袁海  劉小暉  馬燁  黃鵬

西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘要：選取蘭州至臨洮93 km管道作為試驗管段，加裝光纖安全預警系統，經(jīng)過(guò)試驗運行，通過(guò)FWS軟件升級和算法與功能優(yōu)化兩個(gè)方面對系統進(jìn)行優(yōu)化，從而使周告警量和周告警類(lèi)型有了顯著(zhù)提高，但是該系統在告警類(lèi)型分析判斷和有效告警率方面，還有進(jìn)一步提升的空間。

關(guān)鍵詞： 光纖；預警系統；管道保護

第三方施工導致管道失效事件約占總失效事件的22.9%，如何能及時(shí)發(fā)現威脅管道事件發(fā)生并準確定位，減少甚至杜絕因人為破壞而導致的管道事故，維護管道正常運行，給油氣管道安全預警技術(shù)提出了迫切要求。

1 光纖安全系統原理

1.1 光纖振動(dòng)傳感系統原理

光纖振動(dòng)傳感是一種融合了光纖和光干涉技術(shù)，利用光纖不僅作為傳輸而且作為傳感探測器進(jìn)行微震動(dòng)監測的高科技設備，是一款為特殊行業(yè)和安防場(chǎng)合而設計的真正本質(zhì)安全的監測系統。它以光學(xué)干涉理論為依據、以非平衡馬赫-澤德（Mach－Zehnder）/薩格奈克（Sagnac）的線(xiàn)型干涉結構為基礎，通過(guò)采用光纖傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和現代信號處理技術(shù)等技術(shù)手段完成長(cháng)距離沿線(xiàn)信息的檢測、采集、處理和傳輸，利用現代信號處理技術(shù)和信息智能分析技術(shù)對各種不同的振動(dòng)信息進(jìn)行分析和識別（見(jiàn)圖1）。

圖1  光纖振動(dòng)傳感器原理

1.2 光纖振動(dòng)入侵探測器信號檢測原理

當外界有振動(dòng)信號作用于光纖時(shí)，會(huì )引起光纖折射率的變化，進(jìn)而引起光波相位的變化。待檢測的振動(dòng)信號主要為外界緩變壓力信號和聲場(chǎng)異常擾動(dòng)信號，這兩種信號實(shí)質(zhì)上都是對光纖產(chǎn)生壓力作用。當光纖受到壓力作用時(shí)，其折射率變化，由折射率變化引起的光波的相位變化。

1.3 光纖振動(dòng)入侵探測器定位原理

當外界振動(dòng)信號作用于M—Z光纖干涉系統的兩個(gè)干涉臂時(shí)，傳感光分別向左右兩個(gè)方向傳輸至探測器1和探測器2（見(jiàn)圖2）。檢測比較兩組干涉光的時(shí)間差即可判斷振動(dòng)事件發(fā)生的位置（見(jiàn)圖3）。

圖2  光纖振動(dòng)定位原理

圖3  時(shí)間差計算圖

2 光纖安全系統指標

2.1 國家規范（SY/T  4121-2012）

監測長(cháng)度：≤60 km

檢測范圍：≥5m

定位精度：≤±100m

報警率： ≥95%

響應時(shí)間：≤60s

2.2 光纖探測器的主要技術(shù)參數

光纖類(lèi)型：多模（短距離）、單模（遠距離）

單路長(cháng)距離測量時(shí)間：10 ～ 60 S

測量距離：2 ～ 35 km空間分辨率：0.5 m，

定位精度：≤1 m

測溫精度：±1~±1.5 ℃

測溫范圍：-40~130 ℃（特殊光纖可滿(mǎn)足超低溫和超高溫）

3 應用實(shí)踐

西南管道公司所轄蘭州至臨洮管線(xiàn)距離93 km，全線(xiàn)采集GPS坐標125個(gè)，采集點(diǎn)涵括所有陰保樁、轉角，并對穿越公路、鐵路、河流、村莊等重點(diǎn)區域進(jìn)行加密采集。管道預警系統于2016年12月全部調試完畢后投入運行。經(jīng)過(guò)對全線(xiàn)告警數據進(jìn)行收集，再與現場(chǎng)實(shí)際告警地點(diǎn)進(jìn)行復驗，發(fā)現存在誤報較多的問(wèn)題，項目部隨即對管道預警系統進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 系統優(yōu)化

3.1.1  FWS軟件升級

2017年2月對蘭州、臨洮兩站的預警管理終端軟件FWS進(jìn)行了升級更新，更新后的FWS界面更加簡(jiǎn)潔，并加入全新告警篩選機制“持續時(shí)間”及“類(lèi)別篩選”功能�！俺掷m時(shí)間”指僅顯示超過(guò)設定值的告警信息�！邦�(lèi)別篩選”指僅顯示已勾選的告警類(lèi)型。通過(guò)對這兩項功能的合理設置可以更有效的過(guò)濾非危害事件告警。

