光纖通信技術在能源輸送管道工程中的應用

上海燃氣工程設計研究有限公司 馬 雯

通信系統作為能源輸送管道工程的重要組成部分，承擔著管道生產運行SCADA數據以及各類生產管理業務數據傳輸的重任，是保障管道安全運行的重要因素。同時，隨著通信技術的快速發展和數字經濟時代以及工業4.0時代的到來，數字化、智能化管道建設將進入快速發展期，而通信技術是實現數字化乃至智能化管道的重要基礎支撐。

上海現有的某成品油管道，由于輸送量已不能滿足城市快速發展帶來的日趨增長的市場供應，將在原管道起點和終點之間新建一條大輸量的成品油管道。本文將以此工程為研究對象，深入調研分析原有管道通信系統現狀及實際應用需求，充分運用先進的信息通信技術來為管道的健康、安全和穩定運行保駕護航。

1 原有管道通信系統現狀

上海某成品油原有管道由首站、末站和53 km成品油管道構成。通信業務主要有SCADA數據、工業電視監控、辦公網絡、話音通信等數據，采用租用公網通信作為各業務數據傳輸的通信系統。

1.1 SCADA數據

在首站和末站之間租用1條中國電信2 Mbps帶寬的公網數字電路作為SCADA數據傳輸的主用通信方式，租用另1條中國移動2 Mbps帶寬的公網數字電路作為 SCADA數據傳輸的備用通信方式，目前使用情況良好，能夠滿足SCADA數據傳輸的要求。

1.2 工業電視監控圖像

工業電視監控由首、末站攝像機站內本地監控和管道沿線重點區域攝像機遠程監控兩部分組成。管道沿線視頻監控圖像采用租用公網無線通信傳輸至末站進行遠程監控，以滿足管道完整性管理要求。在實際使用過程中，由于高清視頻監控圖像對通信帶寬要求較高，采用公網無線通信方式存在信號不穩定、傳輸速率慢、無線通信模塊故障率高、數據傳輸流量費用高等問題。

1.3 其他業務數據

辦公網絡、話音通信等其他業務通信均通過租用運營商公網通信實現，目前使用情況較好，能夠滿足各業務數據通信要求。

2 新管道通信業務需求

新建成品油管道有2座工藝站場（首站和末站）、3座線路截斷閥室（1#～3#閥室）以及61 km成品油管道（約11 km架空敷設管道和50 km埋地敷設管道），并由位于末站的調控中心對首站和3座閥室進行集中調控。根據新管道實際情況，數據通信需求由原管道首、末站之間兩點傳輸，增加為末站與首站和3座閥室之間多節點、多種業務數據的實時傳輸。信息通信需求除傳統的數據通信、管道沿線高后果區視頻監控圖像實時遠傳外，還增加了管道安全監測預警等智能化管道新技術應用需求。

各通信業務流向和特點總結分析如下：

（1） SCADA數據業務：是生產運行控制類業務。0#、－10#柴油、92#、95#汽油多品種成品油順序輸送管道對SCADA數據通信要求更高，是管道通信業務中的重中之重。該管道要求傳輸時延小、實時性高、誤碼率低、可靠性高，并具有流量小的特點。站場通信系統的數據傳輸速率不低于128 kbps，閥室通信系統的數據傳輸速率不低于19.2 kbps。

（2） 話音通信業務（調度電話、行政電話）：是非控制生產類業務，屬于準實時性業務。要求可靠性高，具有流量小、傳輸頻度低于SCADA數據的特點，是日常生產不可或缺的業務，是保障生產調度正常運轉的基本手段。

（3） 工業電視監控、自動監測報警等業務：首站、各閥室以及管道沿線高后果區設置的 24個攝像機至末站之間的工業電視監控圖像數據傳輸，具有流量大的特點。每路高清視頻圖像數據帶寬不低于2.4 Mbps（采用H.265編碼）。

（4） 管道安全監測預警業務：運用傳感技術實時監測第三方破壞事件并進行事前預警和定位。報警信息數據傳輸帶寬不低于128 kbps。

綜上所述，新管道通信業務需求呈現傳輸節點增多、業務種類豐富、通信質量、安全、帶寬和實時性要求高等特點，需解決管道沿線工業電視監控圖像傳輸穩定性較差以及數據流量費用較高的問題，保障高清視頻監控圖像穩定、可靠、經濟的傳輸至末站進行遠程監控。同時，鑒于管道輸送介質具有易燃易爆的屬性，需探索采用有效技術手段來實時監測管道安全，對人為破壞和機械挖掘等可能引發管道損傷的安全威脅事件進行預警和定位。

