基于DAS技術(shù)的天水市城區(qū)供水管道安全監(jiān)測(cè)概述

【摘 要】水利供水工程中的管道一般距離較長(zhǎng)、供水區(qū)域廣，一旦向城區(qū)供水的管道發(fā)生爆管或外力破壞等事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成重大的社會(huì)影響。鑒于傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)無法對(duì)故障（振動(dòng)）點(diǎn)振動(dòng)類型的判別，本文結(jié)合天水市城區(qū)引洮供水工程中供水管道安全監(jiān)測(cè)的需要，開發(fā)了基于分布式聲波傳感技術(shù)的長(zhǎng)距離輸水管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能及時(shí)掌握供水管道的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)給運(yùn)行管理部門提供管道運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障定位和振動(dòng)類型判別，提高了安全監(jiān)測(cè)的效率。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感；類型識(shí)別；安全監(jiān)測(cè)；供水管道

1 引言

天水市城區(qū)引洮供水工程穿越通渭縣、武山縣、甘谷縣、秦州區(qū)四個(gè)縣區(qū)，供水區(qū)域廣。管道設(shè)計(jì)流量2.1 m3/s，供水線路總長(zhǎng)度92.401km，其中供水管道總長(zhǎng)68.932km，管徑1200到1400mm。該供水管道空間跨度較大，沿途地形地貌條件復(fù)雜多樣，管道需要穿越溝壑、道路、農(nóng)田等各類野外地質(zhì)區(qū)域，大大增加了管道監(jiān)控的難度，同時(shí)供水管道沿線一些施工及采掘作業(yè)等往往會(huì)直接對(duì)管道造成破壞，導(dǎo)致管道爆裂，停水影響范圍廣，因此天水市城區(qū)引洮供水工程供水管道的安全監(jiān)測(cè)問題成為目前亟待解決的難題。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)的手段主要是傳統(tǒng)的電測(cè)式傳感器[1]，其監(jiān)測(cè)原理是將泄漏電纜埋入監(jiān)測(cè)區(qū)域地下，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布，如果第三方破壞事件發(fā)生，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)的分布發(fā)生變化，通過接收電纜的電磁能量隨之變化，從而給出報(bào)警。該監(jiān)測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，定位精度通過設(shè)置工作點(diǎn)上側(cè)漏電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)定，但供水管道的長(zhǎng)度一般都是幾十公里以上，實(shí)際運(yùn)行中并非所有經(jīng)過監(jiān)測(cè)區(qū)域的第三方事件都是破壞性事件，如果要完成整條管道的監(jiān)測(cè)，需要大量的傳感器布點(diǎn)連線才能完成數(shù)據(jù)采集，不僅布點(diǎn)施工復(fù)雜、后期維護(hù)工作量大，而且由于傳感器的離散型布點(diǎn)無法全面反映管道運(yùn)行情況。另外，電測(cè)法監(jiān)測(cè)方法無法根據(jù)電磁場(chǎng)變化情況判斷事件的類型，系統(tǒng)告警閾值難于確定，從而上傳誤告警。

近年來興起的光纖傳感器具有抗電磁干擾、抗腐蝕、防水和耐久性長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別是分布式傳感光纖[2-4]，其沿供水管道同溝布置可以實(shí)現(xiàn)全管道的連續(xù)性監(jiān)測(cè)，在長(zhǎng)距離供水管道安全監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐中有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)天水市城區(qū)引洮供水工程中長(zhǎng)距離管道安全監(jiān)測(cè)的需求，本系統(tǒng)將專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于DAS技術(shù)中，不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)具有的故障（振動(dòng)）告警與故障點(diǎn)定位，而且利用設(shè)計(jì)的算法實(shí)現(xiàn)故障（振動(dòng)）點(diǎn)故障類型的判定，實(shí)現(xiàn)破壞類故障（振動(dòng)）的算法篩別，減少正常振動(dòng)引起的誤告警。

2 分布式聲波傳感技術(shù)

光纖開發(fā)的分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensing，簡(jiǎn)稱DAS）技術(shù)[5-7]是基于相干瑞利散射原理的分布式光纖傳感器，利用傳感器對(duì)聲音（振動(dòng)）敏感的特性，當(dāng)外界作用力引起的 振動(dòng)作用于傳感光纖上時(shí)，由于應(yīng)力雙折射效應(yīng)（彈光效應(yīng)），光纖的折射率及長(zhǎng)度將產(chǎn)生微小的變化，從而引起光纖內(nèi)傳輸信號(hào)的相位發(fā)生變化，使得光強(qiáng)變化。由于聲波（振動(dòng)）引起的相位變化很小，因此DAS系統(tǒng)通常采用高相干的脈沖光源，在脈沖寬度區(qū)域內(nèi)瑞利散射信號(hào)之間會(huì)發(fā)生干涉，當(dāng)外界振動(dòng)引起相位發(fā)生變化時(shí)會(huì)使得該點(diǎn)的相干瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度也隨之變化，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)前后的相干瑞利散射光信號(hào)的強(qiáng)度變化，即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件的探測(cè)與振動(dòng)位置的精確定位，而根據(jù)輸出端頻譜分析可以判定引起振動(dòng)的類型。

