光纖通信技術(shù)在能源輸送管道工程中的應(yīng)用

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 馬 雯

通信系統(tǒng)作為能源輸送管道工程的重要組成部分，承擔(dān)著管道生產(chǎn)運(yùn)行SCADA數(shù)據(jù)以及各類(lèi)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹厝?，是保障管道安全運(yùn)行的重要因素。同時(shí)，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代以及工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字化、智能化管道建設(shè)將進(jìn)入快速發(fā)展期，而通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化乃至智能化管道的重要基礎(chǔ)支撐。

上海現(xiàn)有的某成品油管道，由于輸送量已不能滿(mǎn)足城市快速發(fā)展帶來(lái)的日趨增長(zhǎng)的市場(chǎng)供應(yīng)，將在原管道起點(diǎn)和終點(diǎn)之間新建一條大輸量的成品油管道。本文將以此工程為研究對(duì)象，深入調(diào)研分析原有管道通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及實(shí)際應(yīng)用需求，充分運(yùn)用先進(jìn)的信息通信技術(shù)來(lái)為管道的健康、安全和穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 原有管道通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

上海某成品油原有管道由首站、末站和53 km成品油管道構(gòu)成。通信業(yè)務(wù)主要有SCADA數(shù)據(jù)、工業(yè)電視監(jiān)控、辦公網(wǎng)絡(luò)、話(huà)音通信等數(shù)據(jù)，采用租用公網(wǎng)通信作為各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

1.1 SCADA數(shù)據(jù)

在首站和末站之間租用1條中國(guó)電信2 Mbps帶寬的公網(wǎng)數(shù)字電路作為SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饔猛ㄐ欧绞?，租用?條中國(guó)移動(dòng)2 Mbps帶寬的公網(wǎng)數(shù)字電路作為 SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆猛ㄐ欧绞?，目前使用情況良好，能夠滿(mǎn)足SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.2 工業(yè)電視監(jiān)控圖像

工業(yè)電視監(jiān)控由首、末站攝像機(jī)站內(nèi)本地監(jiān)控和管道沿線(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域攝像機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控兩部分組成。管道沿線(xiàn)視頻監(jiān)控圖像采用租用公網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信傳輸至末站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以滿(mǎn)足管道完整性管理要求。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于高清視頻監(jiān)控圖像對(duì)通信帶寬要求較高，采用公網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信方式存在信號(hào)不穩(wěn)定、傳輸速率慢、無(wú)線(xiàn)通信模塊故障率高、數(shù)據(jù)傳輸流量費(fèi)用高等問(wèn)題。

1.3 其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

辦公網(wǎng)絡(luò)、話(huà)音通信等其他業(yè)務(wù)通信均通過(guò)租用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)，目前使用情況較好，能夠滿(mǎn)足各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信要求。

2 新管道通信業(yè)務(wù)需求

新建成品油管道有2座工藝站場(chǎng)（首站和末站）、3座線(xiàn)路截?cái)嚅y室（1#～3#閥室）以及61 km成品油管道（約11 km架空敷設(shè)管道和50 km埋地敷設(shè)管道），并由位于末站的調(diào)控中心對(duì)首站和3座閥室進(jìn)行集中調(diào)控。根據(jù)新管道實(shí)際情況，數(shù)據(jù)通信需求由原管道首、末站之間兩點(diǎn)傳輸，增加為末站與首站和3座閥室之間多節(jié)點(diǎn)、多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。信息通信需求除傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、管道沿線(xiàn)高后果區(qū)視頻監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳外，還增加了管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警等智能化管道新技術(shù)應(yīng)用需求。

各通信業(yè)務(wù)流向和特點(diǎn)總結(jié)分析如下：

（1） SCADA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：是生產(chǎn)運(yùn)行控制類(lèi)業(yè)務(wù)。0#、－10#柴油、92#、95#汽油多品種成品油順序輸送管道對(duì)SCADA數(shù)據(jù)通信要求更高，是管道通信業(yè)務(wù)中的重中之重。該管道要求傳輸時(shí)延小、實(shí)時(shí)性高、誤碼率低、可靠性高，并具有流量小的特點(diǎn)。站場(chǎng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率不低于128 kbps，閥室通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率不低于19.2 kbps。

（2） 話(huà)音通信業(yè)務(wù)（調(diào)度電話(huà)、行政電話(huà)）：是非控制生產(chǎn)類(lèi)業(yè)務(wù)，屬于準(zhǔn)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。要求可靠性高，具有流量小、傳輸頻度低于SCADA數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，是日常生產(chǎn)不可或缺的業(yè)務(wù)，是保障生產(chǎn)調(diào)度正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本手段。

