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【论文精选】北斗定位天然气管道分布式光纤预警系统

时间：2021-12-17 来源：浏览：

【论文精选】北斗定位天然气管道分布式光纤预警系统

原创陈庆玺，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：陈庆玺，梁雪莲，周丽娟，张伟航，周清扬，张一帆

第一作者单位：北京市燃气集团规划发展部

摘自《煤气与热力》2021年12月刊

1 发展现状

1.1 燃气管道第三方破坏现状

随着城镇燃气普及率的日益升高，燃气事故数量也逐年上升。第三方破坏已成为城镇 燃气管道 发生事故的主因 ^［ ¹ ^］。面对越来越长的输配管道，如何有效地实施监控，遏制第三方破坏管道设施等不法行为，成为燃气管道公司、安监部门等主管单位必须解决的难题。因此，针对城市燃气管道增加自动监测手段，全天候实时有效感知燃气管道第三方潜在破坏行为，并借助卫星定位技术以及人工智能算法，进行可靠预警与准确定位，提前化解燃气管道第三方破坏安全事故，保障天然气安全可靠稳定供应是大势所趋 ^［ ² ^］。

1.2 管道预警技术现状

目前，国内外替代传统人工管道巡检的第三方破坏探测技术主要有 3 类：采用分布式光纤传感技术原理实现的振动光纤检测技术（简称分布式光纤传感预警技术）、基于应力应变与位移的智能化综合监测技术（简称智能化综合监测技术）、基于音波信号采集和分析的地音检测技术（简称地音检测技术）。

①分布式光纤传感预警技术

近几年，天然气管道的 泄漏监测 技术得到了极大发展。其中，分布式光纤传感预警技术发展尤为迅速，成为天然气管道保护技术中的热点和亮点。由于优点显著 ^［ ³ ^］，分布式光纤传感预警技术已得到国内外管道运营企业的重视。美国纽约天然气公司几年前就应用该技术来维护管道安全。中石化塘燕线燕山至涿州段约 27 km 管道采用该技术进行安全防护。近几年，中石油天然气管道通信电力工程总公司投入大量的资金和人力研究该项技术，目前已经进入实用阶段并在部分长输管道实施，如西气东输苏浙沪段实施了 300 km ，阿独线实施了 246 km 等 ^［ ^4-5 ^］。

分布式光纤传感预警技术是利用随燃气管道铺设的光缆对周围土壤的振动信号进行监测，通过软件分析得出振动源的特性，从而得知周围环境是否存在危险，提炼出有威胁的信号并发出报警信息，提醒值班人员及时安排人员前往振动地段核实，变被动发现为主动发现，将危险屏蔽在事故发生前 ^［ ⁶ ^］。

②智能化综合监测技术

利用无人机航拍技术将施工场地的全貌拍摄出来并绘制等高线，在管道周边需重点监控的区域选取几个视野开阔的制高点安装视频监控，同时在管道区域加装应力应变监测装置进行 24 h 不间断监测，并利用视频监控进行异常报警后的复核，可发现导致管道异常应力的堆土和填方等作业。

③地音检测技术

地音检测技术是综合运用地球物理学感应技术、信号分析技术和通信技术于一体的最新地表传感技术。该技术目前处于国际传感技术的研究前沿，主要通过探测和分析人、车辆、设备等在地上及地下进行挖掘、钻探及其他可疑活动等所产生的声波（特别是 2 ～ 4 000 Hz 声波）来对潜在的安全威胁进行甄别和定位。该技术对于在复杂环境中识别第三方破坏行为非常有效，能够精确定位第三方破坏行为（误差小于 30 m ），甚至是分辨出第三方破坏行为的类型，例如：爆破、打孔盗气、人工或机械挖掘等。

④ 3 种管道预警技术优缺点比较

分布式光纤传感预警技术具有现场无需供电、抗干扰能力强、光信号衰减慢、监测距离长且无盲区、便于维护、识别能力好等优点，缺点是对光缆损耗有一定要求，布设稍复杂。智能化综合监测技术可实时视频观察，但需要现场供电、布设实施复杂、监测距离较短、维护相对复杂。地音检测技术具有识别能力好的优点，同时有点式传感器监测距离较短、组网复杂、抗干扰能力差和维护成本高的缺点。

根据 3 种管道预警技术的特点，考虑燃气管道环境复杂、距离长、沿线供电难以及干扰较多的情况，选择分布式光纤传感预警技术作为主要监测手段是符合现实发展需求的。采用分布式光纤传感预警技术进行的管道预警系统称为分布式光纤管道预警系统。

1.3 北斗卫星导航系统现状

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测等领域 ^［ ⁷ ^］。北斗系统在天然气领域的应用方面，北京燃气集团已建立国家北斗精准服务网行业应用示范站，于 2012 年开创了燃气行业应用北斗的先河，创造性地将北斗定位技术全面应用于企业运营各环节，实现了北斗从军用向民用的成功跨进。中国燃气集团在 2017 年完成逾 120 × 10 ⁴ 户农村煤改气的施工过程中，通过北斗技术获取精准完整的数据信息。 2017 年，港华燃气展开北斗精准服务结合燃气全业务链的应用。华润燃气和新奥能源在多地展开北斗精准服务结合燃气全业务链的应用 ^［ ^8-9 ^］。

