光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

（國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司，廣東 廣州 510600）

0 引言

光纖通信具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上光纜可與油氣管道“同溝同纜”建設(shè)，很大程度上節(jié)省了光纜線路的鋪設(shè)費(fèi)用，因此，光纖通信已逐步成為當(dāng)前油氣管道通信建設(shè)的主要方式。然而，油氣管道多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，深埋于地下，地震、洪水、泥石流、地質(zhì)沉降等自然因素，以及基建施工、農(nóng)業(yè)耕作等人為因素，都易造成同溝光纜的損壞，進(jìn)而引起通信故障。如何快速、精準(zhǔn)定位光纜故障點(diǎn)，如何建設(shè)與石油行業(yè)相適應(yīng)的精確化、自動(dòng)化、智能化的光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高光纜運(yùn)維效率，降低光纜的維護(hù)成本，是石油行業(yè)在光纖通信領(lǐng)域亟須解決的課題。

以前，油氣管道通信光纜故障一般是通過光傳輸設(shè)備告警、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中斷告警等來發(fā)現(xiàn)的，這些告警中包含了許多非光纜因素，不能完全確定是光纜故障，而且故障點(diǎn)位置難以排查。有人提出了通過實(shí)時(shí)測(cè)量到故障點(diǎn)光纜長(zhǎng)度、光功率等數(shù)據(jù)來告知故障點(diǎn)位置。但因光纜不完全是直線路徑布線的，通過光纜長(zhǎng)度和光功率數(shù)據(jù)的測(cè)量來確定故障點(diǎn)的實(shí)際地理位置，存在較大誤差，給維護(hù)人員的搶修帶來困難，搶修成本高，搶修效率低。后來又有人提出了在光纜上安裝光纜數(shù)據(jù)采集裝置例如OPM（光功率計(jì)）、OTDR（光時(shí)域反射儀）設(shè)備等，通過這些裝置來采集光纜運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，預(yù)判可能出現(xiàn)的故障，快速定位已出現(xiàn)的故障[1]。但這種方式不適用于已鋪設(shè)光纜線路的監(jiān)測(cè)。

本文提出了一種基于DAS（Distributed fiber Acoustic Sensing，分布式光纖聲波傳感）技術(shù)的新型光纜巡線分析及在線監(jiān)測(cè)方案。該方案結(jié)合GIS 系統(tǒng)、NFC 標(biāo)簽、在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜傳輸管線的精確化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)快速處理油氣管道光纜的故障，保障光纖通信的安全運(yùn)行。

1 光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

1.1 DAS技術(shù)優(yōu)勢(shì)、原理

DAS 是一種利用光纖后向瑞利散射干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)連續(xù)分布式探測(cè)的新型傳感技術(shù)，它不僅具有普通光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如抗電磁干擾、隱蔽性好、耐腐蝕、絕緣等，而且可以實(shí)現(xiàn)光纖沿線動(dòng)態(tài)應(yīng)變（振動(dòng)、聲波）的長(zhǎng)距離、分布式、實(shí)時(shí)定量檢測(cè)，在重要場(chǎng)所和重大基礎(chǔ)設(shè)施的安防監(jiān)測(cè)、大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)、油氣資源勘探等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

DAS 相比普通OTDR 區(qū)別主要在于光源，DAS 技術(shù)采用了窄線寬激光器作為光源，使得疊加的各散射中心的散射光相互干涉，形成抖動(dòng)的背向散射光曲線。這一差異使DAS 對(duì)聲音振動(dòng)靈敏度極高，外界輕微擾動(dòng)會(huì)影響疊加的各散射光直接的相位差，從而導(dǎo)致出射的散射光曲線發(fā)生變化。

基于分布式光纖聲波傳感技術(shù)基本原理如圖1 所示：

圖1 DAS技術(shù)原理圖

其基本結(jié)構(gòu)與OTDR 相似，窄線寬激光器、脈沖調(diào)制器、光放大器、環(huán)形器、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，但DAS 還多了一組耦合器和聲光移頻器。

光信號(hào)感應(yīng)的變化由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)分析處理，使用高靈敏度光探測(cè)器檢測(cè)背向散射光，適配其光強(qiáng)后通過光電轉(zhuǎn)換器變換為模擬電信號(hào)，再由200 MHz 高速A/D（模擬/ 數(shù)字）采樣和轉(zhuǎn)換電路完成信號(hào)數(shù)字化，交由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)由RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理器和FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）完成對(duì)擾動(dòng)事件的高靈敏解析和精準(zhǔn)距離的計(jì)算[3]。

