郭家瑞 王廉祥 沈建林

國家管網(wǎng)集團西南管道公司昆明輸油氣分公司

摘  要：云南多雨山區復雜地質(zhì)條件容易發(fā)生地質(zhì)災害，嚴重威脅管道安全運行。介紹了光纖預警技術(shù)的作用和原理，結合光纖預警系統在山區管道地質(zhì)災害監測中的應用現狀，提出深化應用方案，提升光纖預警技術(shù)在山區復雜環(huán)境下的應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多雨山區；地質(zhì)災害；風(fēng)險；光纖預警；精細化管理

昆明輸油氣分公司所轄管道穿越地區平均海拔2000 m， 84%以上區域是山地，高低參差、縱橫起伏，地形極為復雜，管道沿線(xiàn)地形落差大、切斷面較多；同時(shí)，云南雨季集中了約全年85%的降雨量，管道穿越大部分地區雨季降水頻繁且雨量較大，容易造成管道周?chē)�山土疏松、石塊松動(dòng)，引發(fā)滑坡、泥石流、水毀、沉降等地質(zhì)災害，威脅管道的安全運行。其中尤以滑坡威脅最大，極易造成管道懸空甚至斷裂，引發(fā)安全事故和次生環(huán)保事故。雖然在數量上地質(zhì)災害導致油氣管道失效事件機率并不高，但造成的財產(chǎn)損失卻非常巨大。

降雨是導致滑坡的重要誘發(fā)因素，長(cháng)時(shí)間持續的降雨使土層趨于飽和，土體重度增加、強度降低，為滑坡準備了力學(xué)條件。分析近年國內發(fā)生的重大管道安全事故，因降雨導致滑坡引起的占有較大比例，例如貴州黔西南州晴隆“7·2”天然氣管道斷裂燃爆事故、湖北恩施“7·20”川氣東送管道爆炸事故，都是因為持續降雨引發(fā)滑坡導致輸氣管道斷裂而造成的。

因此探究光纖預警技術(shù)在多雨山區管道地質(zhì)災害監測的深化應用有重要意義。

1 光纖預警作用

地質(zhì)災害的常規監測方法主要有大地精密測量法、 GPS測量法、近景測量法和TDR測量法等，但均存在各自缺點(diǎn)。光纖傳感監測技術(shù)具有監控距離長(cháng)、連續分布式測量、全天候實(shí)時(shí)監測、靈敏度高、響應時(shí)間短、定位精度高、本質(zhì)安全可靠、系統穩定性強等優(yōu)點(diǎn)，運維管理簡(jiǎn)單，建設成本可控，通過(guò)與視頻監控業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)對管道沿線(xiàn)可疑破壞事件多維感知、綜合監測、視頻復核，有效提高油氣管道安全運行的監管效率及風(fēng)險管控能力。

基于該技術(shù)的管道光纖預警系統通過(guò)與管道同溝敷設的通信光纜作為分布式傳感器，依靠其對運動(dòng)、壓力和振動(dòng)非常敏感的特性，通過(guò)對管道上方產(chǎn)生的振動(dòng)信號探測分析，能夠有效識別人工作業(yè)、機械挖掘、重車(chē)碾壓、地質(zhì)災害等事件，基于GIS地圖系統直觀(guān)展示管道外部風(fēng)險警情信息，包括報警時(shí)間、事件位置、事件類(lèi)型、事件級別、管道樁號等。

2 光纖預警技術(shù)原理

光線(xiàn)預警基于布里淵散射的分布式光纖傳感（OTDR），散射光和入射光之間的頻率差（布里淵頻移）與光纖溫度和應變呈線(xiàn)性關(guān)系，使用通信用單模光纖作為傳感器，可以實(shí)現超長(cháng)距離（百公里）、超高空間分辨率（厘米）和高精度的分布式應變和溫度測量，特別適合大型基礎設施、泥石流和山體滑坡等地質(zhì)災害監測（圖 1）。

