摘要：地下管道設(shè)施經(jīng)常遭受第三方破壞，各地大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)給地下管道帶來(lái)巨大安全隱患。目前采取常規(guī)的巡檢措施不能做到全路段不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)，當(dāng)前可靠、可行的方案是利用光纜作為分布式傳感器組建光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)可以通過(guò)光纜實(shí)時(shí)過(guò)去各處土壤振動(dòng)情況，分析識(shí)別還原現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)智能學(xué)習(xí)主動(dòng)判別并對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)發(fā)出告警，即使通知監(jiān)控人員采取應(yīng)急措施，將危險(xiǎn)屏蔽在發(fā)生以前。
關(guān)鍵詞：地下管道；光纜；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；安全預(yù)警
1 引言
我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處在快速發(fā)展之中，城市化步伐也在逐步加快，全國(guó)各地的各種開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目隨處可見。元論何種建設(shè)項(xiàng)目只要?jiǎng)油?，就?huì)對(duì)埋于地下管道的安全造成威脅。各種地下管道遭到第三方破壞的事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由機(jī)械施工及自然災(zāi)害所造成的管道事故占事故總數(shù)的70%以上，其中90%以上的重大事故是因?yàn)闄C(jī)械施工造成的，如：水管被挖破，油、氣管道被打穿是經(jīng)常發(fā)生的事情。水管破裂導(dǎo)致居民生產(chǎn)生活受到影響，給各用水企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失。輸油、氣管道破裂會(huì)導(dǎo)致大面積泄漏，隨時(shí)會(huì)造成火災(zāi)發(fā)生，有的甚至引起爆炸，人民生命財(cái)產(chǎn)安全將受到嚴(yán)重威脅，生態(tài)環(huán)境遭到巨大破壞，“管道安全問題”早已成為全球矚目的話題。
雖然我國(guó)政府和各地下管道權(quán)屬企業(yè)對(duì)地下設(shè)施的安全采取了多種保護(hù)措施，做出了大量的工作，但地下管線設(shè)施的安全還是存在著各種各樣的威脅。如何在地下管線設(shè)施遭受破壞之前就可預(yù)知危險(xiǎn)的到來(lái)，并能及時(shí)通知應(yīng)急維護(hù)人員，給他們爭(zhēng)取時(shí)間，司使他們迅速采取措施，將危險(xiǎn)消除在萌芽狀態(tài)。這是國(guó)內(nèi)外地下管線運(yùn)營(yíng)企業(yè)共同關(guān)注的課題。目前已.有相關(guān)技術(shù)得到應(yīng)用，并很好的解決了地下管線設(shè)施的安全預(yù)警問題。當(dāng)前效果較好的技術(shù)是利用埋在地下的光纜作為分布式傳感器來(lái)偵測(cè)光纜周邊一定范圍內(nèi)土壤振動(dòng)情況，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析，從而獲得管道周邊環(huán)境是否處于安全狀態(tài)。該技術(shù)已在國(guó)外得到大量的應(yīng)用。近兩年中石油、中石化也在油、氣長(zhǎng)輸管線上利用該技術(shù)來(lái)保證地下管道的安全。
2 光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展的一種新的傳感技術(shù)。是20世紀(jì)70年代中期以來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快的高科技應(yīng)用技術(shù)。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。利用光纖作為傳感器可以測(cè)量溫度、位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量。光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)就是通過(guò)光纖測(cè)量周圍振動(dòng)頻率及位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)源的判別與定位的。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分為信號(hào)采集與智能分析兩部分。
2.1 光纖振動(dòng)感應(yīng)原理
光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是同時(shí)利用了光纖作為定位傳感器與微應(yīng)變傳感器兩種功能。光纖在受到外界振動(dòng)干擾的情況下會(huì)產(chǎn)生微應(yīng)變，微應(yīng)變會(huì)使其內(nèi)部傳送光信號(hào)的頻率相位等發(fā)生細(xì)微變化，通過(guò)激光相干應(yīng)力分析系統(tǒng)就可計(jì)算出振動(dòng)點(diǎn)的頻率、強(qiáng)度及位置信息。
微應(yīng)變傳感技術(shù)是基于“光的干涉”原理，通常使用兩根單膜光纖來(lái)測(cè)量微應(yīng)變，構(gòu)成用于測(cè)量光的干涉波的傳感器(如圖1)。
