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摘 要：全文介绍了在长输管道同沟敷设光缆的方式进行数据通信时，选取光缆中3芯单模光纤，构成分布式光纤微振动传感器检测管道沿线的振动信号，可以有效地实现管道周围险情的预警和定位，文章阐述了预警系统的原理和在杭嘉线工程试验段的应用。
关键词：光纤；传感器；预警；定位
1 概述
长输油气管道担负着我国能源生命线的重要作用，但是管道沿线的非法施工容易造成管道的破坏，由于地方经济发展较快，长输管道沿线第三方活动愈加频繁，管道保护及巡检工作难度加大，所以实时的防护、预警变得极为重要。提取通信光缆的3芯，在站场两端加控制器，光缆沿线不需要任何有源器件的情况下可提供长距离的安全预警监控。可以检测出长距离光缆沿线的震动信息的光纤分布式传感技术取得了较大的发展。当某段光缆附近出现自然灾害、施工作业等产生震动的信息时，光纤传感设备可以提供告警信息至控制中心，实现险情的预警和有效定位，及时告知线路维护人员采取有效措施，快速找到事故发生地，防止或及时修护光缆和管道，保证管道安全和通信畅通。
2 系统原理及构成
2.1 系统目的
通过光纤微振动预警系统可以实现对地下管线由第三方施工导致的泄露，人为钻孔盗油以及管线腐蚀老化泄露的实时在线监测。在探测微振动信号的基础上做出报警事件的判断，同时实现预警定位，最终实现预先报警。
2.2 系統原理
利用与管道同沟敷设的光缆作为分布式土壤振动检测传感器，部分纤芯用于信号传输，部分纤芯作为安全防范应用中的传感器。对油气管道沿线的土壤振动情况实时长距离连续实时监测。通过报警控制器的特殊算法和分析处理，实现报警及定位功能。
光纤微振动预警系统基于激光干涉原理，能够对微米量级的光缆形变进行准确测量，同时在振动波形测量的基础上进行对振动的实时定位。如图2 所示，外界振动会使在光缆中传输的光波的传输相位发生变化，从而导致干涉特性的改变。通过检测干涉信号可以得到外界振动信号，通过对振动信号的波形进行分析可以做出报警判断，同时通过定位算法可以得到振动位置，并实时显示在系统软件界面上，同时给出报警点位的GPS坐标，实现报警事件的定位。
如图3所示，光源LD发出的激光经过偏振控制器A，在2x2耦合器B、D分成两束在光纤中传播，在耦合器C耦合发生干涉，通过光纤将耦合过的光传回探测器PD1、PD2。当传感光纤附近发生振动，该处的光信号产生光程差，造成耦合器处干涉信号的变化。由于振动发生的位置不同，干涉信号到达接收器的时间差不同，因此可用解调相位的时间差对第三方破坏信号发生的位置进行定位。
2.3 系统构成
光纤预警系统由以下几部分组成，如图4所示：
主控计算机：根据用户要求定义的接口与主控仪连接，提取主控仪输出信号进行后续处理。运行光线微振动预警系统软件，直接显示监测管线线路情况；
主控仪：系统的核心组成部分。包括：
激光发射模块：高稳定大功率激光光源模块，实现长距离检测；
光电转换模块：拾取激光信号，使光信号转换成电信号；
信号处理模块：完成信号调制解调，恢复振动信号，保证了信号的真实性和系统性能的稳定性；
信号调理模块：进行信号前端调理和甄别；
硬件算法模块：实现信号识别的部分算法硬件化，高速硬件平台保证信号的实时性，即保证了对振动敏感的实时性，减少漏报。
光纤终端盒：光纤接续设备。组成完整激光回路，实现外界传感段无源化。
引导光缆：实现被监控区域和监控室的激光信号传输。
传感光缆： 敏感振动源产生的振动信号。
2.4 系统参数
报警率： 对振动事件正确判断做出报警的概率。系统报警率>95%。
漏警率： 对振动事件遗漏报警的概率。系统漏警率为0。
误警率： 对振动事件性质错误做出错误判断导致误报警的概率。系统误警率<5%。