3 光纖通信技術方案

經研究分析，運用光纖通信技術可同時滿足上述幾方面信息通信需求，采用與管道同溝敷設通信光纜組建SDH光通信系統作為SCADA數據和其他業務數據的主用通信系統，同時租用公網MSTP數字電路點對點專線作為SCADA數據備用通信，當主用通信鏈路中斷或設備出現故障時，通過動態路由協議自動切換為備用通信系統，主備聯合形成成環保護，從而實現更為安全、穩定、可靠、高速的數據通信系統；利用同溝敷設的光纜為管道沿線視頻監控提供穩定、經濟的實時高清影像傳輸；運用光纖傳感技術，將與管道同溝敷設的通信光纜作為分布式光纖傳感器，對管道周邊土壤振動情況進行長距離實時監測，從而實現管道安全實時監測預警和定位。

3.1 SDH光通信組網方案

管道全線采用基于MSTP的SDH同步光傳輸系統組網，配置具有多種業務接口的設備，可以方便地傳輸數據、話音和圖像。由于本成品油管道相對獨立，未有其他管道及光纜與之互聯，因此采用線型結構，并采用點對點或鏈路的1+1和1:1線路保護倒換。在建設管道的同時與管道同溝敷設1條光纜，并在管道工程站場和閥室各設置 1套 SDH光通信設備，其中，首站和末站采用傳輸速率等級為 STM-16的光通信設備作為數據匯聚主干層節點，主干層節點共占用光纜中的 4芯光纖采用1+1MSP線性復用段保護方式組網；3座閥室采用傳輸速率等級為 STM-1的光通信設備作為接入層節點，采用線性0+1MSP方式，向首、末站匯聚實現雙方向通道保護；同時，為進一步加強光通信網絡的可靠性，對設備的主要單板采用主、備板保護工作方式，在網絡的各節點設計使用雙路由器互為備份保護方式，以避免故障單點。同時，通過采用故障隔離和故障排除后自動恢復，以及允許設備單板帶電插拔誤操作容錯設計等多種措施，保障系統的穩定可靠性；在末站（調度中心）設置時鐘和網管系統，統一管理全線光通信設備。此種組網方式數據傳輸質量高、時延低。由于 SDH系統采用的是分插復用技術，所以不同業務數據可輕松實現隔離。光通信組網系統圖見圖1。

圖1 光通信組網系統

3.2 沿線視頻監控圖像光纖傳輸方案

根據管道完整性及智能化管道管理要求，在人口居住密集高后果區、河道兩岸及重點區域共安裝24臺前端監控高清網絡攝像機，對現場進行音視頻采集，音視頻在相鄰站場或閥室存儲，并上傳至末站進行遠程監控和管理。由于攝像機位于管道沿線，且視頻高清畫面對通信網絡傳輸帶寬要求較高，相應的租用網絡帶寬費用也較高，因此，通過與管道同溝敷設的光纜進行圖像傳輸，效果最佳且經濟適用。攝像機視頻數據通過帶光口的工業以太網交換機經4芯鎧裝光纜接入管道干線通信光纜，并通過就近閥室的 SDH光通信設備傳輸至末站工業電視監控管理系統，利用與管道同溝敷設的 24芯光纜中空余的2芯光纖作為工業電視傳輸通道。沿線視頻監控圖像光纖傳輸示意見圖2。

圖2 沿線視頻監控圖像光纖傳輸示意

3.3 分布式光纖傳感技術監測管道安全預警

該成品油管道沿途穿越了上海市四個轄區，存在相對頻繁的人員活動及第三方施工作業，易對管道安全形成潛在威脅，并且當管道受到第三方等破壞后可能引起管道缺陷甚至失效，造成泄漏、燃爆等不利后果，會給該區域內人員及環境帶來極大安全風險。針對上述環境特點，研究運用傳感技術通過傳感器進行智能監測、實時感知挖掘事件并進行報警。光纖傳感技術在抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫及長距離監測抗信號衰減方面具有獨特的優越性，同時具備物理量探測及監測報警數據傳輸能力，且光纖傳感器無需現場供電，非常適合野外長距離監測場景。