分布式光纖聲波監(jiān)測(cè)原理如下：當(dāng)聲波振動(dòng)作用于光纖時(shí)，由于彈光效應(yīng)，光纖的折射率和長(zhǎng)度發(fā)生微小變化，導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸光的相位變化，使得光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化。檢測(cè)振動(dòng)前后的瑞利散射光信號(hào)的強(qiáng)度變化，可實(shí)現(xiàn)聲波振動(dòng)的探測(cè)及定位[8]。假設(shè)射入端光纖的光脈沖峰值功率為P（0），光脈沖沿著光纖傳輸?shù)絏處，在輸入端的后向散射功率為PBS，在時(shí)刻t=2x/vg ，對(duì)應(yīng)的后向散射功率PBS（t）為：

稱η為后向散射因子，式（1）～（3）反映的是后向散射功率P與距離x、時(shí)間t的關(guān)系，截面一定時(shí)光的強(qiáng)度和功率成正比，即X處發(fā)生第三方力振動(dòng)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的α發(fā)生變化，如果能測(cè)量出后向散射功率PBS則可對(duì)振動(dòng)的位置x進(jìn)行定位。

輸出端O的光功率為：

（4）

式（4）中α（x）為前向損耗系數(shù)，積分表示X點(diǎn)至末端O的雙程衰減，P（x，t）為X點(diǎn)的損耗向前傳播的光功率P（x）隨時(shí)間的變化，O為光纖長(zhǎng)度。在輸出端通過對(duì)光功率PO（t）的測(cè)量可以獲得損耗變化的頻譜特征，不同振動(dòng)對(duì)應(yīng)不同的頻譜特征，因此可以根據(jù)頻譜特征來判定引起損耗的原因和類型（機(jī)械振動(dòng)或人為破壞等）。

分布式光纖聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于對(duì)物體產(chǎn)生或結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的聲波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，并可針對(duì)聲波振動(dòng)進(jìn)行頻率、相位和振幅的實(shí)時(shí)采集。DAS能夠得到外界聲場(chǎng)包括頻率、相位和振幅的完整信息。當(dāng)管道周圍出現(xiàn)挖掘、打孔、蓄意破壞等外力振動(dòng)行為時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生不同頻率特征的振動(dòng)信號(hào)（如圖1所示）。DAS可監(jiān)測(cè)到管道沿線各個(gè)位置的振動(dòng)信號(hào)，全面覆蓋整個(gè)管道，實(shí)時(shí)顯示整個(gè)光纜的振動(dòng)信號(hào)分布曲線，當(dāng)某處振動(dòng)信號(hào)應(yīng)變異常時(shí)，通過曲線可以顯示該處實(shí)時(shí)信息，獲得振動(dòng)事件的時(shí)間、地點(diǎn)、事件趨勢(shì)等信息，通過對(duì)振動(dòng)波形分析和特征信號(hào)提取，并結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫(kù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法，可確定振動(dòng)事件類型，對(duì)可能威脅管道安全運(yùn)行的動(dòng)土事件等外力入侵事件提前預(yù)警，保障管道運(yùn)行安全。

3 DAS在供水管道安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

3.1 DAS供水管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

天水市城區(qū)供水工程供水線路總長(zhǎng)度92.401km，供水管道的DAS安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感光纖、光纖解調(diào)設(shè)備、后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件及配套設(shè)備構(gòu)成。

（1）傳感光纖

傳感光纖作為振動(dòng)傳感器而且其本身兼作通信光纖，實(shí)現(xiàn)傳感一體。光纖分布式聲波監(jiān)測(cè)DAS可以實(shí)現(xiàn)最大測(cè)量距離為50公里/通道，采用1臺(tái)2通道的DAS設(shè)備，將該設(shè)備放置于供水管道中間位置，每個(gè)通道各監(jiān)測(cè)50公里長(zhǎng)度，傳感光纜沿管道方向并行敷設(shè)，位于管道（直徑1.2m）頂部上方0.2m～0.3m處（見圖2），可實(shí)現(xiàn)全供水管道覆蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）光纖解調(diào)設(shè)備

光纖解調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將管道附近振動(dòng)產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件可以處理與存儲(chǔ)的電信號(hào)，本系統(tǒng)使用的解調(diào)設(shè)備如下：

