摘要：地下管道設施經常遭受第三方破壞，各地大規模的開發建設給地下管道帶來巨大安全隱患。目前采取常規的巡檢措施不能做到全路段不間斷實時監控保護，當前可靠、可行的方案是利用光纜作為分布式傳感器組建光纜振動監測預警系統，預警系統可以通過光纜實時過去各處土壤振動情況，分析識別還原現場情況，通過智能學習主動判別并對危險信號發出告警，即使通知監控人員采取應急措施，將危險屏蔽在發生以前。
關鍵詞：地下管道；光纜；振動監測；安全預警
1 引言
我國經濟正處在快速發展之中，城市化步伐也在逐步加快，全國各地的各種開發建設項目隨處可見。元論何種建設項目只要動土，就會對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有發生。據統計，由機械施工及自然災害所造成的管道事故占事故總數的70%以上，其中90%以上的重大事故是因為機械施工造成的，如：水管被挖破，油、氣管道被打穿是經常發生的事情。水管破裂導致居民生產生活受到影響，給各用水企業生產帶來損失。輸油、氣管道破裂會導致大面積泄漏，隨時會造成火災發生，有的甚至引起爆炸，人民生命財產安全將受到嚴重威脅，生態環境遭到巨大破壞，“管道安全問題”早已成為全球矚目的話題。
雖然我國政府和各地下管道權屬企業對地下設施的安全采取了多種保護措施，做出了大量的工作，但地下管線設施的安全還是存在著各種各樣的威脅。如何在地下管線設施遭受破壞之前就可預知危險的到來，并能及時通知應急維護人員，給他們爭取時間，司使他們迅速采取措施，將危險消除在萌芽狀態。這是國內外地下管線運營企業共同關注的課題。目前已.有相關技術得到應用，并很好的解決了地下管線設施的安全預警問題。當前效果較好的技術是利用埋在地下的光纜作為分布式傳感器來偵測光纜周邊一定范圍內土壤振動情況，通過相關數據處理系統分析，從而獲得管道周邊環境是否處于安全狀態。該技術已在國外得到大量的應用。近兩年中石油、中石化也在油、氣長輸管線上利用該技術來保證地下管道的安全。
2 光纜振動監測預警系統
光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展的一種新的傳感技術。是20世紀70年代中期以來國際上發展最快的高科技應用技術。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。利用光纖作為傳感器可以測量溫度、位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、電流、電壓、磁場等物理量。光纜振動監測預警系統就是通過光纖測量周圍振動頻率及位置來實現對危險源的判別與定位的。監測預警系統分為信號采集與智能分析兩部分。
2.1 光纖振動感應原理
光纜振動監測系統是同時利用了光纖作為定位傳感器與微應變傳感器兩種功能。光纖在受到外界振動干擾的情況下會產生微應變，微應變會使其內部傳送光信號的頻率相位等發生細微變化，通過激光相干應力分析系統就可計算出振動點的頻率、強度及位置信息。
微應變傳感技術是基于“光的干涉”原理，通常使用兩根單膜光纖來測量微應變，構成用于測量光的干涉波的傳感器(如圖1)。
激光器向光纖發射連續的激光束，如果光纖沒有受到外界的擾動，如運動、聲波和觸動，或者兩根光纖同步受到相同的干擾，反射回的光不會發生變化；如果光纖受到外界的擾動，反射回光的波形將會發生變化，并產生干涉圖像，光檢測器可檢測到這一波形的變化，而且通過軟件可以分辯出事件的真實情況，經處理后可檢測出干擾強度與位置。相干激光器發射是連續波激光束，光纖傳感器的頻率響應范圍從0Hz～1MHz，通常情況下只需1Hz～100KHz。這項技術可以用來檢測動態應變，響應時間在毫秒級。
振動源位置計算：
L=1/2vt=ct/2n；
v=c/n；
L——振動點位置到干涉儀右端的距離；
t——時延時間；
c——真空中的光速；
n——光纖纖芯折射率。
為了精確定位，需要將光纖的長度信息準確錄入到軟件中，通過系統修正，定位精度可達±50m之內。
2.2 光纜有效監測半徑與最大監測距離
利用光纜震作為分布式傳感器是實現地下管道全線安全的最佳方法。要利用光纜實現對地下管道安全的實時保護，必須保證管道沿線有光纜鋪設。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監測的分布式傳感器。已埋設的管道如有同溝鋪設的光纜，可以利用光纜中富余光纖(必須有3根)來作為分布式傳感器。對于沒有同溝鋪設光纜的，可以后期重新開挖鋪設。
2.2.1光纜有效監測半徑
受當前儀器設備精度所限，只能分析出光纖橫截面為中心半徑2m內振動聲音信號。即，光纜有效監測半徑只有2m，所以，管道必須完全處在光纜為中心2m包絡線之內，否則將有部分管體受不到有效保護(如圖2)。
雖然光纜的有效監測半徑受分析設備精度影響只有2m，但保護范圍也不是不能擴大的，可以通過光纜鋪設方式來解決監測保護范圍問題。如在管道上方對稱鋪設2根光纜(見圖3)就可有效解決保護半徑過小問題。根據具體需要也可鋪設多根來擴大保護范圍。將光纜蛇形鋪設在管道上方也是擴大保護范圍的一種策略。蛇形鋪設還可以提高檢測震源位置的精度(見圖4)。
2.2.2最大有效監測長度
由于光纖中的激光隨光纖長度和接頭數量的增加，信號逐漸減弱，所以，光信號不可能無限遠的傳輸。要確保信號達到良好的偵測效果，必須保證信號的信噪比＞10:1，并須保證光信號衰減＜25dB。光信號衰減按0.25dB/km，熔接按0.2dB/點，光分配器按3.6dB，光適配器按0.3dB/點計算，40km是比較合理的偵測長度。當然若能夠保證信號強度與信噪比，突破40km的距離不是不可能。目前有的光纜振動監測系統就可測60km的距離。
2.3 智能分析系統
對信號源的頻率、位置可以通過計算得出，但對信號源種類及是否存在危險的判斷可就需要靠智能分析系統了。智能分析系統是基于神經網絡模式識別技術開發的，智能分析系統能對收到的信號進行分類處理，并能夠自動學習人工處理模式，逐步修正判別誤差，加強信號判別的準確程度。智能分析系統是通過對監測到的振動聲音信號進行強度、節拍、頻率、形態等多種分析而得出震源類型，過濾掉干擾及自然信號提取出正確報警信號的。
2.3.1信號強度分析
信號強度分析是結合其他幾項分析根據信號的強度分析信號源距離光纜垂直距離的遠近，以聲音幅度提示報警事件。聲音信號類別與強度特征對應如表1。
表1 信號強度特征對應表
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序號
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信號類別
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強度特征
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1
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背景噪音
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聲音幅度很小，均勻無起伏
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2
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輸油聲響
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聲音幅度中偏小，均勻平穩
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3
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人為攻擊
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瞬間幅度可達飽和，斷續或連續
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4
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電動工具
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聲音較強
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5
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挖掘設備
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聲音很強
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6
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沖擊設備
