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直埋光缆故障侦听定位仪

光纤侦听传感技术在管道安全预警中的应用

全球有近360万公里的油气长输管道,在建管道正以数万公里的速度延伸。长输管道往往要经过复杂的地质和地域环境,受腐蚀、第三方破坏、自然灾害等因素影响,每年发生的管道事故达数千起。由于传统的检测方式均为事后检测,无法对事故做到事前预警。为此,自2003年以来,按照“用一代、研一代、筹一代”的思路,持续推进管道光纤安全预警研发工作,目前产品研发已进入第五代,商业和社会价值日益显现。

1 管道光纤侦听预警系统介绍

管道光纤侦听预警系统基于瑞利相干检测技术,利用与管道同沟敷设的一芯光纤,通过振动对瑞利散射光的能量、相位、偏振量变化的干涉检测、解调和识别,实现对管道周边破坏性事件的声音还原、定位与预警。单台设备监测距离最大50公里,定位精度±8米,具有事前预警能力,定位准、精度高,可及时发现对管道有威胁性的破坏事件,识别能力、灵敏度和抗干扰性较为突出,可及时防止安全事故的发生。该预警系统由光纤传感子系统、预警单元、预警管理终端和区域管理中心组成,形成多级网络管理模式。

2 预警系统核心技术

2.1 单芯瑞利相干检测技术

该系统利用一芯通信光纤作为传感子系统,采用瑞利相干检测技术,通过振动对瑞利散射光的能量、相位、偏振量变化的干涉检测、解调和识别,实现振动事件的破坏预警和定位。与传统传感技术相比,该技术相当于在整根光缆上8米等间距建立多个传感单元,各传感器单元互不干扰,实现对震动音频信号的有效区分,定位精度8米,而且从根本上克服了振动事件并发互相干扰的问题,定位更准、抗干扰能力更强。

2.2 破坏事件识别预警技术

实践中需识别的事件类型众多,不同应用现场破坏事件识别侧重点不同,音频信号特点也就不同。因而,在实际应用中,可将识别类型划分为机械施工、人为施工、重型车辆碾压、地质灾害等,以不断完善对风险目标的识别。

(1)数据采集及预处理。以不同现场信号数据库为基础,对信号进行甄选并标记类型,对标记信号类型的数据进行预处理,为下一步特征提取做准备。

(2)特征提取与选择。借鉴机械振动、语音信号、仿生识别的成功经验,研究选取描述振动信号片段特征,综合涵盖时域、频域等, 进行区分度的测试、有效性排序和筛选,最后选取主要特征近20个。

(3)特征分类模型。因依靠特征取值比较不能进行有效分类,故引入了信号模式识别分类器进行事件类别区分,建立了基于多特征的分类模型,实现了类型划分特征空间分界面距离的最大化,并针对多类不同预警事件分类需求,建立塔式分类结构,分层次对事件类别进行细化。

3 预警系统应用优势

管道光纤侦听预警系统的成熟产品现已进入第五代,技术性能不断提升,主要具有以下7大应用优势。

(1)全天候无缝隙实时监测。系统实现了实时监听与事前预警,消除了传统人工巡检的弊端,降低了巡线成本与人员安全风险。

(2)只需要占用任意一根光纤即可实现分布式传感与信号传输,节省了光纤资源,提高了产品的经济性。

(3)超强现场配置能力。系统可根据现场管道距离与阀室供电情况,采取10、30、50、100公里等多种灵活配置方式。

(4)超高定位精度。系统把光缆分为8米等间距的连续的多个传感单元,对沿线的振动信号和噪声进行空间区分,定位精度达到8米。

(5)超强类型识别能力。对硬土、淤泥、沙土地、戈壁等不同环境的基础数据,采取模式识别算法建立了完备的振动事件识别数据库,可有效区分管道安全事件与非安全事件。当发生预警事件时,系统通过类型识别,事件检测能力达到100%,典型事件类型识别能力达到95%以上。

(6)超强抗干扰能力。系统可根据环境噪声,采取抑制、分段、分时设置阈值、屏蔽等方式。

(7)超灵敏监测能力。系统能检测到20米内机械施工,10米内车辆碾压,5米以内人为活动等事件。