光纤传感器技术在管道安全实时监测监控中的应用

现代工业经济和信息化　总第８２期—２０１４年第儿期　工程技术　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａ—ｌ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｏｔａｌ　ｏｆ８２　Ｎｏ．１１　２０１４　光纤传感器技术在管道安全实时监测监控中的应用　程保喜　（山西省自动化研究所，山西太原０３００１２）　摘要：文章提出一种以先进的光纤传感器和智能检测为基础对管道进行实时监测监控的技术。当管道发　生泄漏、压力异常或附近发生外部入侵事件时，分布于管道上的各类光纤能够及时感知管道的压力异　常、温度变化及其周围不同特征的震动信号，并传输至光纤解调仪中，通过智能信息提取技术从海量数　据中提取有用信息，利用特征融合技术，从各状态量中提取待测场的特征量。最后将特征量进行决策融　合，得出决策判别信息，提高运输管道的监测水平。　关键词：光纤传感器；管道；特征融合　中图分类号：ＴＰ２７７　文献标识码：Ａ　引言　由于管道运输具有运输成本低，运输运量大，可　靠性高等优点被广泛应用于石油天然气等众多化工产　品的运输中。但是随着需求的增加，新建管道数不断　增多，密度及复杂性也越来越大，管道长时间使用，　由于管道腐蚀、自然灾害和人为损坏等因素使得管道　安全问题变得日益严重，管道的泄漏不仅给管道运输　造成严重后果，同时会带来巨大的环境和经济损失。　另外，由于对管线记录的各项信息不全，准确度不　高，导致在新建和改造管道施工过程中，受地下管道　信息不准确的误导，常常会发生错挖和爆管事故，给　人们的生命财产安全造成极大的威胁。为了降低或避　免事故发生，满足运输管线安全、高效、经济运行的　要求，开发设计新型管道安全数字化实时监测监控系　统势在必行。　１　系统设计　管道安全数字化实时监测监控系统的设计是一项　复杂的系统工程，工程成功实施首先需要进行充分的　系统调研和分析，并在此基础上，对系统框架结构、　系统功能及其数据处理等进行总体设计，建立运输管　道数字化安全监测系统　。　１．１系统目标　系统以地下运输管网为研究对象，综合运用各项　收稿日期：２０１４－１１—０１　作者简介：程保喜（１９７１一），男，山西太原人，本科，毕业　于中北大学电气工程及其自动化专业，工程师。　文章编号：２０９５—０７４８（２０１　４）１　１　ｂ－００４６－０３　智能监控监测技术，建立一个基于先进传感器技术和　智能检测技术能够及时感知管道的压力异常、震动报　警并能够对数据进行分析处理，对管道泄漏能够准确　定位的管道安全数字化在线实时监控监测系统。建立　燃气管网海量多源多尺度数据获取、处理、融合及更　新机制；形成运输管网数字化安全监控监测系统软硬　件成果。为值班人员提供告警、智能分析和辅助决策　支持。　１．２系统框架结构　针对运输管网易燃易爆特性，以及当前管线监测　方式多为带电操作、人工监测为主，该系统基于多种　光纤传感技术，设计复合监测系统，以解决当前管网　安全缺乏有效监测手段的问题，对管网运行状况进行　实时监测，提高了系统监测精度和准确性。该系统实　现了对管线安全的实时监测（泄漏、管壁形变等）、　管线流体参数（压力、流量、温度等）的综合监测，　并通过光纤网络将数据传输反馈终端，由终端计算机　对数据进行分析处理后实现调度中心和重点监测线路　同时报警。　本文所设计系统由三部分组成：　１）基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动　预警系统。通过振动事件判别技术监测对燃气管道泄　漏及对管道有威胁的挖掘事件进行预警报警。　２）基于拉曼散射原理的长距离分布式光纤管道温　度监测系统。通过对泄漏点温度变化的实时监测，实　现对泄漏点的精确定位和报警。　４８．　．程保喜：光纤传感器技术在管道安全实时监测监控中的应用　２０１４年第１１期　量传感器网络的数据融合技术，将包含多参量传感信　敏度，检测准确度及传输速度快等优点，尤其适合应　息的各传感器信息进行数据层融合，得到反映待测场　的各状态量。再利用特征融合技术，从各状态量中提　取待测场的特征量。最后将特征量进行决策融合，得　出决策判别信息。　系统的原理结构图如图４所示，在运输管道上敷设　基于光干涉、拉曼散射及光纤光栅的传感通信网络，　当管道发生泄漏，或附近有机械施工和人为破环等入　用于长输天然气或石油等易燃易爆的危险管道监测　中，具有很好的推广前景。　辩：ｊ　模式泌　久Ｉ　智能∞市佴　分析　㈠－　经｝州络ｉ【＿！