油气管道光纤泄漏监测（声波+振动）监测

1、油气管道光纤泄漏监测系统（光纤声波和振动探测与人工智能分析系统）油气管道光纤泄漏系统光纤声波和振动探测与人工智能分析系统技术方案北京奥普智信光科技术有限公司兰州奥普信息技术有限公司2021年1月目录1. 项目概述32. 设计标准及规范53. 设计原则54. 系统原理74.1. 油气管道泄漏监测系统技术原理74.2. 相位-OTDR瑞利相干检测原理74.3. 光纤干涉振动传感原理94.4. 智能识别和模态建模，提高行为识别能力。104.4.1. 人工智能算法和大数据分析智能识别多类事件。104.4.2. 具有机器智能自学习能力。115. 技术优势136. 系统构成157. 指标和功能197.1.1. 油气管道泄漏监测系统技术指标197.1.2. 系统功能208. 系统的兼容性和联动218.1. 通信协议、通信接口218.2. 系统数据的共享、调用219. 传感光缆安装2310. 奥普智信企业简介241. 项目概述随着社会经济、科技的不断进步，管道传输和线缆的管道敷设正在得到大量的应用，近十年间，我国输油输气管道已建成“两纵、两横、四枢纽、五气库”的网状结构，管道建设总里程约5万公里。管道

2、动辄几百公里乃至上千公里，其中特长管道工程就有：西气东输工程、兰成渝成品油管道、中-俄/中-哈油气管道等等。而管道安全保护的问题也日益突出地摆在了人们的面前。石油、天然气管道是埋藏于地下的“能源大动脉”，在国家能源安全和经济发展方面具有重要意义。但一直以来，管道安全事件频频发生，不仅造成巨大的经济损失，还频繁导致人员伤亡和环境污染，造成了巨大的经济损失。管道传输距离长，部分地区在油品和天然气转运过程中对管道的侵蚀很严重，冷热变形量大，需要穿越各种地质灾害地区，再加上人为破坏因数，管道安全问题不容轻视。近年来，我国油气管道泄露和第三方破坏事故不断发生，给国家带来非常大的经济损失，人员伤害及环境污染，甚至会产生火灾、爆炸。由于管道漫长的分布于旷野和城郊，周边城乡结合、周界距离漫长、地形复杂，如果发生挖掘等破坏行动、发生管线油气泄漏等危险事件，管理机构无法实时知晓，及时采取措施，这样就给油气管道运营带来了潜在的安全隐患。为满足实时安全报警，及时发现管线油气泄漏等危险事件，提高管道的安全防护能力，需要设置光纤声波和振动探测与人工智能分析系统。利用光纤声波和振动技术，按照管道铺设的地形特点，将传

3、感光缆安装在管道外侧、保温层外，探测油气管线发生泄漏的地点和时间等。及时发现危险，并将危险及时的排除，保障油气管道营运的安全。本系统主要包括：光纤声波和振动入侵探测器AP656-02B、传感光缆（通信光缆）、管道泄漏监测系统软件和一些辅助设备。采用光纤传感技术的油气管道光纤泄漏监测系统，实现对该管道油气泄漏的实时监测和报警，并输出报警信号、时间、地点、事件行为等，联动相关视频监控摄像机，起到安全防护作用，实现油气管道的泄漏监测的数字化管理。每地的泄漏监测系统的信号通过光纤通信，汇聚到总部的总控中心，实现整个地区管网防护的实时泄漏监控。2. 设计标准及规范我方在相应规范和技术规格书进行设计、制造和供货时应执行下列（不限于此）标准和规范的最新版本。当各种标准之间出现偏差时，以要求高者为准。GB16796安全防范报警设备安全要求和实验方法SY/T 4121光纤管道安全预警系统设计及施工规范SY/T 6827油气管道安全预警系统技术规范SY/T 4108输油（气）管道同沟敷设光缆（硅芯管）设计及施工规范YD/T1588.2-2006 光缆线路性能测量方法第二部分：光纤接头损耗 GB/T1890

