【技术前沿】基于分布式光纤传感技术的管道破坏联合检测方法

油气管道周围施工、人为破坏等原因导致的管道泄漏事故频频发生，不仅给企业造成经济损失，对人身安全、自然环境也会造成巨大危害。为了最大限度地减少损失，应加强油气管道运行状态安全监测。传统的监测方法主要包括人工定期巡检、电类传感法等，但其检测效率低、极易受环境磁场等外界干扰，导致误报率较高。近年来，由于分布式光纤传感技术可以长距离、连续式、实时、在线进行应变与温度测量，已成为管道监测的有效方式。在基于分布式光纤传感的油气管道监测系统中，由于系统实时全天候采集数据，因此数据量较大，且大部分数据来自于静默、无扰动时间段。如果检测到有效、可疑数据再进行后续数据处理，则可大大减小运算量。传统的基于单一的过零率检测方法对噪声非常敏感，但如果背景中有反复穿越坐标轴的随机噪声，将会产生大量的虚假过零，大大增加了误报率。因此，提出了短时平均能量与修正过零率标准差联合检测管道破坏信号的方法，以达到提高检测准确率的目的。

计算原理

01

短时平均能量计算

短时能量Em是指在一个短时信号帧内采样信号所聚集的全部能量，其计算公式为：

式中：m为信号x（n）分帧后第m帧数；n为信号x（n）第n个采样点，取正整数；L为信号x（n）分帧后的帧长；w（n）为窗函数，窗长与帧长相同，均为L。

根据上式，信号的能量或振幅随时间的变化规律可以用短时能量反映出来，其中窗函数的选择直接决定了短时能量的质量。如果窗长太长、平滑作用明显，短时能量曲线随时间变化缓慢，不能反映信号的变化特征；反之，如果窗长太短，短时能量随时间剧烈变化，无法得到平滑的能量函数，会引入大量的扰动。为了表征信号特征，需选取合适的窗长，并采用短时平均能量：

式中：M为总帧数，其值由管道信号检测时长决定。

02

过零率修正

短时过零率是指在一个短时帧内，采样信号值由负到正、由正到负变化的次数，即穿过横轴的次数。短时过零率简单地反映了时变信号在短时间内的平均频率，其计算公式为：

其中：

式中：sgn[x（n）]为信号x（n）的符号函数；Zn为过零率。

根据上式，短时过零率对噪声的存在非常敏感，如果背景中有反复穿越坐标轴的随机噪声，将会产生大量的虚假过零，影响计算结果。为了提高过零率计算的鲁棒性，可采取以下措施进行修正：①对原始信号进行带通滤波；②修正过零率。

检测方法

基于分布式光纤传感的管道破坏信号检测系统主要包括激光器、调制器、中央处理单元、探测器、采集卡及光缆。其中，中央处理单元一般为计算机，主要承担信号存储、破坏信号检测与预警显示。该系统工作原理为：光源发出信号光，经过调制后从光纤的一端注入，当管道周围存在第三方活动时，同沟敷设的光纤相应位置感知振动信号通过后向散射光进入探测器转换为电信号，再经过数据采集卡采集到信号后传送至中央处理单元检测，一旦检测到可疑的第三方破坏信号，检测系统即发出预警信号。

基于分布式光纤传感技术的管道破坏信号检测系统组成示意图

为了降低分布式光纤传感管道破坏信号检测方法的误报率，将短时平均能量与修正过零率标准差联合起来对破坏信号进行检测，详细检测流程分为以下7个步骤。

基于分布式光纤传感技术的管道破坏信号检测流程图

现场试验验证

为验证上述信号检测方法的有效性，开展了油气管道现场试验验证。在试验前，先采集一段无破坏行为的信号作为检测基准信号；然后分别将挖掘机碾压、挖掘机挖掘、挖掘机捶地的信号作为机械破坏信号，将人工锹铲、人工挖掘地面的信号作为人工破坏信号。根据上述检测流程，对采集到的不同破坏方式下的信号进行分析与处理，窗函数选择汉明窗，每2s检测一次信号，并输出检测结果：当有破坏信号时，输出1；当无破坏信号时，则输出0。

不同检测方式下机械碾压信号检测结果对比图

不同检测方式下机械挖掘信号检测结果对比图

不同检测方式下机械捶地信号检测结果对比图

不同检测方式下人工锹铲信号检测结果对比图

不同检测方式下人工挖掘信号检测结果对比图

不同检测方式下无破坏状态时的信号检测结果对比图

根据上述检测效果可见，对于信噪比较高的机械破坏模拟信号，采用传统的单一短时能量或短时过零率检测，能达到较理想的检测效果；随着信噪比的降低，如人工模拟破坏类信号，采用单一短时能量或过零率检测则存在误报，当管道附近无破坏入侵信号时，传统方法频繁误报，而采用基于短时平均能量与修正过零率标准差联合检测方法，弥补了传统的基于单一短时能量、过零率检测的缺陷，其效果优于基于单一的短时能量或过零率检测方法。为了验证新建的联合检测法的检测效果，在同种破坏工况下采集了大量数据，得到不同破坏信号检测准确率。

不同检测方法对不同破坏信号检测准确率对比结果

结论

01

将短时平均能量与修正过零率标准差联合判别的管道破坏信号检测方法，可有效检测出第三方破坏信号，在管道遭到严重破坏前进行预警与干预，可以大大降低管道运维成本。

02

检测到有效信号再进行后续模式识别等处理，可以极大地提高系统检测效率。

03

通过大量数据结果，分别模拟不同人工与机械破坏信号，对新建的联合检测方法进行可行性、有效性验证，表明该方法可以有效检测出人工及机械破坏信号，并可根据环境变化有效地剔除干扰，具有较高的抗噪性能，降低了误报率，检测准确率超过90％。

04

该方法用于周界安防系统也可以达到较高的检测率，为管道安全预警提供可靠的解决方案。

素材来源：管网科技，如有侵权请联系删除。