激光器向光纖發(fā)射連續(xù)的激光束，如果光纖沒有受到外界的擾動(dòng)，如運(yùn)動(dòng)、聲波和觸動(dòng)，或者兩根光纖同步受到相同的干擾，反射回的光不會(huì)發(fā)生變化；如果光纖受到外界的擾動(dòng)，反射回光的波形將會(huì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生干涉圖像，光檢測(cè)器可檢測(cè)到這一波形的變化，而且通過(guò)軟件可以分辯出事件的真實(shí)情況，經(jīng)處理后可檢測(cè)出干擾強(qiáng)度與位置。相干激光器發(fā)射是連續(xù)波激光束，光纖傳感器的頻率響應(yīng)范圍從0Hz～1MHz，通常情況下只需1Hz～100KHz。這項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變，響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。
振動(dòng)源位置計(jì)算：
L=1/2vt=ct/2n；
v=c/n；
L——振動(dòng)點(diǎn)位置到干涉儀右端的距離；
t——時(shí)延時(shí)間；
c——真空中的光速；
n——光纖纖芯折射率。
為了精確定位，需要將光纖的長(zhǎng)度信息準(zhǔn)確錄入到軟件中，通過(guò)系統(tǒng)修正，定位精度可達(dá)±50m之內(nèi)。
2.2 光纜有效監(jiān)測(cè)半徑與最大監(jiān)測(cè)距離
利用光纜震作為分布式傳感器是實(shí)現(xiàn)地下管道全線安全的最佳方法。要利用光纜實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管道安全的實(shí)時(shí)保護(hù)，必須保證管道沿線有光纜鋪設(shè)。新建管道可以隨管道同溝直埋一根(或兩根)4芯以上光纜專門用做振動(dòng)監(jiān)測(cè)的分布式傳感器。已埋設(shè)的管道如有同溝鋪設(shè)的光纜，可以利用光纜中富余光纖(必須有3根)來(lái)作為分布式傳感器。對(duì)于沒有同溝鋪設(shè)光纜的，可以后期重新開挖鋪設(shè)。
2.2.1光纜有效監(jiān)測(cè)半徑
受當(dāng)前儀器設(shè)備精度所限，只能分析出光纖橫截面為中心半徑2m內(nèi)振動(dòng)聲音信號(hào)。即，光纜有效監(jiān)測(cè)半徑只有2m，所以，管道必須完全處在光纜為中心2m包絡(luò)線之內(nèi)，否則將有部分管體受不到有效保護(hù)(如圖2)。
雖然光纜的有效監(jiān)測(cè)半徑受分析設(shè)備精度影響只有2m，但保護(hù)范圍也不是不能擴(kuò)大的，可以通過(guò)光纜鋪設(shè)方式來(lái)解決監(jiān)測(cè)保護(hù)范圍問題。如在管道上方對(duì)稱鋪設(shè)2根光纜(見圖3)就可有效解決保護(hù)半徑過(guò)小問題。根據(jù)具體需要也可鋪設(shè)多根來(lái)擴(kuò)大保護(hù)范圍。將光纜蛇形鋪設(shè)在管道上方也是擴(kuò)大保護(hù)范圍的一種策略。蛇形鋪設(shè)還可以提高檢測(cè)震源位置的精度(見圖4)。
2.2.2最大有效監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度
由于光纖中的激光隨光纖長(zhǎng)度和接頭數(shù)量的增加，信號(hào)逐漸減弱，所以，光信號(hào)不可能無(wú)限遠(yuǎn)的傳輸。要確保信號(hào)達(dá)到良好的偵測(cè)效果，必須保證信號(hào)的信噪比＞10:1，并須保證光信號(hào)衰減＜25dB。光信號(hào)衰減按0.25dB/km，熔接按0.2dB/點(diǎn)，光分配器按3.6dB，光適配器按0.3dB/點(diǎn)計(jì)算，40km是比較合理的偵測(cè)長(zhǎng)度。當(dāng)然若能夠保證信號(hào)強(qiáng)度與信噪比，突破40km的距離不是不可能。目前有的光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可測(cè)60km的距離。
2.3 智能分析系統(tǒng)
對(duì)信號(hào)源的頻率、位置可以通過(guò)計(jì)算得出，但對(duì)信號(hào)源種類及是否存在危險(xiǎn)的判斷可就需要靠智能分析系統(tǒng)了。智能分析系統(tǒng)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)開發(fā)的，智能分析系統(tǒng)能對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行分類處理，并能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)人工處理模式，逐步修正判別誤差，加強(qiáng)信號(hào)判別的準(zhǔn)確程度。智能分析系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)聲音信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度、節(jié)拍、頻率、形態(tài)等多種分析而得出震源類型，過(guò)濾掉干擾及自然信號(hào)提取出正確報(bào)警信號(hào)的。
2.3.1信號(hào)強(qiáng)度分析
信號(hào)強(qiáng)度分析是結(jié)合其他幾項(xiàng)分析根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度分析信號(hào)源距離光纜垂直距離的遠(yuǎn)近，以聲音幅度提示報(bào)警事件。聲音信號(hào)類別與強(qiáng)度特征對(duì)應(yīng)如表1。
表1 信號(hào)強(qiáng)度特征對(duì)應(yīng)表
|
序號(hào)
|
信號(hào)類別
|
強(qiáng)度特征
|
|
1
|
背景噪音
|
聲音幅度很小，均勻無(wú)起伏
|
|
2
|
輸油聲響
|
聲音幅度中偏小，均勻平穩(wěn)
|
|
3
|
人為攻擊
|
瞬間幅度可達(dá)飽和，斷續(xù)或連續(xù)
|
|
4
|
電動(dòng)工具
|
聲音較強(qiáng)
|
|
5
|
挖掘設(shè)備
|
聲音很強(qiáng)
|
|
6
|
沖擊設(shè)備
|
聲音極強(qiáng)
|
|
7
|
爆破
|
聲音深度飽和
|
|
…
|
|
|
2.3.2信號(hào)節(jié)拍分析