基于DAS 的高靈敏度振動(dòng)傳感系統(tǒng)稱之為“光纜巡線分析儀”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線便捷精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.2 光纜巡線分析儀系統(tǒng)應(yīng)用

運(yùn)用光纜巡線分析儀，使用榔頭和洋鎬等工具敲擊管井蓋或油樁即可測(cè)量到光纜路由，分析途徑承載設(shè)施的光纜到機(jī)房的光路距離，便捷完成光纜定位和路由繪制，為光纜監(jiān)測(cè)提供精準(zhǔn)路由數(shù)據(jù)。

光纜巡線分析儀系統(tǒng)由光纜巡線分析儀、云平臺(tái)、振動(dòng)敲擊器和移動(dòng)終端組成，結(jié)合云計(jì)算、邊緣計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光纜資源點(diǎn)定位的功能。

系統(tǒng)原理如圖2 所示。

光纜巡線分析儀：發(fā)送窄線寬激光信號(hào)進(jìn)入被測(cè)光纜，光纖由于受到外界振動(dòng)而產(chǎn)生背向光相位擾動(dòng)，通過邊緣計(jì)算，計(jì)算出擾動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)在光纖沿途的分布以及對(duì)振動(dòng)事件的判斷及其振動(dòng)位置的距離，接收距離長(zhǎng)達(dá)40 km；結(jié)合嵌入式軟件驅(qū)動(dòng)內(nèi)置的模組依托MQTT協(xié)議完成與云端的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

圖2 光纜巡線分析儀系統(tǒng)

云平臺(tái)：部署在IDC 機(jī)房，安裝光纜路由普查軟件系統(tǒng)，具備北向?qū)蝇F(xiàn)有光纜資源管理平臺(tái)接口，南向?qū)庸饫|巡線分析儀設(shè)備和移動(dòng)終端，完成數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)計(jì)分析。

振動(dòng)敲擊器：振動(dòng)敲擊工具可選擇榔頭或洋鎬等，通過敲擊光纜承載設(shè)施來完成對(duì)光纜的擾動(dòng)。

移動(dòng)終端：安裝巡線分析APP，通過網(wǎng)絡(luò)接入云平臺(tái)，連接光纜巡線分析儀，是遠(yuǎn)程操控光纜巡線分析儀的入口，可以進(jìn)行儀器設(shè)備的端口測(cè)試、光源開關(guān)、脈寬、工作通道、敲擊響應(yīng)算法參數(shù)等參量設(shè)置，振動(dòng)敲擊器敲擊的同時(shí)，操作人員可通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接收分析儀判斷出的光纜路由和距離信息。

1.3 光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

在機(jī)房部署光纜巡線分析儀系統(tǒng)，普查人員通過敲擊里程油樁、電子樁、標(biāo)石等資源點(diǎn)，對(duì)管道、地埋光纜路由、距離等傳輸基礎(chǔ)資源信息進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。結(jié)合GIS 系統(tǒng)以及NFC標(biāo)簽對(duì)油樁等資源點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。光纜承載設(shè)施基礎(chǔ)資源信息采集完成后，通過傳輸資源數(shù)字化管理平臺(tái)對(duì)資源點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[4]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示：

圖3 光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)引入NFC 和光纜巡線分析儀等IOT 技術(shù)，精準(zhǔn)錄入資源信息，嵌入到網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)管理和支撐工作中，有利于形成一套有效的光纜管理系統(tǒng)。

1.4 光纜在線監(jiān)測(cè)組網(wǎng)

光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纜巡線分析儀、數(shù)據(jù)網(wǎng)、服務(wù)器及客戶端四部分構(gòu)成。光纜巡線分析儀完成在線采集光纜原始數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)網(wǎng)主要功能為GIS 數(shù)據(jù)、光纜數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、故障告警數(shù)據(jù)等的轉(zhuǎn)發(fā)；服務(wù)器端主要功能為各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算及分析并響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求等；客戶端主要功能是用戶交互界面，包括光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形、故障報(bào)警、報(bào)表、資源維護(hù)管理等。在線監(jiān)測(cè)組網(wǎng)見圖4：

圖4 光纜在線監(jiān)測(cè)組網(wǎng)圖

光纜在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)能調(diào)用前述光纜巡線分析儀系統(tǒng)的光纜資源數(shù)據(jù)，接收監(jiān)控客戶端的監(jiān)控指令和分發(fā)測(cè)試、告警等消息，為連接到服務(wù)器的多個(gè)客戶端提供測(cè)試控制、故障處理、電子地圖、光纜拓?fù)洹?bào)表輸出等操作功能[5]。其具體功能設(shè)計(jì)如下：