（3） 工業(yè)電視監(jiān)控、自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警等業(yè)務(wù)：首站、各閥室以及管道沿線(xiàn)高后果區(qū)設(shè)置的 24個(gè)攝像機(jī)至末站之間的工業(yè)電視監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)傳輸，具有流量大的特點(diǎn)。每路高清視頻圖像數(shù)據(jù)帶寬不低于2.4 Mbps（采用H.265編碼）。

（4） 管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)：運(yùn)用傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)第三方破壞事件并進(jìn)行事前預(yù)警和定位。報(bào)警信息數(shù)據(jù)傳輸帶寬不低于128 kbps。

綜上所述，新管道通信業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)傳輸節(jié)點(diǎn)增多、業(yè)務(wù)種類(lèi)豐富、通信質(zhì)量、安全、帶寬和實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，需解決管道沿線(xiàn)工業(yè)電視監(jiān)控圖像傳輸穩(wěn)定性較差以及數(shù)據(jù)流量費(fèi)用較高的問(wèn)題，保障高清視頻監(jiān)控圖像穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的傳輸至末站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，鑒于管道輸送介質(zhì)具有易燃易爆的屬性，需探索采用有效技術(shù)手段來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道安全，對(duì)人為破壞和機(jī)械挖掘等可能引發(fā)管道損傷的安全威脅事件進(jìn)行預(yù)警和定位。

3 光纖通信技術(shù)方案

經(jīng)研究分析，運(yùn)用光纖通信技術(shù)可同時(shí)滿(mǎn)足上述幾方面信息通信需求，采用與管道同溝敷設(shè)通信光纜組建SDH光通信系統(tǒng)作為SCADA數(shù)據(jù)和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的主用通信系統(tǒng)，同時(shí)租用公網(wǎng)MSTP數(shù)字電路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)作為SCADA數(shù)據(jù)備用通信，當(dāng)主用通信鏈路中斷或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議自動(dòng)切換為備用通信系統(tǒng)，主備聯(lián)合形成成環(huán)保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)更為安全、穩(wěn)定、可靠、高速的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；利用同溝敷設(shè)的光纜為管道沿線(xiàn)視頻監(jiān)控提供穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的實(shí)時(shí)高清影像傳輸；運(yùn)用光纖傳感技術(shù)，將與管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為分布式光纖傳感器，對(duì)管道周邊土壤振動(dòng)情況進(jìn)行長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)管道安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和定位。

3.1 SDH光通信組網(wǎng)方案

管道全線(xiàn)采用基于MSTP的SDH同步光傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)，配置具有多種業(yè)務(wù)接口的設(shè)備，可以方便地傳輸數(shù)據(jù)、話(huà)音和圖像。由于本成品油管道相對(duì)獨(dú)立，未有其他管道及光纜與之互聯(lián)，因此采用線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，并采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或鏈路的1+1和1:1線(xiàn)路保護(hù)倒換。在建設(shè)管道的同時(shí)與管道同溝敷設(shè)1條光纜，并在管道工程站場(chǎng)和閥室各設(shè)置 1套 SDH光通信設(shè)備，其中，首站和末站采用傳輸速率等級(jí)為 STM-16的光通信設(shè)備作為數(shù)據(jù)匯聚主干層節(jié)點(diǎn)，主干層節(jié)點(diǎn)共占用光纜中的 4芯光纖采用1+1MSP線(xiàn)性復(fù)用段保護(hù)方式組網(wǎng)；3座閥室采用傳輸速率等級(jí)為 STM-1的光通信設(shè)備作為接入層節(jié)點(diǎn)，采用線(xiàn)性0+1MSP方式，向首、末站匯聚實(shí)現(xiàn)雙方向通道保護(hù)；同時(shí)，為進(jìn)一步加強(qiáng)光通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，對(duì)設(shè)備的主要單板采用主、備板保護(hù)工作方式，在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)使用雙路由器互為備份保護(hù)方式，以避免故障單點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)采用故障隔離和故障排除后自動(dòng)恢復(fù)，以及允許設(shè)備單板帶電插拔誤操作容錯(cuò)設(shè)計(jì)等多種措施，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性；在末站（調(diào)度中心）設(shè)置時(shí)鐘和網(wǎng)管系統(tǒng)，統(tǒng)一管理全線(xiàn)光通信設(shè)備。此種組網(wǎng)方式數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、時(shí)延低。由于 SDH系統(tǒng)采用的是分插復(fù)用技術(shù)，所以不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可輕松實(shí)現(xiàn)隔離。光通信組網(wǎng)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。