信號(hào)節(jié)拍分析是以震源聲音波群節(jié)拍特征提取環(huán)境擾動(dòng)，得出聲源類型。對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。
表2 信號(hào)節(jié)拍特征對(duì)應(yīng)表
|
序號(hào)
|
信號(hào)類別
|
節(jié)拍特征
|
|
1
|
氣動(dòng)工具
|
連發(fā)捶擊
|
|
2
|
重型沖擊錘
|
大力連發(fā)捶擊
|
|
3
|
車輛行駛
|
沉悶續(xù)貫振動(dòng)
|
|
…
|
|
|
2.3.3信號(hào)頻率分析
聲音信號(hào)頻率分析是以聲源頻率范圍區(qū)分不同環(huán)境擾動(dòng)。如表3。
表3 信號(hào)頻率特征對(duì)應(yīng)表
|
序號(hào)
|
信號(hào)類別
|
頻率范圍
|
|
1
|
輸油噪音
|
4000Hz以上
|
|
2
|
電動(dòng)工具
|
1000Hz～2000Hz
|
|
3
|
運(yùn)輸工具
|
300Hz～800Hz
|
|
4
|
重型設(shè)備
|
200Hz以下
|
|
…
|
|
|
2.3.4信號(hào)形態(tài)分析
聲音形態(tài)分析是以聲音包絡(luò)形態(tài)分析提示入侵事件。如表4。
表4 信號(hào)形態(tài)對(duì)應(yīng)表
|
序號(hào)
|
信號(hào)類別
|
形態(tài)特征
|
|
1
|
氣動(dòng)，電動(dòng)工具
|
急升持續(xù)
|
|
2
|
手動(dòng)挖掘工具
|
急升快降
|
|
…
|
|
|
2.3.5特征學(xué)習(xí)
聲音特征學(xué)習(xí)是通過(guò)人工對(duì)收錄可疑報(bào)警事件的確認(rèn)或剔除作為數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)事件分析得出是手工挖掘還是機(jī)械挖掘；是水平鉆孔還是垂直鉆孔；是表面爆破還是子彈射擊；是人為破壞還是自然災(zāi)害的。
2.3.6智能過(guò)濾
信號(hào)過(guò)濾功能是將常見環(huán)境擾動(dòng)、人類正常活動(dòng)及常見干擾信號(hào)記錄并保存用作常規(guī)信號(hào)過(guò)濾。如：自然風(fēng)、雨、雷、電；人類生產(chǎn)活動(dòng)用汽車，火車，生產(chǎn)加工環(huán)境噪音；無(wú)線電電磁干擾。
3 地下管道安全預(yù)警系統(tǒng)配置方案
利用光纜可以實(shí)現(xiàn)地下管道安全預(yù)警，有效防止第三方破壞。安全預(yù)警系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)中心與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)中心由計(jì)算機(jī)及智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)控制器(含光收發(fā)模塊)、光分配模塊、光相干模塊及光耦合器等組成。光纜中的光纖作為分布式傳感器，共需要3根光纖，兩根作為探測(cè)光纖，一根作為信號(hào)回傳光纖用于光纜沿線振動(dòng)信號(hào)的拾取與傳送。
光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在管道安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用如圖5。
系統(tǒng)設(shè)備配置方案：監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)：1套；現(xiàn)場(chǎng)控制器、頭尾探測(cè)器：每40km一套(具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)路由長(zhǎng)度合理配備)；信號(hào)隔離模塊：若干套(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理情況配置)；智能分析軟件：1套。
4 光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用前景
光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用范圍及其廣泛，在國(guó)內(nèi)使用前景極其廣闊。光纜振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不光可以用于地下水、油、氣管道的安全預(yù)警，還可以作為隱蔽式傳感器對(duì)地面上的入侵行為進(jìn)行偵測(cè)。如機(jī)場(chǎng)、車站、工廠、牧場(chǎng)的周界防范；還可以用于國(guó)界邊境非法入境的安全管理。
參考文獻(xiàn)
1 張引發(fā)，王宏科.《光纜線路工程設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)(第二版)》，北京：電子工業(yè)出版社，2007
2 [美]Barry E1liott/Mike Gilmore著，田亞光、馮立輝等譯.《光纜布線與檢測(cè)(第二版)Fiber Optic Cabling Second Edition》，電子工業(yè)出版社，2004
3 趙勇.《光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)》.北京：清華大學(xué)出版社，2007
4 王玉田.《光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用》.北京航空航天大學(xué)出版社，2009
5 張自嘉.《光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)》.科學(xué)出版社，2009
(本文作者：鐘震 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司天然氣工程建設(shè)分公司 518054)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉(zhuǎn)賬贊助
微信轉(zhuǎn)賬贊助