定位精度：对报警事件发生位置判断的精度。系统定位精度优于100m。
响应时间：振动事件发生至系统做出反应的时间，包括光波传输时间和系统电路响应时间。系统响应时间小于10ms。
功耗： 系统主控仪的功耗。系统功耗小于20W。
温度范围：系统主控仪正常工作的温度范围。系统温度范围为-40 至60℃。
存储量： 存储振动波形的数据量（通常以能够存储的监测历史时间计算）。系统的存储量为60-90 天。
2.5 光缆选型要点
光缆选型主要包括两个方面，一是光缆结构，二是光缆的光学特性。
2.5.1 光缆结构
光缆埋于地下，为保证光缆的安全性能和传感性能，光缆采用松套层绞式非金属加强芯铠装光缆。光纤套在松套管内，馆内填充防水化合物。缆芯的中心是玻璃纤维增强塑料（FRP），松套管和填充绳围绕加强芯绞合成紧凑和圆形的缆芯，缆芯外加上金属铠装套管，最后加上一层聚乙烯护套成缆。松套管和非金属加强芯（FRP）能够保证光缆的传感性能，铠装能够更好的保护光缆，但在一定程度上会降低灵敏度。下图为光缆结构示意图和结构图。
2.5.2 光学特性
光学特性主要描述了用于成缆的光纤的各种参数。目前标准通信光缆主要采用了G652和G655光纤，二者对光缆的传感性能无显著差异。
对于传感性能，主要关注光学特性包括光缆衰减和工作温度，光缆衰减决定了其传感距离。
衰减：@1310 ≤0.35dB/km，@1550 ≤0.22dB/km
工作温度：-40-70℃
光缆芯数：除正常应用的通信光缆外，本技术只需预留3-4芯光纤纤芯。 3 在项目上的应用
3.1 设计方案
光缆振动检测方案在杭嘉线上的应用情况如下：
秀洲首站-屠甸分输站是进行了试验，光缆总测试长度42.18km，传感光缆利用秀州首站到屠甸分输站的32芯通信光缆中3芯构建成管道安全预警系统，通信光缆型号为单模GYFTA型，与油气管道同沟敷设，用来对管道沿线机械施工和人工挖掘进行报警和定位。终端盒分别装在秀洲首站和屠甸分输站外管道井内，引导光缆采用3芯通信光缆，终端盒与传感光缆和引导光缆的连接采用熔接。引导光缆和主控仪的连接采用跳线连接。
在选用传感光纤时，应选择分处于两个对称套管内的纤芯，这样的测量灵敏度和精度才可以做到最高。
光纤熔接也要严格按照工程要求，任何一个熔点的损耗衰减都会影响到整体系统的工作。
如果在全线应用时，具体做法如下：每台控制器防护距离一般在50km以内，所以选取合适站场，内设置一套控制器，空间占用19寸机柜，4U。如果站场距离大于等于50km，则在中间阀室增加一套控制器，并提供电源和网絡通信接口。控制器采用220VAC供电，功率500W。其起始传感器和末端传感器均是无源设备。
当在管线监测中布置多个主控仪时，可以通过计算机网络将各主控仪的主控计算机联网，最终将报警信息集中在调控中心总监测机构实现统一出警处理。对于多站点系统架构，只需将计算机网络层进行软硬件配置，成本和工程难度较低。
3.2 测试数据
试验采用挖掘机管道上方穿越及停留测试、单斗凿击管道上方及周边地表测试、渐进挖掘测试，当外界破坏到一定深度时，系统开始报警并定位。
定位数据的均值为192.6m，光缆实际位置为180m。定位精度比较高，便于工作人员尽快找到事故位置。
3.3 在杭嘉线中体现的安全预警系统的作用及不足
①在杭嘉线试验段应用的情况表明，基本可以满足管道安全预警的要求，使管道安全监测方式由人工现场定点、定时、间断巡检，转变到了系统实时监测预警、人工监听识别告警，减少了人工巡线的频次。当监测到破坏点，可以使工作人员以最快的时间到达破坏处，进行检修，及时恢复通信。
②系统虽然可以大大减轻人工巡检的频次，但仍有一定程度的误报，这就需要操作员的人为识别能力，对经验要求较高。系统还需