圖1 光通信組網(wǎng)系統(tǒng)

3.2 沿線(xiàn)視頻監(jiān)控圖像光纖傳輸方案

根據(jù)管道完整性及智能化管道管理要求，在人口居住密集高后果區(qū)、河道兩岸及重點(diǎn)區(qū)域共安裝24臺(tái)前端監(jiān)控高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行音視頻采集，音視頻在相鄰站場(chǎng)或閥室存儲(chǔ)，并上傳至末站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。由于攝像機(jī)位于管道沿線(xiàn)，且視頻高清畫(huà)面對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要求較高，相應(yīng)的租用網(wǎng)絡(luò)帶寬費(fèi)用也較高，因此，通過(guò)與管道同溝敷設(shè)的光纜進(jìn)行圖像傳輸，效果最佳且經(jīng)濟(jì)適用。攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)通過(guò)帶光口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)4芯鎧裝光纜接入管道干線(xiàn)通信光纜，并通過(guò)就近閥室的 SDH光通信設(shè)備傳輸至末站工業(yè)電視監(jiān)控管理系統(tǒng)，利用與管道同溝敷設(shè)的 24芯光纜中空余的2芯光纖作為工業(yè)電視傳輸通道。沿線(xiàn)視頻監(jiān)控圖像光纖傳輸示意見(jiàn)圖2。

圖2 沿線(xiàn)視頻監(jiān)控圖像光纖傳輸示意

3.3 分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)管道安全預(yù)警

該成品油管道沿途穿越了上海市四個(gè)轄區(qū)，存在相對(duì)頻繁的人員活動(dòng)及第三方施工作業(yè)，易對(duì)管道安全形成潛在威脅，并且當(dāng)管道受到第三方等破壞后可能引起管道缺陷甚至失效，造成泄漏、燃爆等不利后果，會(huì)給該區(qū)域內(nèi)人員及環(huán)境帶來(lái)極大安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述環(huán)境特點(diǎn)，研究運(yùn)用傳感技術(shù)通過(guò)傳感器進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)感知挖掘事件并進(jìn)行報(bào)警。光纖傳感技術(shù)在抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫及長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)抗信號(hào)衰減方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，同時(shí)具備物理量探測(cè)及監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸能力，且光纖傳感器無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)供電，非常適合野外長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。

本工程可利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜中的2芯光纖作為探測(cè)傳感器，采用基于瑞利散射的相干光時(shí)域反射 OTDR傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)信息測(cè)量傳感，并對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行分析、定位、識(shí)別和預(yù)警。對(duì)于復(fù)雜的城市環(huán)境，采用外差解調(diào)的方式對(duì)光纜外部的擾動(dòng)進(jìn)行獲取與識(shí)別，通過(guò)時(shí)域差分、閾值對(duì)比來(lái)識(shí)別是威脅事件還是車(chē)輛經(jīng)過(guò)等造成的擾動(dòng)，并識(shí)別威脅事件的類(lèi)型，如人工挖掘、機(jī)械挖掘等，從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提前預(yù)防和及時(shí)處置的角度，為避免管道破壞事件的發(fā)生贏(yíng)得時(shí)間，提升管道抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

光纖振動(dòng)管道安全預(yù)警系統(tǒng)由預(yù)警單元、處理單元、沿線(xiàn)光纜和預(yù)警管理終端等組成。預(yù)警單元對(duì)管道沿線(xiàn)周?chē)h(huán)境壓力、振動(dòng)等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)，并將收集到的信息傳輸給處理單元；處理單元對(duì)來(lái)自預(yù)警單元的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析和處理；沿線(xiàn)光纜不僅提供探測(cè)光纖，同時(shí)還是通信傳輸鏈路；預(yù)警管理終端主要是接收、處理和顯示預(yù)警單元上傳的數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。目前主流的光纖預(yù)警系統(tǒng)單臺(tái)預(yù)警主機(jī)單通道監(jiān)測(cè)距離可達(dá)50 km左右，根據(jù)管線(xiàn)和站場(chǎng)/閥室分布情況，本工程以 1#閥室為界把全線(xiàn)分為23.65 km和37.35 km，在1#閥室設(shè)置光纖預(yù)警系統(tǒng)的處理主機(jī)和預(yù)警主機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)上、下游全線(xiàn)共61.00 km管線(xiàn)，同時(shí)，在末站設(shè)置1套光纖預(yù)警綜合管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)對(duì)光纖預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行集中操作管理。光纖預(yù)警系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 光纖預(yù)警系統(tǒng)

