（國家石油天然氣管網(wǎng)集團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、保密性好等諸多優(yōu)點，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，進而引起通信故障。如何快速、精準(zhǔn)定位光纜故障點，如何建設(shè)與石油行業(yè)相適應(yīng)的精確化、自動化、智能化的光纜監(jiān)測系統(tǒng)，提高光纜運維效率，降低光纜的維護成本，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，而且故障點位置難以排查。有人提出了通過實時測量到故障點光纜長度、光功率等數(shù)據(jù)來告知故障點位置。但因光纜不完全是直線路徑布線的，通過光纜長度和光功率數(shù)據(jù)的測量來確定故障點的實際地理位置，存在較大誤差，給維護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）、OTDR（光時域反射儀）設(shè)備等，通過這些裝置來采集光纜運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行綜合分析，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。

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)測方案。該方案結(jié)合GIS 系統(tǒng)、NFC 標(biāo)簽、在線監(jiān)測等技術(shù)，能實現(xiàn)對光纜傳輸管線的精確化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、智能化的實時監(jiān)測監(jiān)控，從而實現(xiàn)快速處理油氣管道光纜的故障，保障光纖通信的安全運行。

1 光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

1.1 DAS技術(shù)優(yōu)勢、原理

DAS 是一種利用光纖后向瑞利散射干涉效應(yīng)實現(xiàn)聲波信號連續(xù)分布式探測的新型傳感技術(shù)，它不僅具有普通光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點，如抗電磁干擾、隱蔽性好、耐腐蝕、絕緣等，而且可以實現(xiàn)光纖沿線動態(tài)應(yīng)變（振動、聲波）的長距離、分布式、實時定量檢測，在重要場所和重大基礎(chǔ)設(shè)施的安防監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測、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，形成抖動的背向散射光曲線。這一差異使DAS 對聲音振動靈敏度極高，外界輕微擾動會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器檢測背向散射光，適配其光強后通過光電轉(zhuǎn)換器變換為模擬電信號，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，精簡指令集計算機）處理器和FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）完成對擾動事件的高靈敏解析和精準(zhǔn)距離的計算[3]。

基于DAS 的高靈敏度振動傳感系統(tǒng)稱之為“光纜巡線分析儀”，可以實現(xiàn)對光纖沿線便捷精準(zhǔn)定位和實時狀態(tài)監(jiān)測。

1.2 光纜巡線分析儀系統(tǒng)應(yīng)用

運用光纜巡線分析儀，使用榔頭和洋鎬等工具敲擊管井蓋或油樁即可測量到光纜路由，分析途徑承載設(shè)施的光纜到機房的光路距離，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、振動敲擊器和移動終端組成，結(jié)合云計算、邊緣計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)光纜資源點定位的功能。

系統(tǒng)原理如圖2 所示。

光纜巡線分析儀：發(fā)送窄線寬激光信號進入被測光纜，光纖由于受到外界振動而產(chǎn)生背向光相位擾動，通過邊緣計算，計算出擾動強度參數(shù)在光纖沿途的分布以及對振動事件的判斷及其振動位置的距離，接收距離長達(dá)40 km；結(jié)合嵌入式軟件驅(qū)動內(nèi)置的模組依托MQTT協(xié)議完成與云端的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

圖2 光纜巡線分析儀系統(tǒng)

云平臺：部署在IDC 機房，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接口，南向?qū)庸饫|巡線分析儀設(shè)備和移動終端，完成數(shù)據(jù)收集、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)計分析。

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

移動終端：安裝巡線分析APP，通過網(wǎng)絡(luò)接入云平臺，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，可以進行儀器設(shè)備的端口測試、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，振動敲擊器敲擊的同時，操作人員可通過移動終端實時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)測系統(tǒng)架構(gòu)

在機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，對管道、地埋光纜路由、距離等傳輸基礎(chǔ)資源信息進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)實時上傳至云端服務(wù)器進行存儲。結(jié)合GIS 系統(tǒng)以及NFC標(biāo)簽對油樁等資源點進行標(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)字化管理平臺對資源點進行實時在線監(jiān)測[4]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示：

圖3 光纜在線監(jiān)測系統(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)的運營生產(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)測組網(wǎng)

光纜在線監(jiān)測系統(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)的運算及分析并響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)請求等；客戶端主要功能是用戶交互界面，包括光纜實時監(jiān)測波形、故障報警、報表、資源維護管理等。在線監(jiān)測組網(wǎng)見圖4：

圖4 光纜在線監(jiān)測組網(wǎng)圖

光纜在線監(jiān)測平臺能調(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)測試、告警等消息，為連接到服務(wù)器的多個客戶端提供測試控制、故障處理、電子地圖、光纜拓?fù)洹蟊磔敵龅炔僮鞴δ躘5]。其具體功能設(shè)計如下：

（1）光纜監(jiān)測數(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，數(shù)據(jù)信息包括油氣管道光纜長度、接頭盒位置坐標(biāo)、在用纖芯、中繼段距離、故障報告等內(nèi)容，通過大數(shù)據(jù)整合光纜資源信息，為光纜監(jiān)測提供大數(shù)據(jù)分析平臺。

針對光纜監(jiān)測需求建立相應(yīng)的光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)制作與數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳與下載等，實現(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，能夠啟動監(jiān)測系統(tǒng)對告警光纖進行測試，收到監(jiān)測故障曲線數(shù)據(jù)文件后，快速完成故障分析報告，判明故障點的位置、故障點前后資源點位置，在電子地圖上顯示故障位置及相應(yīng)標(biāo)識人井地理信息，發(fā)出故障通知單，同時記錄故障發(fā)生時間和受理回應(yīng)的時間。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)分析功能，包括：光纖曲線數(shù)據(jù)的對比分析、全程傳輸損耗、全程光學(xué)長度、接頭損耗、兩接頭點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位置，能夠根據(jù)某一光纖一段時間內(nèi)的曲線分析其接頭和光纖損耗的時間變化特性。

（3）光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析

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

2 試點應(yīng)用

2.1 東莞站試點

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

圖5 測試流程

圖6 手機查看敲擊反饋

利用OTDR 測量出光衰點的位置，通過對光衰點附近的敲擊完成對距離測試的驗證，具體見圖7、圖8。結(jié)合NFC 標(biāo)簽完成對資源點的標(biāo)定，具體效果見圖9。

圖7 OTDR測量光衰點距離

圖8 現(xiàn)場敲擊光衰點距離

圖9 部分資源點改造圖

2.2 在線監(jiān)測平臺

在線OTDR 監(jiān)控平臺對OTDR 設(shè)備進行管理和控制，能在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)在線監(jiān)測、告警分析功能。具體效果見圖10、圖11。

圖10 在線監(jiān)測曲線

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)簽對油樁等資源點進行信息化、數(shù)字化改造，便捷準(zhǔn)確地將光纜長度、經(jīng)緯度信息采集至平臺中，并對光纜的運行狀態(tài)進行有效監(jiān)測和預(yù)防，解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測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，減少人工測試工作量，減少油氣管道光纜中斷事故對生產(chǎn)的影響，保障了油氣管網(wǎng)的安全運行[6-7]。

本在線監(jiān)測系統(tǒng)仍存在改進空間，后續(xù)需要增加故障信息發(fā)送至維護人員手機的功能，使得維護人員能夠第一時間獲取光纜故障信息，明確故障點位置，進一步提高保障光纜、管網(wǎng)的運行安全能力。