3.1.2算法與性能優(yōu)化

對前期采集的告警信息、告警數據進(jìn)行整理與分析，對告警數據、告警判斷、告警位置進(jìn)行優(yōu)化。

（1）告警事件甄別優(yōu)化

以采集的告警信號為藍本結合現場(chǎng)實(shí)際線(xiàn)路信號優(yōu)化告警事件及類(lèi)型的甄別；主要采取現場(chǎng)地理位置的先驗條件，再依據事件的持續時(shí)間、類(lèi)型、信號能量等進(jìn)行綜合判斷。

（2）告警事件顯示優(yōu)化

對FWS預警終端軟件的告警信息顯示做優(yōu)化調整，將同一位置多次告警信息做整合處理，減少告警信息顯示面板中同一位置告警多條記錄的顯示；主要采取信號的持續性判斷，將同一位置在一定時(shí)間內的信號片斷進(jìn)行歸納，減少由于同一事件的多條顯示；事件保留時(shí)間根據現場(chǎng)事件的判斷設置。

（3）參數優(yōu)化調整

根據系統運行的告警數據分析且同時(shí)分析光纜線(xiàn)路的信號變化，根據不同區域的條件設置不同的閾值；主要采取分段設置閾值；分時(shí)篩選告警事件數據。參數設置需要持續跟蹤，根據季節、線(xiàn)路施工變化等情況進(jìn)行分析調整。

3.2 優(yōu)化后結果

（1）優(yōu)化前后告警量對比

試驗管道優(yōu)化前平均周告警量530余條，優(yōu)化后減少至110余條（見(jiàn)圖4）。針對明顯無(wú)管道危害事件的告警得到了有效控制。

圖4  優(yōu)化前后告警數據對比

（2） 優(yōu)化前后告警類(lèi)型對比

試驗管道優(yōu)化前平均周告警量中約有130余條告警類(lèi)型為“未知”，優(yōu)化后未知告警類(lèi)型減少至20條以?xún)龋ㄒ?jiàn)圖5）。同時(shí)告警類(lèi)型匹配準確率也有了提升。

圖5 告警類(lèi)型優(yōu)化前后對比

3.3  實(shí)踐結果

目前試驗管道光纖預警系統設備運行穩定，性能指標分別為：

 穩定性：系統穩定運行三個(gè)月，無(wú)任何故障發(fā)生；

 靈敏度： 15 m范圍內的機械挖掘與2 m范圍內的人工挖掘事件；

 定位誤差：不大于100 m；

 信號響應時(shí)間：不大于1 min；

 漏報率：在數據采集與距離校正期間，沒(méi)有出現漏報率；

系統有效告警條數：試運行期間，有效告警條數達到幾百條；經(jīng)過(guò)分析處理、篩選與合并，有效告警條數控制在50條內。

4  結語(yǔ)

目前試驗選取的光纖預警系統在運行過(guò)程中，對事件有效告警率、告警分析等仍需進(jìn)一步優(yōu)化完善。

（1）有效告警率。根據季節、線(xiàn)路施工類(lèi)型、環(huán)境干擾因素、白天與夜間信號等變化，對非破壞性的常告警點(diǎn)處理，對道路與過(guò)車(chē)的信號篩選等；需加強與現場(chǎng)巡線(xiàn)的結合，通過(guò)事件復核來(lái)提高有效告警率。

（2）告警分析判斷�，F場(chǎng)信號分析主要采取信號時(shí)長(cháng)、頻譜、峭度、占空比等多維特征來(lái)判斷事件類(lèi)型，告警事件主要基于持續時(shí)間、類(lèi)型判斷、信號閾值與位置先驗等綜合判斷。告警分析判斷仍需結合現場(chǎng)線(xiàn)路的實(shí)際情況來(lái)調整優(yōu)化，系統需要結合人防+技防，通過(guò)技防來(lái)提高人防的效率，同時(shí)通過(guò)人防來(lái)有效提升系統的有效告警率。

預警系統能有效檢測管道周?chē)�的土壤振�?dòng)信號和判斷事件的類(lèi)型，但事件的威脅度主要依靠持續時(shí)間與信號類(lèi)型，這需要定期采集分析數據，持續優(yōu)化，不斷提高系統的有效告警率，減少誤報，實(shí)現對危害事件的及時(shí)發(fā)現、準確定位、有效制止，提高管道運行的安全性。

作者：袁海，男，1980年生，助理工程師，研究方向為管道保護。

《管道保護》2017年第4期（總第35期）