监控。

图4 陕京二线管道光纤预警系统试点段配置

3.2 应用数据统计分析

现场应用过程采取“背靠背”方式，系统根据规划发布预警信息，现场对预警位置进行事件复核与准确反馈，对预警数据进行审核确认。

3.2.1 预警数据统计

通过对现场预警日报数据统计分析，应用段预警数据汇总如表1、图5所示。

表1 2019年11月至2020年11月预警数据汇总

图5 预警数据统计

应用实际效果表明，现场日有效预警条数为8.89条，有效预警准确率为94.56%，通过对12个月的运行数据分析，预警条数与有效预警准确率与管道现场施工数据及季节性有关系。通过同期数据对比，现场对事件持续复核与优化，预警事件呈下降趋势，2019年11月与2020年11月比较，日预警条数由19.33条降至4.7条，降低75.68%，有效预警准确率从92.07增长至97.92%。总体日平预警条数在10条以内，有效告警准确率达到94.56%。

3.2.2 预警位置统计

通过对现场预警数据位置和事件复核类型统计分析，预警事件类型统计如表2、图6所示。

表2 2019年11月至2020年11月预警事件类型统计

图6 预警事件类型统计

通过事件复核及现场反馈，全年共发现预警事件位置494次，其中主要机械类型位置占比72.67%，人工挖掘位置占比19.01%。说明预警能够对机械事件和人工深层次挖掘、持续性挖掘及作业计划事件进行准确预警与定位。

3.2.3 典型事件

通过系统应用和事件复核，现场对第三方施工事件进行有效预警与定位，防止多起人工与机械挖掘事件等威胁事件，其中该应用段最典型事件为机械挖掘麻山药事件，系统通过持续现场地理环境位置采集，对麻山药区域进行风险等级升级管理，实现重点监控与管控，如图7所示，现场发现机械与人工挖山药位置达到68处。

图7 现场机械挖掘事件软件报警和现场图片

2020年10月25日，管道标桩K721+0.39 km，预警系统出现持续告警并及时推送预警短信，现场巡线员与预警人员对预警位置进行核实为距离管道20 m挖掘机挖山药，场站人员探测出管道与光缆位置，对挖掘作业人员进行安全告知并进行有效监护，防止挖掘破坏事件发生。

3.2.4 应用管理措施

1)管理处、作业区采取“背靠背”考核方式，对预警事件位置及准确性进行审核共同确认，对重点风险源、机械作业进行重点管控。

2)系统预警事件通过短信平台自送发布信息，信息受不同级别业主人员，实现不同层级管控，避免信息不对称现象。

3)结合监控线路不同区域的风险等级，双方共同摸索与研究，实现不同区域的参数配置与优化，涉及到优化位置，双方共同确认实施。

4)实现第三方施工信息收集与预警事件的有效横向对比，确定系统的各项性能指标及运行状况。

5)系统结合线路环境及施工点情况，设置新告警、常告警点和受控点位置，实现不同位置类型的管理策略。

4 结论

阐述了基于Ф-OTDR的管道光纤预警系统的技术原理、硬件与软件功能，并介绍了在北京天然气管道陕京二线安平应用段50 km管道的应用和测试情况。实际应用效果表明，系统在光缆正常埋深(1.2 m情况下)检测灵敏度高，可以有效检测到管道周边25 m范围内的机械振动和2 m范围内的人工挖掘事件，地表定位精度达到±50 m，最大响应时间不超过1 min，同时并行检测多起振动事件相互不受干扰。但系统在振动事件识别、事件威胁度等级判断、农耕事件筛选识别等方面仍需提升与完善，以增强在复杂环境下的适应性。该技术不仅适用于具备同沟敷设光缆的原油/成品油、天然气、化工原料和其他液体/气体管线，还适用于埋地通信光缆的保护，可对管道或通信光缆附近的振动破坏事件起到有效的监测和预警作用。