光纜在線監測系統研究

（國家石油天然氣管網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、抗干擾能力強、保密性好等諸多優點，加上光纜可與油氣管道“同溝同纜”建設，很大程度上節省了光纜線路的鋪設費用，因此，光纖通信已逐步成為當前油氣管道通信建設的主要方式。然而，油氣管道多處于偏遠地區，深埋于地下，地震、洪水、泥石流、地質沉降等自然因素，以及基建施工、農業耕作等人為因素，都易造成同溝光纜的損壞，進而引起通信故障。如何快速、精準定位光纜故障點，如何建設與石油行業相適應的精確化、自動化、智能化的光纜監測系統，提高光纜運維效率，降低光纜的維護成本，是石油行業在光纖通信領域亟須解決的課題。

以前，油氣管道通信光纜故障一般是通過光傳輸設備告警、數據通信網中斷告警等來發現的，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、光功率等數據來告知故障點位置。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據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據采集裝置例如OPM（光功率計）、OTDR（光時域反射儀）設備等，通過這些裝置來采集光纜運行的基礎數據，然后對采集到的數據進行綜合分析，預判可能出現的故障，快速定位已出現的故障[1]。但這種方式不適用于已鋪設光纜線路的監測。

本文提出了一種基于DAS（Distributed fiber Acoustic Sensing，分布式光纖聲波傳感）技術的新型光纜巡線分析及在線監測方案。該方案結合GIS 系統、NFC 標簽、在線監測等技術，能實現對光纜傳輸管線的精確化、數據結構化、智能化的實時監測監控，從而實現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 光纜在線監測系統方案

1.1 DAS技術優勢、原理

DAS 是一種利用光纖后向瑞利散射干涉效應實現聲波信號連續分布式探測的新型傳感技術，它不僅具有普通光纖傳感技術的優點，如抗電磁干擾、隱蔽性好、耐腐蝕、絕緣等，而且可以實現光纖沿線動態應變（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設施的安防監測、大型結構的健康監測、油氣資源勘探等領域具有廣闊的應用前景[2]。

DAS 相比普通OTDR 區別主要在于光源，DAS 技術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，從而導致出射的散射光曲線發生變化。

基于分布式光纖聲波傳感技術基本原理如圖1 所示：

圖1 DAS技術原理圖

其基本結構與OTDR 相似，窄線寬激光器、脈沖調制器、光放大器、環形器、光電探測器和數據采集和處理系統組成，但DAS 還多了一組耦合器和聲光移頻器。

光信號感應的變化由數據采集和處理系統分析處理，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換器變換為模擬電信號，再由200 MHz 高速A/D（模擬/ 數字）采樣和轉換電路完成信號數字化，交由數據采集和處理系統由RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）處理器和FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）完成對擾動事件的高靈敏解析和精準距離的計算[3]。

基于DAS 的高靈敏度振動傳感系統稱之為“光纜巡線分析儀”，可以實現對光纖沿線便捷精準定位和實時狀態監測。

1.2 光纜巡線分析儀系統應用

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，為光纜監測提供精準路由數據。

光纜巡線分析儀系統由光纜巡線分析儀、云平臺、振動敲擊器和移動終端組成，結合云計算、邊緣計算、移動互聯網和物聯網等技術，實現光纜資源點定位的功能。

系統原理如圖2 所示。

光纜巡線分析儀：發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生背向光相位擾動，通過邊緣計算，計算出擾動強度參數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40 km；結合嵌入式軟件驅動內置的模組依托MQTT協議完成與云端的通信，實現數據交互功能。

圖2 光纜巡線分析儀系統

云平臺：部署在IDC 機房，安裝光纜路由普查軟件系統，具備北向對接現有光纜資源管理平臺接口，南向對接光纜巡線分析儀設備和移動終端，完成數據收集、存儲、轉發和統計分析。

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施來完成對光纜的擾動。

移動終端：安裝巡線分析APP，通過網絡接入云平臺，連接光纜巡線分析儀，是遠程操控光纜巡線分析儀的入口，可以進行儀器設備的端口測試、光源開關、脈寬、工作通道、敲擊響應算法參數等參量設置，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 光纜在線監測系統架構