（1）光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

根據(jù)油氣管道光纜管理要求，建立油氣管道光纜資源數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)信息包括油氣管道光纜長(zhǎng)度、接頭盒位置坐標(biāo)、在用纖芯、中繼段距離、故障報(bào)告等內(nèi)容，通過大數(shù)據(jù)整合光纜資源信息，為光纜監(jiān)測(cè)提供大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

針對(duì)光纜監(jiān)測(cè)需求建立相應(yīng)的光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)制作與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳與下載等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

（2）在線故障預(yù)警

系統(tǒng)收到告警，能夠啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)告警光纖進(jìn)行測(cè)試，收到監(jiān)測(cè)故障曲線數(shù)據(jù)文件后，快速完成故障分析報(bào)告，判明故障點(diǎn)的位置、故障點(diǎn)前后資源點(diǎn)位置，在電子地圖上顯示故障位置及相應(yīng)標(biāo)識(shí)人井地理信息，發(fā)出故障通知單，同時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)間和受理回應(yīng)的時(shí)間。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)分析功能，包括：光纖曲線數(shù)據(jù)的對(duì)比分析、全程傳輸損耗、全程光學(xué)長(zhǎng)度、接頭損耗、兩接頭點(diǎn)之間的光纖衰減系數(shù)、光連接器位置、光纖接頭盒和光纖斷點(diǎn)位置，能夠根據(jù)某一光纖一段時(shí)間內(nèi)的曲線分析其接頭和光纖損耗的時(shí)間變化特性。

（3）光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析

在光纜發(fā)生故障時(shí)，以不超過60 s 的時(shí)間內(nèi)精確定位故障點(diǎn)位置，向終端和客戶端發(fā)出報(bào)警任務(wù)。掌握光纜特性變化、預(yù)防光纜故障，對(duì)光纖特性長(zhǎng)期、定時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)、分析，發(fā)現(xiàn)光纜的纜、段、纖、接頭的衰耗劣化趨勢(shì)，捕捉光纜故障的征兆。

2 試點(diǎn)應(yīng)用

2.1 東莞站試點(diǎn)

為了驗(yàn)證光纜巡線儀的效果，試點(diǎn)測(cè)試選取了東莞寮步油庫(kù)機(jī)房至坪山機(jī)房光纜段進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)沿路的加密樁、里程樁進(jìn)行電子標(biāo)簽改造，具體測(cè)試流程如圖5 所示，振動(dòng)分析窗口中出現(xiàn)紅色波形跳起即代表有效敲擊，具體如圖6 所示。

圖5 測(cè)試流程

圖6 手機(jī)查看敲擊反饋

利用OTDR 測(cè)量出光衰點(diǎn)的位置，通過對(duì)光衰點(diǎn)附近的敲擊完成對(duì)距離測(cè)試的驗(yàn)證，具體見圖7、圖8。結(jié)合NFC 標(biāo)簽完成對(duì)資源點(diǎn)的標(biāo)定，具體效果見圖9。

圖7 OTDR測(cè)量光衰點(diǎn)距離

圖8 現(xiàn)場(chǎng)敲擊光衰點(diǎn)距離

圖9 部分資源點(diǎn)改造圖

2.2 在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

在線OTDR 監(jiān)控平臺(tái)對(duì)OTDR 設(shè)備進(jìn)行管理和控制，能在線監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、告警分析功能。具體效果見圖10、圖11。

圖10 在線監(jiān)測(cè)曲線

圖11 告警信息管理

3 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)解決方案，本方案在利用光纜巡線分析儀與NFC 標(biāo)簽對(duì)油樁等資源點(diǎn)進(jìn)行信息化、數(shù)字化改造，便捷準(zhǔn)確地將光纜長(zhǎng)度、經(jīng)緯度信息采集至平臺(tái)中，并對(duì)光纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)防，解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)方案由于光纜的割接、遷改等原因造成故障距離無法準(zhǔn)確定位的問題，大幅提高了搶修人員的搶修效率，減少人工測(cè)試工作量，減少油氣管道光纜中斷事故對(duì)生產(chǎn)的影響，保障了油氣管網(wǎng)的安全運(yùn)行[6-7]。

本在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在改進(jìn)空間，后續(xù)需要增加故障信息發(fā)送至維護(hù)人員手機(jī)的功能，使得維護(hù)人員能夠第一時(shí)間獲取光纜故障信息，明確故障點(diǎn)位置，進(jìn)一步提高保障光纜、管網(wǎng)的運(yùn)行安全能力。