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)測預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)可以通過光纜實(shí)時(shí)過去各處土壤振動(dòng)情況，分析識(shí)別還原現(xiàn)場情況，通過智能學(xué)習(xí)主動(dòng)判別并對危險(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；安全預(yù)警
1 引言
我國經(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)帶來損失。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。
雖然我國政府和各地下管道權(quán)屬企業(yè)對地下設(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，并能及時(shí)通知應(yīng)急維護(hù)人員，給他們爭取時(shí)間，司使他們迅速采取措施，將危險(xiǎn)消除在萌芽狀態(tài)。這是國內(nèi)外地下管線運(yùn)營企業(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偵測光纜周邊一定范圍內(nèi)土壤振動(dòng)情況，通過相關(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)已在國外得到大量的應(yīng)用。近兩年中石油、中石化也在油、氣長輸管線上利用該技術(shù)來保證地下管道的安全。
2 光纜振動(dòng)監(jiān)測預(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年代中期以來國際上發(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、磁場等物理量。光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)就是通過光纖測量周圍振動(dòng)頻率及位置來實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)源的判別與定位的。監(jiān)測預(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測量微應(yīng)變，構(gòu)成用于測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(shí)情況，經(jīng)處理后可檢測出干擾強(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)可以用來檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變，響應(yīng)時(shí)間在毫秒級。
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，需要將光纖的長度信息準(zhǔn)確錄入到軟件中，通過系統(tǒng)修正，定位精度可達(dá)±50m之內(nèi)。
2.2 光纜有效監(jiān)測半徑與最大監(jiān)測距離
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)來作為分布式傳感器。對于沒有同溝鋪設(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，可以通過光纜鋪設(shè)方式來解決監(jiān)測保護(hù)范圍問題。如在管道上方對稱鋪設(shè)2根光纜(見圖3)就可有效解決保護(hù)半徑過小問題。根據(jù)具體需要也可鋪設(shè)多根來擴(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)還可以提高檢測震源位置的精度(見圖4)。
2.2.2最大有效監(jiān)測長度
由于光纖中的激光隨光纖長度和接頭數(shù)量的增加，信號(hào)逐漸減弱，所以，光信號(hào)不可能無限遠(yuǎn)的傳輸。要確保信號(hào)達(dá)到良好的偵測效果，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是比較合理的偵測長度。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)測系統(tǒng)就可測60km的距離。
2.3 智能分析系統(tǒng)
對信號(hào)源的頻率、位置可以通過計(jì)算得出，但對信號(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)是通過對監(jiān)測到的振動(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)度特征對應(yīng)如表1。
表1 信號(hào)強(qiáng)度特征對應(yīng)表
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序號(hào)
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信號(hào)類別
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強(qiáng)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(wěn)
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3
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人為攻擊
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瞬間幅度可達(dá)飽和，斷續(xù)或連續(xù)
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4
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電動(dòng)工具
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聲音較強(qiáng)
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5
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挖掘設(shè)備
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聲音很強(qiáng)
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6
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沖擊設(shè)備
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聲音極強(qiáng)
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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(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。對應(yīng)關(guān)系如表2。
表2 信號(hào)節(jié)拍特征對應(yīng)表
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序號(hào)
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信號(hào)類別
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節(jié)拍特征
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1
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氣動(dòng)工具
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連發(fā)捶擊
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2
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重型沖擊錘
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大力連發(fā)捶擊
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3
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車輛行駛
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沉悶續(xù)貫振動(dòng)
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…
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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)頻率特征對應(yīng)表
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序號(hào)
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信號(hào)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(dòng)工具
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1000Hz～2000Hz
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3
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運(yùn)輸工具
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300Hz～800Hz
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4
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重型設(shè)備
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200Hz以下
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…
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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)對應(yīng)表
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序號(hào)
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信號(hào)類別
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形態(tài)特征
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1
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氣動(dòng)，電動(dòng)工具
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急升持續(xù)
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2
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手動(dòng)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(xué)習(xí)
聲音特征學(xué)習(xí)是通過人工對收錄可疑報(bào)警事件的確認(rèn)或剔除作為數(shù)據(jù)庫比對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智能過濾
信號(hào)過濾功能是將常見環(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)測中心與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)測中心由計(jì)算機(jī)及智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備由現(xiàn)場控制器(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)場控制器、頭尾探測器：每40km一套(具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)路由長度合理配備)；信號(hào)隔離模塊：若干套(根據(jù)現(xiàn)場地理情況配置)；智能分析軟件：1套。
4 光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用前景
光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用范圍及其廣泛，在國內(nèi)使用前景極其廣闊。光纜振動(dòng)監(jiān)測系統(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地面上的入侵行為進(jìn)行偵測。如機(jī)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(xiàn)
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(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)
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