要进一步完善历史数据的统计、查询和调取功能，提高机器的判断功能。
③预警系统对事件定位精度为+200m，在实际应用中还有待完善。根据每个地区的环境不同，需要长时间监测，对已发生事件进行对比，总结不同振动频率的规律，形成经验数据库，更高的提高定位精度和事件发生的准确度。
④预警系统检测的敏感度与光缆所处的土质松软程度有关。在土质松软地段，例如南方多雨潮湿松软土壤尤其是沙漠地区，振动传递距离短，振动较大或者很近时才能报警，重型机械在管道上方行走才能监测到，预警系统不敏感。在戈壁滩类的较硬土质的地区，在振动源20m外即能检测到，其检测敏感度尚可。
⑤当有两个破坏点同时报警，无法判断出报警的具体位置。
⑥光缆一般在管道一侧敷设，当管道另一侧发生破坏性振动时，容易产生盲区。
4 结论
油气管道光纤预警系统具有利用已建光缆、用电配置低、监测距离长等特点，它在新建和已建长途输送管道上都有一定的应用价值，对于管线距离长，巡检困难，不易发现破坏点的管道上有很好的防护性。可以将传统的被动人工巡护改为线路的主动看护，节省人力物力，降低管道破坏的风险，增加抢修速度。但该技术存在误报等不足的方面，仍需进一步技术研发和项目经验应用。
参考文献：
[1]杨杰，王桂增.输气管道泄漏诊断技术综述[J].化工自动化及仪表，2004，31（3）：1-5.
[2]周诗岽，吴志敏，吴敏.输油管道泄露检测技术综述[J].石油工程建设，2003（03）.
[3]周琰，靳世久，张昀超，孙立瑛.管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J].光电子·激光，2005（08）.
[4]朱建新，王历军，张金权，王小军.光纤管道安全预警系统在油气管道安全防范中的应用[J].石油工程建设，2009（05）.
作者简介：
陈慧婕（1982-），女，河北乐亭人，工程师，2006年毕业于中国石油大学电子信息工程专业，现就职于中石化石油工程设计有限公司自控通信工程设计所，从事长输管道通信设计工作。
关键词：光纤；传感器；预警；定位
1 概述
长输油气管道担负着我国能源生命线的重要作用，但是管道沿线的非法施工容易造成管道的破坏，由于地方经济发展较快，长输管道沿线第三方活动愈加频繁，管道保护及巡检工作难度加大，所以实时的防护、预警变得极为重要。提取通信光缆的3芯，在站场两端加控制器，光缆沿线不需要任何有源器件的情况下可提供长距离的安全预警监控。可以检测出长距离光缆沿线的震动信息的光纤分布式传感技术取得了较大的发展。当某段光缆附近出现自然灾害、施工作业等产生震动的信息时，光纤传感设备可以提供告警信息至控制中心，实现险情的预警和有效定位，及时告知线路维护人员采取有效措施，快速找到事故发生地，防止或及时修护光缆和管道，保证管道安全和通信畅通。
2 系统原理及构成
2.1 系统目的
通过光纤微振动预警系统可以实现对地下管线由第三方施工导致的泄露，人为钻孔盗油以及管线腐蚀老化泄露的实时在线监测。在探测微振动信号的基础上做出报警事件的判断，同时实现预警定位，最终实现预先报警。
2.2 系統原理
利用与管道同沟敷设的光缆作为分布式土壤振动检测传感器，部分纤芯用于信号传输，部分纤芯作为安全防范应用中的传感器。对油气管道沿线的土壤振动情况实时长距离连续实时监测。通过报警控制器的特殊算法和分析处理，实现报警及定位功能。
光纤微振动预警系统基于激光干涉原理，能够对微米量级的光缆形变进行准确测量，同时在振动波形测量的基础上进行对振动的实时定位。如图2 所示，外界振动会使在光缆中传输的光波的传输相位发生变化，从而导致干涉特性的改变。通过检测干涉信号可以得到外界振动信号，通过对振动信号的波形进行分析可以做出报警判断，同时通过定位算法可以得到振动位置，并实时显示在系统软件界面上，同时给出报警点位的GPS坐标，实现报警事件的定位。