3.4 光纜敷設(shè)

通信光纜線(xiàn)路采用與成品油管道伴行敷設(shè)。管道管架敷設(shè)時(shí)，光纜也采用管架敷設(shè)方式，可靠固定在橋架內(nèi)，隨成品油管道一起沿管廊敷設(shè)；管道埋地敷設(shè)時(shí)，光纜采用與成品油管道同溝敷設(shè)管道光纜的方式，即與管道同溝敷設(shè)1根硅芯管，同期吹入 1根層絞式管道光纜。光纜（硅芯管）與輸油管道底部平齊并與管壁垂直間距不小于300 mm，敷設(shè)深度應(yīng)滿(mǎn)足距離自然地面不小于1.2 m的要求。光纜（硅芯管）的施工應(yīng)與輸油管道施工協(xié)同進(jìn)行，并應(yīng)做好相互間的工序銜接。施工流程如圖4所示。

圖4 光纜線(xiàn)路施工流程

本工程光傳輸線(xiàn)路采用24芯G.652D光纖的層絞式管道光纜，型號(hào)為GYTA 24B1.3d。首站和末站作為骨干層節(jié)點(diǎn)，占用24芯光纜中的4芯光纖，3座閥室作為接入層節(jié)點(diǎn)占用光纜中的2芯光纖，光纖預(yù)警系統(tǒng)占用2芯光纖（1用1備），沿線(xiàn)工業(yè)電視監(jiān)控圖像傳輸占用2芯光纖，預(yù)留14芯光纖作為備用光纖，用于未來(lái)業(yè)務(wù)拓展及光纖損壞替換。

4 結(jié)語(yǔ)

自建光纖通信具有傳輸速率快、傳輸容量大、抗干擾能力強(qiáng)、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，采用與管道同溝敷設(shè)的方案進(jìn)行通信光纜線(xiàn)路敷設(shè)，很大程度上降低了光纜線(xiàn)路敷設(shè)較高的施工成本。同時(shí)，由于光纜纖芯是理想的通信資源，可為管道沿線(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及未來(lái)智能化管道各種傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸提供穩(wěn)定可靠的通信信道，并且無(wú)需逐年支付租用公網(wǎng)費(fèi)用以及較高的無(wú)線(xiàn)通信流量費(fèi)，相較于施工費(fèi)用來(lái)說(shuō)，24芯光纜與12芯光纜材料價(jià)差對(duì)總投資影響很小，因此建議多預(yù)留一些空余纖芯資源用于今后業(yè)務(wù)拓展或作為備用。

數(shù)據(jù)通信是能源輸送管道安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要要素及實(shí)現(xiàn)智能化管道的重要基礎(chǔ)支撐。本工程充分運(yùn)用光纖通信技術(shù)，優(yōu)化了某成品油管道工程各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信方案以及管道沿線(xiàn)視頻監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳方案，同時(shí)解決了該成品油管道預(yù)防第三方開(kāi)挖破壞安全監(jiān)測(cè)預(yù)警的問(wèn)題。因此，其方案可推廣應(yīng)用至其他新建石油及天然氣等能源輸送管道工程。

Application of Optical Fiber Communication Technology in Energy Transmission Pipeline Project

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co.,Ltd. MA Wen

Abstract:As an important part of energy transmission pipeline project,communication system undertakes the important transmission task of SCADA data in pipeline production and operation as well as various production management business data,which is an important factor to ensure the safe operation of pipeline. Taking a product oil pipeline as an example,this paper investigates and summarizes the current situation,usage and new requirements of the original pipeline communication system,sorts out and analyzes the communication business requirements,and combined with the problems to be optimized and solved and the new requirements of intelligent pipeline development,fully uses the optical fiber communication technology to optimize the data communication scheme of various business of pipeline engineering,It solves the problems of real-time remote communication of video monitoring image along the line and pipeline safety monitoring’s early warning. The outcome can be applied to other new energy transmission pipeline projects.

Keywords:optical fiber communication technology,optical cable laying in the same ditch,optical fiber sensing technology,video monitoring image transmission,multi service data transmission