本工程可利用與管道同溝敷設的通信光纜中的2芯光纖作為探測傳感器，采用基于瑞利散射的相干光時域反射 OTDR傳感技術實現分布式振動信息測量傳感，并對感知信號進行分析、定位、識別和預警。對于復雜的城市環境，采用外差解調的方式對光纜外部的擾動進行獲取與識別，通過時域差分、閾值對比來識別是威脅事件還是車輛經過等造成的擾動，并識別威脅事件的類型，如人工挖掘、機械挖掘等，從實時監測、提前預防和及時處置的角度，為避免管道破壞事件的發生贏得時間，提升管道抗風險能力。

光纖振動管道安全預警系統由預警單元、處理單元、沿線光纜和預警管理終端等組成。預警單元對管道沿線周圍環境壓力、振動等情況進行實時感應，并將收集到的信息傳輸給處理單元；處理單元對來自預警單元的數據信號進行分析和處理；沿線光纜不僅提供探測光纖，同時還是通信傳輸鏈路；預警管理終端主要是接收、處理和顯示預警單元上傳的數據和預警信息。目前主流的光纖預警系統單臺預警主機單通道監測距離可達50 km左右，根據管線和站場/閥室分布情況，本工程以 1#閥室為界把全線分為23.65 km和37.35 km，在1#閥室設置光纖預警系統的處理主機和預警主機，負責監測上、下游全線共61.00 km管線，同時，在末站設置1套光纖預警綜合管理平臺，負責對光纖預警系統進行集中操作管理。光纖預警系統見圖3。

圖3 光纖預警系統

3.4 光纜敷設

通信光纜線路采用與成品油管道伴行敷設。管道管架敷設時，光纜也采用管架敷設方式，可靠固定在橋架內，隨成品油管道一起沿管廊敷設；管道埋地敷設時，光纜采用與成品油管道同溝敷設管道光纜的方式，即與管道同溝敷設1根硅芯管，同期吹入 1根層絞式管道光纜。光纜（硅芯管）與輸油管道底部平齊并與管壁垂直間距不小于300 mm，敷設深度應滿足距離自然地面不小于1.2 m的要求。光纜（硅芯管）的施工應與輸油管道施工協同進行，并應做好相互間的工序銜接。施工流程如圖4所示。

圖4 光纜線路施工流程

本工程光傳輸線路采用24芯G.652D光纖的層絞式管道光纜，型號為GYTA 24B1.3d。首站和末站作為骨干層節點，占用24芯光纜中的4芯光纖，3座閥室作為接入層節點占用光纜中的2芯光纖，光纖預警系統占用2芯光纖（1用1備），沿線工業電視監控圖像傳輸占用2芯光纖，預留14芯光纖作為備用光纖，用于未來業務拓展及光纖損壞替換。

4 結語

自建光纖通信具有傳輸速率快、傳輸容量大、抗干擾能力強、安全穩定等優點，采用與管道同溝敷設的方案進行通信光纜線路敷設，很大程度上降低了光纜線路敷設較高的施工成本。同時，由于光纜纖芯是理想的通信資源，可為管道沿線監控數據以及未來智能化管道各種傳感器監測數據的實時傳輸提供穩定可靠的通信信道，并且無需逐年支付租用公網費用以及較高的無線通信流量費，相較于施工費用來說，24芯光纜與12芯光纜材料價差對總投資影響很小，因此建議多預留一些空余纖芯資源用于今后業務拓展或作為備用。

數據通信是能源輸送管道安全穩定運行的重要要素及實現智能化管道的重要基礎支撐。本工程充分運用光纖通信技術，優化了某成品油管道工程各業務數據通信方案以及管道沿線視頻監控圖像實時遠傳方案，同時解決了該成品油管道預防第三方開挖破壞安全監測預警的問題。因此，其方案可推廣應用至其他新建石油及天然氣等能源輸送管道工程。

Application of Optical Fiber Communication Technology in Energy Transmission Pipeline Project

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co.,Ltd. MA Wen

Abstract:As an important part of energy transmission pipeline project,communication system undertakes the important transmission task of SCADA data in pipeline production and operation as well as various production management business data,which is an important factor to ensure the safe operation of pipeline. Taking a product oil pipeline as an example,this paper investigates and summarizes the current situation,usage and new requirements of the original pipeline communication system,sorts out and analyzes the communication business requirements,and combined with the problems to be optimized and solved and the new requirements of intelligent pipeline development,fully uses the optical fiber communication technology to optimize the data communication scheme of various business of pipeline engineering,It solves the problems of real-time remote communication of video monitoring image along the line and pipeline safety monitoring’s early warning. The outcome can be applied to other new energy transmission pipeline projects.

Keywords:optical fiber communication technology,optical cable laying in the same ditch,optical fiber sensing technology,video monitoring image transmission,multi service data transmission