删　｛　专家系统　智能分ｌ斥　光纾多投拳多参数输送韬　道于哿麟实酬峨测系统　｛　画诿　再　Ｆｒ蟊藐　百　聂　ｉ　瓦＿｛系绒　成　—丽两五　倍呼处理Ｉ　侵事件时，产生的应力变化和冲击将改变传感光纤的　特性和损耗，经过基于光干涉原理的长距离分布式光　纤管道振动预警系统、基于拉曼散射原理的长距离分　布光纤管道温度监测系统和基于光纤光栅技术原理的　纂予光　涉的长距　分稚式光纤管道掀动顿群系统｝　祷函　『＿　耐藕　筚ｒ挝避敞时的｝乏　离分缸式光纤管道　艟豁测系统｛　—　面荪　—＿『—　丽礴　西　幕ｊ　光纤光糨的潍度麻变等移磐数瞥道髓测系境　信号，处ｆ　储号处艘３　温度应变等多参数监测系统，利用智能信息提取技术　及数据融合技术对光纤输出功率检测获得的数据进行　分析处理，获得沿光纤路径上压力变化和振动信号的　频谱特征。然后将三种子系统进行高度集成形成本安　型光纤多技术运输管道实时监测系统，利用人工神经　网络识别和专家系统进行智能分析，判定是否有管道　泄漏、机械施工或人为破坏等事件的发生，实现故障　类型判定的功管鼍和敌障位置点的准确定位　。　３　结语　爹神数搬蜜附　洲　｛　响廊快速定位凇确　锻ｊ　光｝涉　拉避敞射、光纡　跚传瞎通信州耋｝｝｛　础没藤　图４信号处理功能结构示意图　参考文献　…１陈春刚，王毅，杨振坤．长输油管道泄漏技术综述卟石油与天　然气化工，２００２，３１（１）：５２－５４．　［２］周琰，靳世久．分布式光纾管道泄漏检测和定位技术ＵＪ’石油　学报，２００６，２７（２）：１２１－１２４．　ｆ３】黄尚廉，梁大巍．分布式光纤温度传感器系统的研究　．仪器　本文所设计鲍剥蹦三种光纤传感技术在线实时监　测运输管道的技术是集成通信技术、汁算机技术及其　光电技术，利用三种光纤本身物理特性来实现对运输　管道发生泄漏，或附近有机械施工和人为破坏等入侵　仪表学报，１９９１，１２（４）：３５９－３６４　陈志刚，张来斌，王朝晖．基于分布式光纤传感器的输气管道　泄漏检测方法Ｕ１．传感器与微系统，２００７，２６（７）：１０８—１１０．　事件监测。它能够实现长距离分布式Ｉ监测，具有高灵　（编辑：姚欢）　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｃｈｅｎｇ　Ｂａｏｘｉ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｍ：，ｎ　Ｓｈａｎｘｉ　０３００１２）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅ：￣ｅｎｔｓ　ａ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｗｈｅ￣．ｔ？０ｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｌｅａｋ，ａｂｎｏｒｍａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｒ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ　ｅｖｅｎｔｓ，ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｃａｎ　ａｐｐｅｒｃｅｉｖｅ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｒｅｓｓ￣ｒｅ　ａｎｏｍａｌｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｍ－ｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，．Ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅ￣４　ｅ￡娃０ｄｕｌａｔｏｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｕｓｅｆｕｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｍａｓｓｉｖｅ　ｄａｔａ．ｔｈｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｆｕｓｉｏｎ￣．ｅｃｌｍｏｌｏｇｙ　ｔＯ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｅａｃｈ　ｓｔａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｖａｌｕｅｓ　ｉｎ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｕｓｉｏｎ，ｔｈａｔ　ｄｅｅｊｓｉｏｎ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｏｒｉｎｇ　ｌｔｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ￣　ｃ蛆ｆｉｂｅ￣　ｓ￣５ｎｓｏｒ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｆｅａｔｕｒｅ　ｆｕｓｉｏｎ