2 北斗定位分布式光纤管道预警系统

2.1 系统结构

北斗定位分布式光纤管道预警系统结构见图 1 。系统由沿管道铺设的传感光缆接收信号。当出现第三方入侵破坏时产生振动信号，被传感光缆接收后发送给分布式光纤管道预警系统的设备端。通过设备端处理分析，并与系统内报警特征信号进行对比识别，然后利用北斗的短报文功能将报警监测信息上传至中央管理平台。北斗卫星定位模块一般是手持终端，由巡线人员持有。在系统布设初期对几个关键点位置进行标定，将标定结果人工录入中央管理平台。当运行中产生报警时，中央管理平台利用已经标定的关键点进行计算得到报警点的具体坐标，将报警信号通过中国移动、联通、电信三大运营商的无线网络发送给客户端系统（手机 APP ）。

图 1 北斗定位分布式光纤管道预警系统结构

中央管理平台根据需要设置，可以与分布式光纤管道预警系统一起放置在现场终端，也可以作为独立中转服务器放置在机房。

分布式光纤管道预警系统与中央管理平台之间可以通过以太网、卫星通信网络、 3G 和 4G 等移动通信网络、物联网等各种通信方式，本文介绍的系统主要通过北斗的短报文功能（属于卫星通信）进行通信。

正常情况下，分布式光纤管道预警系统可以每隔 20 ～ 40 km ，甚至 80 km 设置 1 个，一般以 40 km 居多。

监控人员可以通过系统给出的北斗定位坐标，找到产生信号的管段，进行修补或替换，可使由第三方破坏导致发生爆管、泄漏等事故的可能性降至最低，做到防患于未然。

2.2 分布式光纤管道预警系统原理

分布式光纤管道预警系统原理见图 2 。激光器通过 AOM （声光调制器）形成脉冲光源，并通过光放大器放大后注入传感光纤（在传感光缆内）。当有外界振动信号作用在传感光缆上时，对应位置的光纤发生振动。由于弹光效应，光纤的折射率、长度等发生微小变化，导致光纤内传输信号的相位发生变化。系统所用的是高度相干的脉冲光源，因此脉冲宽度区域内的瑞利散射光信号之间会发生干涉，该干涉信号由检测器转化为电信号，发送给信号处理单元进行处理。由振动产生的相位变化使得干涉信号的强度发生变化，检测不同时刻、不同位置的瑞利散射光信号的强度变化，通过对比振动前电信号和振动时电信号可以得到差分电信号（见图 3 ），就能检测出振动信号作用在光纤上的位置，并且可以给出在传感光缆的不同位置同时入侵的报警。激光器、 AMO 、光放大器、检测器、信号处理单元等均位于设备端。

图 2 分布式光纤管道预警系统原理

图 3 振动前、振动时电信号及差分电信号

2.3 功能实现

①第三方破坏信号特征库应用

城市燃气管道监测的主要振动行为包括无害行为和有害行为。无害行为有：行人行走、汽车行驶、地铁行驶、河流流水、割草机工作等。有害行为有：打桩机、夯土机、破拆机、推土机、挖土机或顶管施工，人工挖掘等。

根据振动行为，北斗定位分布式光纤管道预警系统需要采用模式识别技术区别不同的行为，对无害行为进行滤除，对有害行为发出报警。模式识别的基础是对振动行为进行特征提取。有效表征振动特征的信息主要包括：振动幅度、振动频率、作用空间（振动影响的空间）、振动持续时间（连续振动、间歇性振动）、光缆上方的振动传导介质。

在实际操作中，要全部采集各种振动信息并提取相应的特征是一件花费巨大和耗时很长的工作。实际项目实施时，将根据实际环境条件对不同的行为及特征进行取舍，进而建立特征数据库。实时监测时，根据模式识别算法，对实时采集的数据流中符合预警特征的数据进行模式匹配并报警。

系统稳定运行后，可以根据每一次发生的报警情况（尤其是漏报和误报），进行自动学习，从而进一步完善特征数据库。

②北斗定位技术应用

北斗定位方案：使用采集接收机可获取光纤各节点的位置坐标，进一步得到光纤长度和位置坐标的映射关系。当发生第三方破坏时，通过光纤传感原理、定位原理可以得知距离基准点多远处发生了该事件，通过映射关系可以得知第三方破坏点的位置坐标，从而实现快速空间定位。

北斗短报文：将短报文功能作为通信中断时的“灾备”功能，为特殊情形下的通信提供保障。现场光纤报警主机可通过北斗短报文模块将振动报警与定位信息远传至客户端系统的报警软件进行显示。