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聲音極強
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7
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爆破
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聲音深度飽和
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…
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2.3.2信號節拍分析
信號節拍分析是以震源聲音波群節拍特征提取環境擾動，得出聲源類型。對應關系如表2。
表2 信號節拍特征對應表
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序號
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信號類別
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節拍特征
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1
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氣動工具
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連發捶擊
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2
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重型沖擊錘
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大力連發捶擊
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3
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車輛行駛
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沉悶續貫振動
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…
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2.3.3信號頻率分析
聲音信號頻率分析是以聲源頻率范圍區分不同環境擾動。如表3。
表3 信號頻率特征對應表
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序號
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信號類別
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頻率范圍
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1
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輸油噪音
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4000Hz以上
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2
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電動工具
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1000Hz～2000Hz
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3
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運輸工具
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300Hz～800Hz
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4
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重型設備
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200Hz以下
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…
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2.3.4信號形態分析
聲音形態分析是以聲音包絡形態分析提示入侵事件。如表4。
表4 信號形態對應表
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序號
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信號類別
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形態特征
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1
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氣動，電動工具
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急升持續
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2
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手動挖掘工具
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急升快降
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…
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2.3.5特征學習
聲音特征學習是通過人工對收錄可疑報警事件的確認或剔除作為數據庫比對事件分析得出是手工挖掘還是機械挖掘；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害的。
2.3.6智能過濾
信號過濾功能是將常見環境擾動、人類正常活動及常見干擾信號記錄并保存用作常規信號過濾。如：自然風、雨、雷、電；人類生產活動用汽車，火車，生產加工環境噪音；無線電電磁干擾。
3 地下管道安全預警系統配置方案
利用光纜可以實現地下管道安全預警，有效防止第三方破壞。安全預警系統分為監測中心與現場監測設備。監測中心由計算機及智能數據分析系統組成。現場監測設備由現場控制器(含光收發模塊)、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，兩根作為探測光纖，一根作為信號回傳光纖用于光纜沿線振動信號的拾取與傳送。
光纜振動監測系統在管道安全預警系統應用如圖5。
系統設備配置方案：監控中心計算機：1套；現場控制器、頭尾探測器：每40km一套(具體數量應根據路由長度合理配備)；信號隔離模塊：若干套(根據現場地理情況配置)；智能分析軟件：1套。
4 光纜振動監測預警系統應用前景
光纜振動監測預警系統應用范圍及其廣泛，在國內使用前景極其廣闊。光纜振動監測系統不光可以用于地下水、油、氣管道的安全預警，還可以作為隱蔽式傳感器對地面上的入侵行為進行偵測。如機場、車站、工廠、牧場的周界防范；還可以用于國界邊境非法入境的安全管理。
參考文獻
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2 [美]Barry E1liott/Mike Gilmore著，田亞光、馮立輝等譯.《光纜布線與檢測(第二版)Fiber Optic Cabling Second Edition》，電子工業出版社，2004
3 趙勇.《光纖傳感原理與應用技術》.北京：清華大學出版社，2007
4 王玉田.《光纖傳感技術及應用》.北京航空航天大學出版社，2009
5 張自嘉.《光纖光柵理論基礎與傳感技術》.科學出版社，2009
(本文作者：鐘震 深圳市燃氣集團股份有限公司天然氣工程建設分公司 518054)
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