如图3所示，光源LD发出的激光经过偏振控制器A，在2x2耦合器B、D分成两束在光纤中传播，在耦合器C耦合发生干涉，通过光纤将耦合过的光传回探测器PD1、PD2。当传感光纤附近发生振动，该处的光信号产生光程差，造成耦合器处干涉信号的变化。由于振动发生的位置不同，干涉信号到达接收器的时间差不同，因此可用解调相位的时间差对第三方破坏信号发生的位置进行定位。
2.3 系统构成
光纤预警系统由以下几部分组成，如图4所示：
主控计算机：根据用户要求定义的接口与主控仪连接，提取主控仪输出信号进行后续处理。运行光线微振动预警系统软件，直接显示监测管线线路情况；
主控仪：系统的核心组成部分。包括：
激光发射模块：高稳定大功率激光光源模块，实现长距离检测；
光电转换模块：拾取激光信号，使光信号转换成电信号；
信号处理模块：完成信号调制解调，恢复振动信号，保证了信号的真实性和系统性能的稳定性；
信号调理模块：进行信号前端调理和甄别；
硬件算法模块：实现信号识别的部分算法硬件化，高速硬件平台保证信号的实时性，即保证了对振动敏感的实时性，减少漏报。
光纤终端盒：光纤接续设备。组成完整激光回路，实现外界传感段无源化。
引导光缆：实现被监控区域和监控室的激光信号传输。
传感光缆： 敏感振动源产生的振动信号。
2.4 系统参数
报警率： 对振动事件正确判断做出报警的概率。系统报警率>95%。
漏警率： 对振动事件遗漏报警的概率。系统漏警率为0。
误警率： 对振动事件性质错误做出错误判断导致误报警的概率。系统误警率<5%。
定位精度：对报警事件发生位置判断的精度。系统定位精度优于100m。
响应时间：振动事件发生至系统做出反应的时间，包括光波传输时间和系统电路响应时间。系统响应时间小于10ms。
功耗： 系统主控仪的功耗。系统功耗小于20W。
温度范围：系统主控仪正常工作的温度范围。系统温度范围为-40 至60℃。
存储量： 存储振动波形的数据量（通常以能够存储的监测历史时间计算）。系统的存储量为60-90 天。
2.5 光缆选型要点
光缆选型主要包括两个方面，一是光缆结构，二是光缆的光学特性。
2.5.1 光缆结构
光缆埋于地下，为保证光缆的安全性能和传感性能，光缆采用松套层绞式非金属加强芯铠装光缆。光纤套在松套管内，馆内填充防水化合物。缆芯的中心是玻璃纤维增强塑料（FRP），松套管和填充绳围绕加强芯绞合成紧凑和圆形的缆芯，缆芯外加上金属铠装套管，最后加上一层聚乙烯护套成缆。松套管和非金属加强芯（FRP）能够保证光缆的传感性能，铠装能够更好的保护光缆，但在一定程度上会降低灵敏度。下图为光缆结构示意图和结构图。
2.5.2 光学特性
光学特性主要描述了用于成缆的光纤的各种参数。目前标准通信光缆主要采用了G652和G655光纤，二者对光缆的传感性能无显著差异。
对于传感性能，主要关注光学特性包括光缆衰减和工作温度，光缆衰减决定了其传感距离。
衰减：@1310 ≤0.35dB/km，@1550 ≤0.22dB/km
工作温度：-40-70℃
光缆芯数：除正常应用的通信光缆外，本技术只需预留3-4芯光纤纤芯。 3 在项目上的应用
3.1 设计方案
光缆振动检测方案在杭嘉线上的应用情况如下：
秀洲首站-屠甸分输站是进行了试验，光缆总测试长度42.18km，传感光缆利用秀州首站到屠甸分输站的32芯通信光缆中3芯构建成管道安全预警系统，通信光缆型号为单模GYFTA型，与油气管道同沟敷设，用来对管道沿线机械施工和人工挖掘进行报警和定位。终端盒分别装在秀洲首站和屠甸分输站外管道井内，引导光缆采用3芯通信光缆，终端盒与传感光缆和引导光缆的连接采用熔接。引导光缆和主控仪的连接采用跳线连接。