4、1.1-2002 光纤传感器 第一部分：总规范YD 1024-1999 光纤固定接头保护组件 Q/AK 42 光纤入侵报警系统专业技术要求 GB50395-2007 入侵报警系统工程设计规范 GB/T 10408 入侵探测器 GB10408.1-2000 入侵探测器通用技术条件3. 设计原则l 传感先进性原则系统利用了光纤-OTDR和干涉效应、光时域反射技术，采用基于瑞利技术原理，应用我公司居于国内外先进的光纤声波和振动入侵探测器，选用的核心仪表和传感器技术指标国内最高、性能最稳定。l 机器智能识别原则油气管道尤其是天然气管道亟需提高光纤安全监测系统的智能化程度和实用性，须要通过本系统能智能识别人为、机械、雨水、泄漏等多类事件，从而精准区分泄漏、人为夯砸和机器挖掘等危害事件，有力保障管道的安全运行。l 可靠性原则项目所使用的产品均有权威质量监测机构的监测报告。本系统在国内外多个大型项目都有成功应用，无误报现象，可靠性极高。l 安全性原则系统采用光纤声波和振动入侵探测器这种无电监测方式，特别适合在高危场所使用，系统取得国家CCC认证证书、校准证书和型式检验报告，安全可靠。l 经济性原则优

5、化设计，造价合理，具有较高的性价比；采用光纤作为振动和传输介质，系统具有较低的维护开销。l 实用性原则软件按用户需求进行组态和GIS电子地图，界面友好，操作简单，显示明了，维护方便，同时可根据客户需求进一步开发。l 可扩展性原则系统提供多种外接信号接口，具备开放式扩展的能力。硬件系统具有在统一的技术原则下向后的扩展兼容。软件系统具有独立性，能依靠操作系统和数据库系统的技术发展而进行持续升级。4. 系统原理4.1. 油气管道泄漏监测系统技术原理系统利用了光纤-OTDR和干涉效应技术实现对管道泄漏事件进行监测与定位。当光脉冲在光纤中向前传播的同时，由于光纤在拉制过程中形成的微小折射率波动，使得传输光产生了瑞利散射，其中后向散射光会沿光纤返回至发送端，通过对返射光所需时间的光的测量，即可确定光发生散射的位置。当有入侵、泄漏行为时，其所引起的声波和振动将导致入侵位置光纤的折射率等结构参数产生变化，使该处光的相位发生变化。由于脉冲光前后沿的干涉作用，将引起后向瑞利散射光强发生变化。通过探测瑞利散射光强度的变化即可准确探测泄漏或入侵事件的信号。 当埋在地下的通信光缆（探测专用线）附近的土壤等媒介受

6、到声波、喷溅、挖掘等振动时，土壤的声波和振动将传递到通信光缆（探测专用线）上，引起光缆中光纤折射率的波动，光传输到振动点时，光的相位发生改变，从而导致该点的后向瑞利散射光的干涉光斑发生改变。通过监测这种改变即可判断有影响管道安全的事件发生；通过精确计量振动发生的时间，并根据光在光纤中的传播速度，就可以计算出振动（扰动）发生的具体位置。采用人工智能算法，组合-OTDR和干涉两种光纤传感监测方法，利用光纤作为传感器拾取光纤沿线的振动和声波信号,完成基于光学信息的声波和振动信号分析及处理，进行分布式全场景大数据实时训练、类比和分析，分析出信号数据所反映的事件类型，类别可以为泄露事件、人为第三方破坏、机械挖掘等类型。借助于人工智能算法和大数据分析识别的事件类型，识别管道油气泄露事件，提取相应的油气泄漏事件模型报警信息，实现油气管道泄漏监测功能。4.2. 相位-OTDR瑞利相干检测原理在相位敏感-OTDR系统中，光脉冲被发射到探测光纤中，返回的瑞利散射的波形由于不同的散射中心的相干作用被调制成锯齿状。通过分析返回的瑞利波形的变化，就可以监视探测光纤中由于入侵信号带来的折射率变化。相位敏感-OTD

