Page 43 - 网络电信2020年3月刊下
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如天然气管道发生泄漏，由于焦耳汤姆逊效应，管道周围温度 不同传感方式采用不同的光缆纤芯，由于质量控制的差
快速降低，光缆可感知到这一变化并准确定位。第三方施工开 异，不同纤芯长度略有差异。干线光缆一个中继段的纤芯长度
挖会影响管道周围温度场，造成局部温度突变，光缆可以实现 的累计差异一般在米级，不会对空间位置的判断产生影响。
对第三方开挖的检测和定位。通过监测管道沿线温度可以实现 多光纤传感的位置差异主要在于不同传感方式的定位精度不一
管道输送异常的在线监测，一旦光缆测得某处温度突变，则可 致。对同一事件的分析需要按照空间分辨率进行对齐，与时间
以判断该处发生异常事件。 对齐一样，将最大空间分辨率之内的事件认定为同一事件。
2. 温度的精准测量 2. 多参数耦合分析方法
采用光缆可以测得管道沿线的温度，获得管道的温降规 管道沿线的振动、温度、应变是独立向量，在不同维度感
律。但由于光纤折射率等自身参数差异以及光缆结构的传热差 知管道沿线的信息。同一事件会在不同的特征维度产生不同的
异，光纤测得的温度和环境温度有一定差别。实际测量的温度
图9 光纤传感技术识别管道线路多维事件的向量图
是与参考光纤对比的温度，对于热油管道需要准确知道土壤的
温度特性，实现对管道流动性的精确评价。为了准确获得管道
沿线温度值，可以通过在特定位置的校准实现对全线温度的精
确测量。通过在两个以上位置采用加热或制冷的方式进行主动
改变温度，测量原始温度和变化后的温度。将现场测量的温度
与光纤测得的温度进行比较，以现场测量温度为基准，将全段
的温度曲线进行平移，将相对温度校正为真实温度。校准之后
就可以实现管道沿线真实温度的测量。从而实现对管道沿线环
境温度的测量，用来评估土壤温度场 [19-22] 。
五、管道复杂环境光纤复合感知方案
采用管道沿线敷设的通信光缆进行管道沿线的振动、应
变、温度测量，能够实现对管道最重要的第三方施工、地质灾 事件特征（图9）。例如天然气泄漏后，首先高压气体喷射出
害、泄漏风险的在线监测。振动、应变、温度是3个相互正交的 来，产生振动信号导致光纤振动预警系统报警，随着事件的进
特征向量，对于复杂事件，单纯一个特征参数不能单独实现事 行管道周围的温度下降，温度报警系统开始报警。这时光纤周
件的有效识别，将这3个参量进行交互验证，可以显著提高报警 围的土体冻结应变发生变化，应变监测系统报警。因此，当天
准确率。 然气发生泄漏时，在振动、应变、温度3个维度都能感知到信息
要实现多种光纤传感方式的复合感知，首先必须实现数据 变化。对于第三方开挖，振动发生变化，但是温度变化很慢，
在时间域和空间域的对齐，其次才是事件的分析逻辑。 因此可以将泄漏与第三方开挖区别开来。机械挖掘、堆土等施
1. 数据时间与空间的对齐 工的机械振动首先通过土壤传到光缆，由于土壤压实土体应力
由于各种光纤传感系统采用不同的传感原理对光纤信号进 也会发生变化。
行解调，各采集系统的时钟、采样率、时间分辨率、空间分辨 第三方损坏土体移动会造成应力变化，但是振动不明显，
率均不一致。多种光纤传感方式的数据首先要进行时钟同步， 可以实现土体移动和第三方开挖的区分。
建立统一的时间基准。采用外部时钟源进行时钟同步，或者采
用其中一个采集系统时钟对其他的采集系统进行时钟同步。 六、结论与展望
对于采集频率不一致的问题，可采用各采集系统采样周期 基于不同的光纤散射原理，管道伴行光缆可以感知管道沿
的最小公倍数，作为联合数据分析的最小周期。有3个信号， 线振动、应变、温度的多种参量信息。光缆的振动感知通过主
其周期分别为T1、T2、T3（T1<T2<T3），一般选择更新频率最 动的地表振动激励可以实现光纤长度和地面位置的对应，结合
低信号的周期T3为联合分析周期，每个T3周期进行一次多维数 电子地图能够实现管道沿线第三方活动事件的空间定位。光缆
据的联合分析，如有2个信号出现变化，则启动联合分析（图 的应变感知通过建立数学模型，普通松套管光缆也可以感知土
8）。 体移动和侧向推力。光缆温度感知通过测量温度变化，可以实
现管道沿线温度突变点的感知。
图8 不同周期的信号时空对齐示意图
将振动、应变、温度3种正交参量进行时空对齐之后进行
联合分析，可以进行交互验证，进一步降低单独参量感知的
误报率，提高复杂环境下管道线路状态监测的事件判断的准确
率。下一步需要开展工业现场试验，采集同一事件在不同空间
的数据，采用大数据、人工智能等技术进一步提高事件识别准
确率。最终可以通过伴行光缆实现第三方活动、地质灾害、泄
漏、管输异常等多种管道运行风险的在线监测和识别，为管道
安全运行提供决策支持。
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