在機房部署光纜巡線分析儀系統，普查人員通過敲擊里程油樁、電子樁、標石等資源點，對管道、地埋光纜路由、距離等傳輸基礎資源信息進行采集，并將采集的數據實時上傳至云端服務器進行存儲。結合GIS 系統以及NFC標簽對油樁等資源點進行標定。光纜承載設施基礎資源信息采集完成后，通過傳輸資源數字化管理平臺對資源點進行實時在線監測[4]。系統架構如圖3 所示：

圖3 光纜在線監測系統架構圖

系統引入NFC 和光纜巡線分析儀等IOT 技術，精準錄入資源信息，嵌入到網絡的運營生產管理和支撐工作中，有利于形成一套有效的光纜管理系統。

1.4 光纜在線監測組網

光纜在線監測系統由光纜巡線分析儀、數據網、服務器及客戶端四部分構成。光纜巡線分析儀完成在線采集光纜原始數據；數據網主要功能為GIS 數據、光纜數據、測試數據、故障告警數據等的轉發；服務器端主要功能為各種數據的運算及分析并響應客戶端的數據請求等；客戶端主要功能是用戶交互界面，包括光纜實時監測波形、故障報警、報表、資源維護管理等。在線監測組網見圖4：

圖4 光纜在線監測組網圖

光纜在線監測平臺能調用前述光纜巡線分析儀系統的光纜資源數據，接收監控客戶端的監控指令和分發測試、告警等消息，為連接到服務器的多個客戶端提供測試控制、故障處理、電子地圖、光纜拓撲、報表輸出等操作功能[5]。其具體功能設計如下：

（1）光纜監測數據管理技術

根據油氣管道光纜管理要求，建立油氣管道光纜資源數據庫，數據信息包括油氣管道光纜長度、接頭盒位置坐標、在用纖芯、中繼段距離、故障報告等內容，通過大數據整合光纜資源信息，為光纜監測提供大數據分析平臺。

針對光纜監測需求建立相應的光纜監測數據采集標準、數據制作與數據存儲標準，包括監測數據采集、數據處理、數據上傳與下載等，實現數據的標準化管理。

（2）在線故障預警

系統收到告警，能夠啟動監測系統對告警光纖進行測試，收到監測故障曲線數據文件后，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標識人井地理信息，發出故障通知單，同時記錄故障發生時間和受理回應的時間。該系統具有數據分析功能，包括：光纖曲線數據的對比分析、全程傳輸損耗、全程光學長度、接頭損耗、兩接頭點之間的光纖衰減系數、光連接器位置、光纖接頭盒和光纖斷點位置，能夠根據某一光纖一段時間內的曲線分析其接頭和光纖損耗的時間變化特性。

（3）光纜監測數據的智能分析

在光纜發生故障時，以不超過60 s 的時間內精確定位故障點位置，向終端和客戶端發出報警任務。掌握光纜特性變化、預防光纜故障，對光纖特性長期、定時在線監測，對監測數據分類統計、分析，發現光纜的纜、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、里程樁進行電子標簽改造，具體測試流程如圖5 所示，振動分析窗口中出現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。結合NFC 標簽完成對資源點的標定，具體效果見圖9。

圖7 OTDR測量光衰點距離

圖8 現場敲擊光衰點距離

圖9 部分資源點改造圖

2.2 在線監測平臺

在線OTDR 監控平臺對OTDR 設備進行管理和控制，能在線監測設備狀態，實現在線監測、告警分析功能。具體效果見圖10、圖11。

圖10 在線監測曲線

圖11 告警信息管理

3 結論

相較于傳統解決方案，本方案在利用光纜巡線分析儀與NFC 標簽對油樁等資源點進行信息化、數字化改造，便捷準確地將光纜長度、經緯度信息采集至平臺中，并對光纜的運行狀態進行有效監測和預防，解決了傳統在線監測方案由于光纜的割接、遷改等原因造成故障距離無法準確定位的問題，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的影響，保障了油氣管網的安全運行[6-7]。

本在線監測系統仍存在改進空間，后續需要增加故障信息發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、管網的運行安全能力。