當光信號輸送進(jìn)光纖時(shí)，系統軟件探測器會(huì )處理接收到的光信號的相位，當傳感光纜受到觸碰或振動(dòng)的干擾時(shí)，光信號的傳輸模式就會(huì )發(fā)生變化（圖 2）。

光纖在受到外來(lái)觸碰、振動(dòng)、擠壓會(huì )導致形態(tài)干擾而產(chǎn)生光信號相位的改變。系統軟件接收器對相位改變進(jìn)行探測，可探測干擾的強度和類(lèi)型，并對探測到的信號進(jìn)行處理，判別干擾是否符合觸發(fā)“事件”的條件，并對干擾對象準確定位，從而對可能造成管道破壞的外部威脅進(jìn)行提前預警。

地質(zhì)災害事件發(fā)生時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一定頻度和特征的振動(dòng)信號，也會(huì )導致傳感光纖周?chē)�的巖土體變形破壞使光纖變形或破壞，基于對振動(dòng)信號、時(shí)間量等特征歸類(lèi)分析和O T D R技術(shù)檢測光纖宏彎變形或斷裂破壞等，實(shí)現對典型的地質(zhì)災害事件的監測告警。

3 光纖預警應用

3.1 應用現狀

分公司建立了管道光纖預警統一監控管理平臺，構建了全網(wǎng)統一運維管理中心，達到對多區段、多管線(xiàn)的集中統一監控管理，初步實(shí)現了管道安全風(fēng)險“監測預警可控”的管理目標。

光纖預警系統分別在安寧作業(yè)區、玉溪作業(yè)區、楚雄作業(yè)區等多條長(cháng)輸管道重點(diǎn)管段部署應用，有效預警第三方機械挖掘施工、農戶(hù)人工作業(yè)施工等風(fēng)險事件幾十起，及時(shí)通知相關(guān)責任人趕往現場(chǎng)進(jìn)行處置，阻止了非法施工、野蠻開(kāi)挖事件的發(fā)生，保障了管道安全運行。

系統對機械挖掘、人為作業(yè)安全風(fēng)險事件具備較高的監測預警能力，事件識別率、報警準確率高，但對于地質(zhì)災害事件的監測預警能力較弱，原因是現用光纖預警系統的產(chǎn)品規劃和分析算法主要是針對防范第三方施工風(fēng)險設計，需要進(jìn)一步提升針對地質(zhì)災害事件的監測和判別能力。

3.2 深化應用

通過(guò)對現用監測手段的技術(shù)分析、地質(zhì)災害事件歷史數據的特征研究，嘗試對埋深在2米內的管道進(jìn)行典型地質(zhì)災害事件監測的可行性，制定了基于對現有光纖預警系統進(jìn)行算法優(yōu)化和分析模型構建的技術(shù)路線(xiàn)，完善現有光纖預警系統對管道典型地質(zhì)災害（滑坡、泥石流、雨水沖刷）事件的感知和識別能力，聯(lián)合管道光纖預警系統設備廠(chǎng)商，利用管道已有同溝光纜和現有光纖預警監測設備，實(shí)現對光纖預警系統的深化應用和價(jià)值提升。

（1）特征識別庫建立。針對管道地質(zhì)災害事件進(jìn)行數據采集和信號特征分析，確認管道地質(zhì)災害行為對應的特征參數范圍，包括空間尺度、信號強度和頻率，建立地質(zhì)災害事件行為樣本，從而建立特征識別庫（圖 3）。

系統采集到管道沿線(xiàn)振動(dòng)曲線(xiàn)，分析多個(gè)周期內的振動(dòng)信號數量和定位信息，分析提取振動(dòng)信號波形的空間尺度、強度、頻率信息，將提取出的參數信息 與特征識別庫比對，選出符合地質(zhì)災害事件行為樣本的振動(dòng)信號，對符合報警需要的振動(dòng)信號進(jìn)行報警顯示（圖 4）。

