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(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)過試驗運(yùn)行，通過FWS軟件升級和算法與功能優(yōu)化兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而使周告警量和周告警類型有了顯著提高，但是該系統(tǒng)在告警類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(yù)警系統(tǒng)；管道保護(hù)

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

1 光纖安全系統(tǒng)原理

1.1 光纖振動傳感系統(tǒng)原理

光纖振動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)行微震動監(jiān)測的高科技設(shè)備，是一款為特殊行業(yè)和安防場合而設(shè)計的真正本質(zhì)安全的監(jiān)測系統(tǒng)。它以光學(xué)干涉理論為依據(jù)、以非平衡馬赫-澤德（Mach－Zehnder）/薩格奈克（Sagnac）的線型干涉結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過采用光纖傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)等技術(shù)手段完成長距離沿線信息的檢測、采集、處理和傳輸，利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)和信息智能分析技術(shù)對各種不同的振動信息進(jìn)行分析和識別（見圖1）。

圖1  光纖振動傳感器原理

1.2 光纖振動入侵探測器信號檢測原理

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

1.3 光纖振動入侵探測器定位原理

當(dāng)外界振動信號作用于M—Z光纖干涉系統(tǒng)的兩個干涉臂時，傳感光分別向左右兩個方向傳輸至探測器1和探測器2（見圖2）。檢測比較兩組干涉光的時間差即可判斷振動事件發(fā)生的位置（見圖3）。

圖2  光纖振動定位原理

圖3  時間差計算圖

2 光纖安全系統(tǒng)指標(biāo)

2.1 國家規(guī)范（SY/T  4121-2012）

監(jiān)測長度：≤60 km

檢測范圍：≥5m

定位精度：≤±100m

報警率： ≥95%

響應(yīng)時間：≤60s

2.2 光纖探測器的主要技術(shù)參數(shù)

光纖類型：多模（短距離）、單模（遠(yuǎn)距離）

單路長距離測量時間：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 ℃（特殊光纖可滿足超低溫和超高溫）

3 應(yīng)用實(shí)踐

西南管道公司所轄蘭州至臨洮管線距離93 km，全線采集GPS坐標(biāo)125個，采集點(diǎn)涵括所有陰保樁、轉(zhuǎn)角，并對穿越公路、鐵路、河流、村莊等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密采集。管道預(yù)警系統(tǒng)于2016年12月全部調(diào)試完畢后投入運(yùn)行。經(jīng)過對全線告警數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再與現(xiàn)場實(shí)際告警地點(diǎn)進(jìn)行復(fù)驗，發(fā)現(xiàn)存在誤報較多的問題，項目部隨即對管道預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1  FWS軟件升級

2017年2月對蘭州、臨洮兩站的預(yù)警管理終端軟件FWS進(jìn)行了升級更新，更新后的FWS界面更加簡潔，并加入全新告警篩選機(jī)制“持續(xù)時間”及“類別篩選”功能。“持續(xù)時間”指僅顯示超過設(shè)定值的告警信息。“類別篩選”指僅顯示已勾選的告警類型。通過對這兩項功能的合理設(shè)置可以更有效的過濾非危害事件告警。

3.1.2算法與性能優(yōu)化

對前期采集的告警信息、告警數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，對告警數(shù)據(jù)、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(lán)本結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際線路信號優(yōu)化告警事件及類型的甄別；主要采取現(xiàn)場地理位置的先驗條件，再依據(jù)事件的持續(xù)時間、類型、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(yù)警終端軟件的告警信息顯示做優(yōu)化調(diào)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(xù)性判斷，將同一位置在一定時間內(nèi)的信號片斷進(jìn)行歸納，減少由于同一事件的多條顯示；事件保留時間根據(jù)現(xiàn)場事件的判斷設(shè)置。

（3）參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的告警數(shù)據(jù)分析且同時分析光纜線路的信號變化，根據(jù)不同區(qū)域的條件設(shè)置不同的閾值；主要采取分段設(shè)置閾值；分時篩選告警事件數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置需要持續(xù)跟蹤，根據(jù)季節(jié)、線路施工變化等情況進(jìn)行分析調(diào)整。

3.2 優(yōu)化后結(jié)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（見圖4）。針對明顯無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(shù)據(jù)對比

（2） 優(yōu)化前后告警類型對比

試驗管道優(yōu)化前平均周告警量中約有130余條告警類型為“未知”，優(yōu)化后未知告警類型減少至20條以內(nèi)（見圖5）。同時告警類型匹配準(zhǔn)確率也有了提升。

圖5 告警類型優(yōu)化前后對比

3.3  實(shí)踐結(jié)果

目前試驗管道光纖預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)分別為：

 穩(wěn)定性：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行三個月，無任何故障發(fā)生；

 靈敏度： 15 m范圍內(nèi)的機(jī)械挖掘與2 m范圍內(nèi)的人工挖掘事件；

 定位誤差：不大于100 m；

 信號響應(yīng)時間：不大于1 min；

 漏報率：在數(shù)據(jù)采集與距離校正期間，沒有出現(xiàn)漏報率；

系統(tǒng)有效告警條數(shù)：試運(yùn)行期間，有效告警條數(shù)達(dá)到幾百條；經(jīng)過分析處理、篩選與合并，有效告警條數(shù)控制在50條內(nèi)。

4  結(jié)語

目前試驗選取的光纖預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，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(jù)季節(jié)、線路施工類型、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，對道路與過車的信號篩選等；需加強(qiáng)與現(xiàn)場巡線的結(jié)合，通過事件復(fù)核來提高有效告警率。

（2）告警分析判斷。現(xiàn)場信號分析主要采取信號時長、頻譜、峭度、占空比等多維特征來判斷事件類型，告警事件主要基于持續(xù)時間、類型判斷、信號閾值與位置先驗等綜合判斷。告警分析判斷仍需結(jié)合現(xiàn)場線路的實(shí)際情況來調(diào)整優(yōu)化，系統(tǒng)需要結(jié)合人防+技防，通過技防來提高人防的效率，同時通過人防來有效提升系統(tǒng)的有效告警率。

預(yù)警系統(tǒng)能有效檢測管道周圍的土壤振動信號和判斷事件的類型，但事件的威脅度主要依靠持續(xù)時間與信號類型，這需要定期采集分析數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化，不斷提高系統(tǒng)的有效告警率，減少誤報，實(shí)現(xiàn)對危害事件的及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位、有效制止，提高管道運(yùn)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(hù)。

《管道保護(hù)》2017年第4期（總第35期）