在选用传感光纤时，应选择分处于两个对称套管内的纤芯，这样的测量灵敏度和精度才可以做到最高。
光纤熔接也要严格按照工程要求，任何一个熔点的损耗衰减都会影响到整体系统的工作。
如果在全线应用时，具体做法如下：每台控制器防护距离一般在50km以内，所以选取合适站场，内设置一套控制器，空间占用19寸机柜，4U。如果站场距离大于等于50km，则在中间阀室增加一套控制器，并提供电源和网絡通信接口。控制器采用220VAC供电，功率500W。其起始传感器和末端传感器均是无源设备。
当在管线监测中布置多个主控仪时，可以通过计算机网络将各主控仪的主控计算机联网，最终将报警信息集中在调控中心总监测机构实现统一出警处理。对于多站点系统架构，只需将计算机网络层进行软硬件配置，成本和工程难度较低。
3.2 测试数据
试验采用挖掘机管道上方穿越及停留测试、单斗凿击管道上方及周边地表测试、渐进挖掘测试，当外界破坏到一定深度时，系统开始报警并定位。
定位数据的均值为192.6m，光缆实际位置为180m。定位精度比较高，便于工作人员尽快找到事故位置。
3.3 在杭嘉线中体现的安全预警系统的作用及不足
①在杭嘉线试验段应用的情况表明，基本可以满足管道安全预警的要求，使管道安全监测方式由人工现场定点、定时、间断巡检，转变到了系统实时监测预警、人工监听识别告警，减少了人工巡线的频次。当监测到破坏点，可以使工作人员以最快的时间到达破坏处，进行检修，及时恢复通信。
②系统虽然可以大大减轻人工巡检的频次，但仍有一定程度的误报，这就需要操作员的人为识别能力，对经验要求较高。系统还需
要进一步完善历史数据的统计、查询和调取功能，提高机器的判断功能。
③预警系统对事件定位精度为+200m，在实际应用中还有待完善。根据每个地区的环境不同，需要长时间监测，对已发生事件进行对比，总结不同振动频率的规律，形成经验数据库，更高的提高定位精度和事件发生的准确度。
④预警系统检测的敏感度与光缆所处的土质松软程度有关。在土质松软地段，例如南方多雨潮湿松软土壤尤其是沙漠地区，振动传递距离短，振动较大或者很近时才能报警，重型机械在管道上方行走才能监测到，预警系统不敏感。在戈壁滩类的较硬土质的地区，在振动源20m外即能检测到，其检测敏感度尚可。
⑤当有两个破坏点同时报警，无法判断出报警的具体位置。
⑥光缆一般在管道一侧敷设，当管道另一侧发生破坏性振动时，容易产生盲区。
4 结论
油气管道光纤预警系统具有利用已建光缆、用电配置低、监测距离长等特点，它在新建和已建长途输送管道上都有一定的应用价值，对于管线距离长，巡检困难，不易发现破坏点的管道上有很好的防护性。可以将传统的被动人工巡护改为线路的主动看护，节省人力物力，降低管道破坏的风险，增加抢修速度。但该技术存在误报等不足的方面，仍需进一步技术研发和项目经验应用。
参考文献：
[1]杨杰，王桂增.输气管道泄漏诊断技术综述[J].化工自动化及仪表，2004，31（3）：1-5.
[2]周诗岽，吴志敏，吴敏.输油管道泄露检测技术综述[J].石油工程建设，2003（03）.
[3]周琰，靳世久，张昀超，孙立瑛.管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J].光电子·激光，2005（08）.
[4]朱建新，王历军，张金权，王小军.光纤管道安全预警系统在油气管道安全防范中的应用[J].石油工程建设，2009（05）.
作者简介：
陈慧婕（1982-），女，河北乐亭人，工程师，2006年毕业于中国石油大学电子信息工程专业，现就职于中石化石油工程设计有限公司自控通信工程设计所，从事长输管道通信设计工作。