（2）模式識別特征庫存儲。在模式識別中對樣本庫中的標記信息進(jìn)行監督學(xué)習，根據能量、強度、頻率占比等特征值進(jìn)行自動(dòng)訓練對比，尋找最佳分類(lèi)特征得出決策樹(shù)代碼從而進(jìn)行警情閾值的智能劃分，結合時(shí)間追蹤等多種自定義算法提高報警的準確度并進(jìn)行分類(lèi)，再將提取的環(huán)境及行為特征存儲到模式識別特征庫中。模式識別特征庫是在系統中制作環(huán)境類(lèi)別模板，對實(shí)時(shí)環(huán)境的類(lèi)別模板進(jìn)行存儲，保存在數據庫里。

初期階段地質(zhì)災害事件信號數據量有限，模式識別系統需持續采集足夠的樣本信號，結合多維度特征在識別體系中通過(guò)不斷對不同的環(huán)境與地質(zhì)災害事件學(xué)習，獲得各類(lèi)環(huán)境及事件的算法模板。

系統正式使用時(shí)，實(shí)時(shí)事件通過(guò)算法體系不斷分析事件信號并調用算法模板，并根據實(shí)時(shí)環(huán)境不斷地對系統可調參數進(jìn)行強化學(xué)習，自動(dòng)調優(yōu)，達到模式識別的反饋自學(xué)習。

信號識別與事件分類(lèi)流程、事件分類(lèi)、增量學(xué)習機制分別如圖 5、圖 6、圖 7所示。

若在使用中系統智能識別存在偏差，可以進(jìn)行人工修訂，對事件進(jìn)行重新訓練，更新數據庫，從而達到盡量準確的對事件進(jìn)行分析、報警目的。模式識別算法完整模型如圖 8所示。

其中，分析算法的核心內容是首先對采集到的數據進(jìn)行降噪預處理，然后再通過(guò)各種方法對信號進(jìn)行識別分類(lèi)，分類(lèi)完成后根據其振動(dòng)的強度、頻率特征等與預先訓練好的分類(lèi)模型進(jìn)行對比，從而得到對事件的初步分析結果。

（3）多類(lèi)型事件分辨模型庫優(yōu)化。通過(guò)細化和優(yōu)化模式識別能力，光纖預警系統內置多類(lèi)型事件分辨模型庫，以有效實(shí)現對人為破壞、機械破壞、重車(chē)碾壓、地質(zhì)災害等安全事件以及非安全事件的精細化分類(lèi)，自動(dòng)匹配和判別地質(zhì)災害事件行為，非威脅事件不進(jìn)行報警。

（4）高精度GIS地圖數據融合。風(fēng)險事件分析模塊與管理平臺的高精度GIS地圖數據結合，在GIS地圖上對地質(zhì)災害頻發(fā)、易發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行高風(fēng)險點(diǎn)標注，事件發(fā)生地位置、地理及附近環(huán)境情況細致呈現，便于管理人員基于地圖信息作出合理判斷。

GIS地圖標注信息可作為輔助字段，結合事件特征識別庫多維度綜合評判，提升光纖預警系統對地質(zhì)災害風(fēng)險事件的識別準確率。

4 結語(yǔ)

光纖預警技術(shù)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化比傳統監測方法更具優(yōu)勢，為地質(zhì)災害監測預警帶來(lái)了方便，提高了準確度。探索光纖預警技術(shù)在多雨山區管道地質(zhì)災害監測的深化應用是昆明輸油氣分公司貫徹落實(shí)油氣長(cháng)輸管道建設及運行安全升級管理的實(shí)際行動(dòng)，也是防范化解重大隱患風(fēng)險的迫切需要。通過(guò)技術(shù)升級進(jìn)行管理創(chuàng )新，實(shí)現管道風(fēng)險精細化管理，實(shí)施精準有效治理措施，可使風(fēng)險隱患全面受控，提升管道運行安全保障能力，防范遏制事故發(fā)生。

作者簡(jiǎn)介：郭家瑞， 1985年生，畢業(yè)于徐州空軍學(xué)院， 2001年入伍從事戰斗機維修工作， 2008年至今一直從事管道保護工作。聯(lián)系方式：18184835454， 372370968@qq.com。