（3）監(jiān)測(cè)軟件

監(jiān)測(cè)軟件通過對(duì)電信號(hào)的分析處理，實(shí)現(xiàn)供水管道附近振動(dòng)的類型判定與振動(dòng)位置定位，同時(shí)軟件內(nèi)置專門設(shè)計(jì)的故障類型識(shí)別算法（專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），提供振動(dòng)類型識(shí)別與破壞類振動(dòng)的安全告警，提供實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)曲線與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可溯源，見圖3。

3.2 DAS供水管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

供水管道附近出現(xiàn)人工/機(jī)械挖掘、垂直及水平機(jī)械鉆等行為時(shí)，地表受到一個(gè)瞬時(shí)的激勵(lì)，產(chǎn)生地震波向遠(yuǎn)處傳播，振動(dòng)信號(hào)隨傳播到達(dá)管道附近的傳感光纜。為檢測(cè)供水管道安全檢測(cè)系統(tǒng)DAS對(duì)管道附近振動(dòng)類型和位置定位的的有效性，對(duì)建成的DAS檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在距離管道首端65m、距離管道軸線上方2.9m處上方施加不同類型（車輛通過、機(jī)械挖掘振動(dòng)）的持續(xù)振動(dòng)，后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件輸出的光強(qiáng)度分布和監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4：

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果：（1）當(dāng)在管道上方經(jīng)過機(jī)械挖掘作業(yè)時(shí)，監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率輸出管道沿線的振動(dòng)曲線并進(jìn)行定位，軟件定位的振動(dòng)位置為距離管道首端65.5m、距離管道軸線上方2.85m，監(jiān)測(cè)軟件的振動(dòng)類型判別系統(tǒng)（專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）進(jìn)行自動(dòng)篩別，DAS監(jiān)測(cè)軟件持續(xù)報(bào)警，顯示該位置的外力振動(dòng)屬于破壞型振動(dòng)；2）當(dāng)車輛（重型卡車和小型汽車）從管道上方經(jīng)過時(shí)，監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率輸出管道沿線的振動(dòng)曲線并進(jìn)行定位，軟件定位的振動(dòng)位置為距離管道首端65.3m、距離管道軸線上方2.93m，監(jiān)測(cè)軟件的振動(dòng)類型判別系統(tǒng)（專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）進(jìn)行自動(dòng)篩別，但DAS監(jiān)測(cè)軟件并未報(bào)警，顯示該位置的外力振動(dòng)屬于正常振動(dòng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地規(guī)避了正常振動(dòng)引起的誤報(bào)警。

結(jié)合DAS在天水市城區(qū)供水工程供水管道安全監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用，該監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)距離供水管道在線安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1）長(zhǎng)距離分布式測(cè)量：可以實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線任一點(diǎn)上的振動(dòng)等分布信息，覆蓋管道全線范圍，無測(cè)量盲區(qū)，最大實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)距離可達(dá)雙向100km；

2）靈敏度高：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道第三方破壞非常靈敏，可監(jiān)測(cè)管線周圍10米以內(nèi)的機(jī)器挖掘以及5米以內(nèi)的人工挖掘；

3）振動(dòng)判別：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)類型判定系統(tǒng)采用專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以對(duì)振動(dòng)類型自動(dòng)進(jìn)行算法識(shí)別，篩選出有危害性的破壞性振動(dòng)進(jìn)行后臺(tái)告警，從而規(guī)避其他正常振動(dòng)引起的誤告警，較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)DAS管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提高了監(jiān)測(cè)的效率；

4）安全可靠：分布式光纖傳感器DAS采用光信號(hào)測(cè)量傳輸，抗電磁干擾性強(qiáng)，管道現(xiàn)場(chǎng)無需供電， 無需額外的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；

5）使用壽命長(zhǎng)：?jiǎn)文Ｍㄐ殴饫w本身就是傳感器，“傳”“感”合一，并且光纖壽命可達(dá)30年，可以長(zhǎng)年累月的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道安全，后期維護(hù)成本低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前供水工程長(zhǎng)距離供水管道實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探討，針對(duì)傳統(tǒng)管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)無法有效識(shí)別振動(dòng)類型的問題，將專家數(shù)據(jù)庫(kù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于DAS技術(shù)中，設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的故障（振動(dòng)）告警與故障點(diǎn)定位，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障（振動(dòng)）點(diǎn)振動(dòng)類型的判別。通過設(shè)計(jì)的DAS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在天水市城區(qū)供水工程管道安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試可知，本系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離供水管道實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，為供水管道安全穩(wěn)定地發(fā)揮社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益提供技術(shù)保障。

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作者簡(jiǎn)介：李鵬（1980-），男（漢族），甘肅臨洮人，工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)，電氣