7、R，采用的是窄带激光，因而引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，探测光纤范围的弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。同时采用的是窄带短脉冲激光，相应极大地提高了空间分辨率。如果采用相干的光脉冲做OTDR的探测光源，则返回的瑞利波形将呈现锯齿样，这种锯齿样的波形是由于一个光脉冲内的不同散射中心之间的相干叠加造成的。相位敏感-OTDR利用了锯齿样的波形。在相位敏感OTDR系统中，窄带的短光脉冲被发射到探测光纤中，返回的瑞利散射的波形由于不同的散射中心的相干作用被调制成锯齿状。通过分析这种锯齿状瑞利波形的变化，就可以监视探测光纤中由于外界振动带来的折射率变化。因而相位敏感-OTDR采用的是窄带激光，引入探测光纤的系列光脉冲是相干的光脉冲，弱折射率变化都可以由脉冲之间的相干效应得到加强。同时采用的是短脉冲激光，相应极大地提高了空间分辨率。上图为-OTDR系统入侵示意图。当发生入侵时，入侵位置的光纤会发生应力形变，从而导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发生改变，因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发生改变，通过与未发生入侵检测到的信号进行比较，最终找出光

8、强变化的时间对应入侵的确切位置。4.3. 光纤干涉振动传感原理以光学干涉理论为依据，以非平衡马赫-泽德（MachZehnder）/萨格奈克（Sagnac）的线型干涉结构为基础，应用“光弹效应”的原理，通过采用光纤传感技术、计算机技术、通讯技术和现代信号处理技术等技术手段完成长距离沿线信息的监测、采集、处理和传输，利用现代信号处理技术和信息智能分析技术对各种不同的振动信息进行分析和识别。 光纤振动传感器原理图l 光纤干涉振动入侵探测器信号监测原理当外界有振动信号作用于光纤时，会产生“光弹效应”，引起光纤折射率的变化，进而引起光波相位的变化。待监测的振动信号主要为外界缓变压力信号和声场异常扰动信号，这两种信号实质上都是对光纤产生压力作用。当光纤受到压力作用时，其折射率变化，由折射率变化引起的光波的相位变化。l 光纤干涉振动入侵探测器定位原理光纤振动定位原理图当外界振动信号作用于MZ光纤干涉系统的两个干涉臂时，传感光分别向左右两个方向传输至探测器1和探测器2。监测比较两组干涉光的时间差即可判断振动事件发生的位置。时间差计算图4.4. 智能识别和模态建模，提高行为识别能力。4.4.1. 人工智

9、能算法和大数据分析智能识别多类事件。油气管道尤其是天然气管道亟需提高光纤安全监测系统的智能化程度和实用性，通过本系统的人工智能算法和大数据分析，能智能识别泄漏、人为、机械、雨水等多类事件，从而精准预警泄漏、人为夯砸和机器挖掘等危害事件，探测水文地质灾害，实现管道泄漏、第三方破坏、生产清管和地质环境等多方面的监测功能，有力保障管道的安全运行。采用人工智能算法，组合-OTDR和干涉两种光纤传感监测方法，利用光纤作为传感器拾取光纤沿线的振动和声波信号,完成基于光学信息的声波和振动信号分析及处理，进行分布式全场景大数据实时训练、类比和分析，分析出信号数据所反映的事件类型，类别可以为泄露事件、人为第三方破坏、机械挖掘等类型。借助于人工智能算法和大数据分析识别的事件类型，识别管道油气泄露事件，提取相应的油气泄漏事件模型报警信息，实现油气管道泄漏监测功能。4.4.2. 具有机器智能自学习能力。奥普智信系统的发明既利用了声波和振动信号的时频域信息、图像特征及光学特征，又采用了信号的能量梯度特征和方向特征。奥普智信通过使用基于SVM、BP神经网络等学习方法，极大地提高趋势判断和行为识别等技术能力。奥普智信系统采用人工智能算法和大数据分析技术，研发成功超长探测距离的分布式光纤人工智能监测分析系统，实现智能算法、模式识别、行为判定、灵敏度、高定位精度等重要技术突破，将普通光纤打造成高智能的物联网传感系统。如系统软件下图，系统采集频率、相位、反射和波长实时信号，屏蔽噪音信号，捕捉有意义的光学图谱，结合捕捉的光学图谱建立相应的光学模态信号曲线，这一光学信号模态曲线与光纤信

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