摘要：地下管道設施經常遭受第三方破壞，各地大規模的開發建設給地下管道帶來巨大安全隱患。目前采取常規的巡檢措施不能做到全路段不間斷實時監控保護，當前可靠、可行的方案是利用光纜作為分布式傳感器組建光纜振動監測預警系統，預警系統可以通過光纜實時過去各處土壤振動情況，分析識別還原現場情況，通過智能學習主動判別并對危險信號發出告警，即使通知監控人員采取應急措施，將危險屏蔽在發生以前。

關鍵詞：地下管道；光纜；振動監測；安全預警

??? 我國經濟正處在快速發展之中，城市化步伐也在逐步加快，全國各地的各種開發建設項目隨處可見。元論何種建設項目只要動土，就會對埋于地下管道的安全造成威脅。各種地下管道遭到第三方破壞的事故時有發生。據統計，由機械施工及自然災害所造成的管道事故占事故總數的70%以上，其中90%以上的重大事故是因為機械施工造成的，如：水管被挖破，油、氣管道被打穿是經常發生的事情。水管破裂導致居民生產生活受到影響，給各用水企業生產帶來損失。輸油、氣管道破裂會導致大面積泄漏，隨時會造成火災發生，有的甚至引起爆炸，人民生命財產安全將受到嚴重威脅，生態環境遭到巨大破壞，“管道安全問題”早已成為全球矚目的話題。

??? 雖然我國政府和各地下管道權屬企業對地下設施的安全采取了多種保護措施，做出了大量的工作，但地下管線設施的安全還是存在著各種各樣的威脅。如何在地下管線設施遭受破壞之前就可預知危險的到來，并能及時通知應急維護人員，給他們爭取時間，司使他們迅速采取措施，將危險消除在萌芽狀態。這是國內外地下管線運營企業共同關注的課題。目前已.有相關技術得到應用，并很好的解決了地下管線設施的安全預警問題。當前效果較好的技術是利用埋在地下的光纜作為分布式傳感器來偵測光纜周邊一定范圍內土壤振動情況，通過相關數據處理系統分析，從而獲得管道周邊環境是否處于安全狀態。該技術已在國外得到大量的應用。近兩年中石油、中石化也在油、氣長輸管線上利用該技術來保證地下管道的安全。

??? 光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展的一種新的傳感技術。是20世紀70年代中期以來國際上發展最快的高科技應用技術。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。利用光纖作為傳感器可以測量溫度、位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、電流、電壓、磁場等物理量。光纜振動監測預警系統就是通過光纖測量周圍振動頻率及位置來實現對危險源的判別與定位的。監測預警系統分為信號采集與智能分析兩部分。

??? 光纜振動監測系統是同時利用了光纖作為定位傳感器與微應變傳感器兩種功能。光纖在受到外界振動干擾的情況下會產生微應變，微應變會使其內部傳送光信號的頻率相位等發生細微變化，通過激光相干應力分析系統就可計算出振動點的頻率、強度及位置信息。

微應變傳感技術是基于“光的干涉”原理，通常使用兩根單膜光纖來測量微應變，構成用于測量光的干涉波的傳感器(如圖1)。

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??? 激光器向光纖發射連續的激光束，如果光纖沒有受到外界的擾動，如運動、聲波和觸動，或者兩根光纖同步受到相同的干擾，反射回的光不會發生變化；如果光纖受到外界的擾動，反射回光的波形將會發生變化，并產生干涉圖像，光檢測器可檢測到這一波形的變化，而且通過軟件可以分辯出事件的真實情況，經處理后可檢測出干擾強度與位置。相干激光器發射是連續波激光束，光纖傳感器的頻率響應范圍從0Hz～1MHz，通常情況下只需1Hz～100KHz。這項技術可以用來檢測動態應變，響應時間在毫秒級。

???振動源位置計算：

??? L=1/2vt=ct/2n；

??? v=c/n；

??? L——振動點位置到干涉儀右端的距離；

??? t——時延時間；

??? c——真空中的光速；

???n——光纖纖芯折射率。

???為了精確定位，需要將光纖的長度信息準確錄入到軟件中，通過系統修正，定位精度可達±50m之內。

??? 利用光纜震作為分布式傳感器是實現地下管道全線安全的最佳方法。要利用光纜實現對地下管道安全的實時保護，必須保證管道沿線有光纜鋪設。新建管道可以隨管道同溝直埋一根(或兩根)4芯以上光纜專門用做振動監測的分布式傳感器。已埋設的管道如有同溝鋪設的光纜，可以利用光纜中富余光纖(必須有3根)來作為分布式傳感器。對于沒有同溝鋪設光纜的，可以后期重新開挖鋪設。

2.2.1光纜有效監測半徑

??? 受當前儀器設備精度所限，只能分析出光纖橫截面為中心半徑2m內振動聲音信號。即，光纜有效監測半徑只有2m，所以，管道必須完全處在光纜為中心2m包絡線之內，否則將有部分管體受不到有效保護(如圖2)。

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??? 雖然光纜的有效監測半徑受分析設備精度影響只有2m，但保護范圍也不是不能擴大的，可以通過光纜鋪設方式來解決監測保護范圍問題。如在管道上方對稱鋪設2根光纜(見圖3)就可有效解決保護半徑過小問題。根據具體需要也可鋪設多根來擴大保護范圍。將光纜蛇形鋪設在管道上方也是擴大保護范圍的一種策略。蛇形鋪設還可以提高檢測震源位置的精度(見圖4)。

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