基于分布式光纖傳感的地下金屬管道測量與定位分析

黃 瑛，謝 丹，楊立樹，王麗娜

（湖州創(chuàng)新國土測繪規(guī)劃設(shè)計有限公司，浙江 湖州 313000）

由于近幾年地下金屬管道引發(fā)的事故問題頻發(fā)，因此該領(lǐng)域相關(guān)研究人員逐漸將研究重點轉(zhuǎn)向針對地下金屬管道的測量和定位當(dāng)中，提出了多種針對地下金屬管道事故問題的測量與定位方法[1]。但由于研究水平的有限，加之對各項技術(shù)的利用不充分，使得現(xiàn)有方法在實際應(yīng)用過程中均存在虛警率高、無法精準(zhǔn)找到泄漏位置、測量及時性差等問題。因此，針對上述問題本文將開展基于分布式光纖傳感的地下金屬管道測量與定位分析研究。

1 基于分布式光纖傳感的地下金屬管道測量與定位方法設(shè)計

1.1 基于分布式光纖傳感的測量信號采集

在對地下金屬管道進行測量時，為判斷其是否存在泄漏現(xiàn)象，首先應(yīng)當(dāng)從對測量信號采集的角度入手，開展對本文方法的實際研究。根據(jù)地下金屬管道日常運行特點，本文選擇SuperHawk6580 型號的分布式光纖傳感器裝置作為本文方法主要技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備，其具體應(yīng)用方式為：

第一步，通過TCP 通信協(xié)議，接收SuperHawk6580型號分布式光纖傳感采集端遠程傳輸?shù)玫降男盘枖?shù)據(jù)，并將其相應(yīng)的采集結(jié)果繪制成圖形形式，在顯示界面當(dāng)中展示。

第二步，單擊顯示界面當(dāng)中的保存按鈕，確保從SuperHawk6580 型號分布式光纖傳感采集到的溫度數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)信號能夠有效存儲在上位機當(dāng)中。

第三步，分布保存結(jié)果，在上位機當(dāng)中選擇保存下來的歷史數(shù)據(jù)或圖像，對采集到的歷史數(shù)據(jù)進行計算和分析，并將最終結(jié)果進行顯示，提示出地下金屬管道是否存在泄漏問題，并給出明確的泄漏位置。

針對采集到的信號，需要在上位機當(dāng)中設(shè)定相應(yīng)的測量閾值，再利用SuperHawk6580 型號分布式光纖傳感器對其進行采集和分析。在對信號進行采集時，為確保后續(xù)測量分析和定位的精度，還需要對采集到的信號進行小波去噪處理。本文利用小波變換的方法對信號進行去噪，首先對采集到的信號進行小波分解，將其劃分為N 個不同層次結(jié)構(gòu)，本文以N 的取值為3為例，得出如圖1 所示的小波分解示意圖。

圖1 分布式光纖傳感器采集信號小波分解示意圖

其次，完成對分布式光纖傳感器采集信號小波分解后，選擇適合的準(zhǔn)則，為小波分解得到最高的頻率小波系數(shù)的閾值進行量化[2]。最后，對量化后的各層次結(jié)構(gòu)中的高頻小波系數(shù)和低頻系數(shù)進行小波逆變換處理，從而對去除噪聲后的信號進行重構(gòu)。以此，為后續(xù)測量分析和定位提供條件。

1.2 地下金屬管道泄漏測量分析

在SuperHawk6580 型號分布式光纖傳感器光纖每隔0.25m 的位置上，測量一個溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)采集到的一整組完整的數(shù)據(jù)之后，對采集到的數(shù)據(jù)進行平均值求取，并將該組數(shù)據(jù)當(dāng)中的最大值和最小值與平均值的偏差計算得出。最后，通過對該偏差值與事先設(shè)定的測量閾值進行比較的方式，判斷地下金屬管道是否存在故障問題。同時，測量得到的數(shù)值超過設(shè)定的閾值范圍，則證明地下金屬管道存在故障問題，反之，測量得到的數(shù)值未超過設(shè)定的閾值范圍，則證明地下技術(shù)管道不存在故障問題，可進行正常使用。同時，為了保證測量分析結(jié)果的客觀性，本文采用聚類分析的方法，根據(jù)對地下金屬管道一批樣本的多個觀測指標(biāo)，找出一個能夠?qū)崿F(xiàn)對樣本中所有采集到的信號進行衡量的相似程度統(tǒng)計量作為依據(jù)，將相似程度較大的采集信號劃分為一類，另一類為相似程度較小的采集信號。相似程度的計算公式為：

公式（1）中，d 表示為相似程度；xi表示為某一采集信號樣本與衡量信號相似程度的閾值之間的距離，x’i表示為衡量信號相似程度的閾值；i 表示為采集到的信號樣本編號；p 表示為一組地下金屬管道上所有的測量信號個數(shù)。根據(jù)上述公式（1）計算得出相似程度，并根據(jù)上述分類方式進行分類，以此將存在異常泄漏的信號與正常信號區(qū)分，從而確定被測量的地下金屬管道是否存在泄漏問題。

1.3 管道泄漏定位

在完成對地下金屬管道是否存在泄漏問題的判斷后，還需要明確具體泄漏點的位置。分別在分布式傳感光纖上取30 組無泄漏的信號，按照采集過程中的順序，將其依次劃分為初期信號、中期信號和后期信號，并分別對其進行累加平均處理，得到初級模板[3]。將模板與實際被測量的地下金屬管道采集到的信號進行對比。對無泄漏信號與最終閾值信號進行對比，并將對比結(jié)果作為差值信號，將所有差值信號依次得出并進行比較。結(jié)合地下金屬管道在傳輸介質(zhì)的過程中其周圍溫度的變化特點作為依據(jù)，根據(jù)沒有發(fā)生泄漏問題的地下金屬管道采集到的測量信號確定閾值信號，對比閾值信號與泄漏信號之間的關(guān)系，以此找出溫度發(fā)生明顯改變的節(jié)點，則該節(jié)點即為地下金屬管道具體的泄漏位置。

2 對比實驗

為進一步驗證本文提出的基于分布式光纖傳感的地下金屬管道測量與定位方法在實際應(yīng)用中的性能，本文將該方法與傳統(tǒng)方法針對同一實驗對象進行實際操作，并驗證最終兩種方法的效果。選擇某城市地下輸氣管道作為實驗對象，該管道的外部直徑為35mm，管壁厚度為2.5mm，總長度為5.5m，將該管道劃分為五個不同區(qū)域，分別在1.1m、2.2m、3.3m、4.4m 位置上進行標(biāo)記。在管道內(nèi)部放置一個直徑為2.25mm 的小孔用于作為泄漏孔，通過高壓氣傳輸裝置，向管內(nèi)輸送1.25MPa 氣體。為確保實驗結(jié)果的客觀性，將實驗過程中的各項參數(shù)均設(shè)置為相同數(shù)值。針對本文提出的方法而言，將折射率為1.246 的光纖作為本文傳感光纖，采用PE包對其進行全面覆蓋。同時，將延遲光纖設(shè)置為1500m，將測量光纖設(shè)置為7500m，將ASE 輸出的最大光功率設(shè)置為12.6dB，將光譜范圍設(shè)置為1426mm～1523mm 范圍以內(nèi)。實驗過程中，采用由NI 企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集裝置對實驗產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)結(jié)果進行測量和分析，并通過數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部計算功能，對兩種方法的虛警系數(shù)進行計算。將實驗結(jié)果記錄如表1 所示。

表1 兩種方法實驗結(jié)果對比表

表1 中虛警系數(shù)是指在測量和定位過程中兩種方法存在的誤差，因此虛警系數(shù)數(shù)值越大表示該方法的測量和定位精度越低，反之，虛警系數(shù)數(shù)值越小，則表示該方法的測量和定位精度越高。通過表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，本文方法的虛警系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)方法。因此，通過對比實驗進一步證明，本文提出的基于分布式光纖傳感的地下金屬管道測量與定位方法與傳統(tǒng)方法相比具有更高的精度，將該方法應(yīng)用于實際能夠有效提高地下金屬管道的管理效率，從而為地下金屬管道的安全、穩(wěn)定運輸提供保障。

3 結(jié)束語

為解決地下金屬管道的實時測量與監(jiān)測問題，本文通過引入分布式光纖傳感技術(shù)，開展對其測量與定位方法的設(shè)計研究，通過研究提出一種全新的測量與定位方法并通過實驗進一步證明了該方法的應(yīng)用效果。但由于研究水平的有限本文在設(shè)計方法時并未考慮到光纖的布放問題，因此在實際應(yīng)用中可能會由于光纖布放位置不佳造成測量結(jié)果存在出入的問題。因此，在后續(xù)的研究中還將針對這一問題進行更加深入的研究。