中國(guó)石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心 編譯

Omnisens Lynx 是一套分布式光纖傳感系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)地監(jiān)測(cè)、定位及描繪出感應(yīng)光纖整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)細(xì)微的溫度、應(yīng)變和振動(dòng)變化，這些變化即表示管道發(fā)生了泄漏、地層移動(dòng)或入侵事件。 Omnisens專有的監(jiān)測(cè)軟件確保對(duì)檢測(cè)到的事件進(jìn)行智能分析，建立有效的通信預(yù)警并最小化誤報(bào)（圖 1）。

圖 1  Omnisens Lynx系統(tǒng)監(jiān)測(cè)示意

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 Omnisens Lynx系統(tǒng)

（1） Omnisens Ditest解調(diào)儀：提供強(qiáng)大可靠的測(cè)量和定位功能。對(duì)于管道沿線的任何位置，當(dāng)經(jīng)計(jì)算后的溫度和應(yīng)變測(cè)量結(jié)果超出項(xiàng)目特定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，隨即觸發(fā)警報(bào)。可將整個(gè)監(jiān)測(cè)管道長(zhǎng)度范圍內(nèi)微小的溫度異常（泄漏的早期跡象）或應(yīng)變異常（地層移動(dòng)的首要特征）定位在數(shù)米內(nèi)。

（2） Omnisens DiVA解調(diào)儀：檢測(cè)和分析管道周?chē)�地層的振�?dòng)情況。管道沿線的所有活動(dòng)（正常的或未授權(quán)的）都會(huì)被檢測(cè)和定位，并依據(jù)測(cè)得的振動(dòng)特征定義為危害性或非危害性，檢測(cè)與定位精確有效。

（3）接口與通信：通過(guò)TCP/IP或中繼，實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)通信。

（4）傳感器：通常為與管道一起安裝的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖通信光纜。

（5）監(jiān)測(cè)軟件：用于處理溫度、應(yīng)變和振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)出預(yù)警。數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)在專用的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（6） Omnisens Map：簡(jiǎn)潔明了的GIS界面，用于識(shí)別線路上與之KPs和GPS坐標(biāo)關(guān)聯(lián)的預(yù)警位置，并將事件演變過(guò)程虛擬化顯示出來(lái)。

1.2 Omnisens Lynx系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象

Omnisens Lynx系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與定位無(wú)盲區(qū)，能夠提供高靈敏度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，構(gòu)成了運(yùn)營(yíng)商集成安全系統(tǒng)的要素之一。其能夠監(jiān)測(cè)到以下活動(dòng)事件。

（1）微小的（初期）、發(fā)展的泄漏。

（2）地層運(yùn)動(dòng)的早期征兆，如滑坡、沉降及其他地質(zhì)災(zāi)害影響。

（3）季節(jié)性變化對(duì)周?chē)�土壤帶�?lái)的影響，如洪泛、冰凍、融化。

（4）土壤侵蝕的早期跡象。

（5）第三方侵入（合法的和非法的）。

（6）管道智能清理器的位置。

2 管道泄漏監(jiān)測(cè)

管道泄漏會(huì)引起周?chē)�土壤的溫度變化�?OmnisensLynx 檢測(cè)并分析管道沿線的溫度變化，以米級(jí)精度檢測(cè)并定位細(xì)微滲漏，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法處理大量的參數(shù)，進(jìn)而從正常的季節(jié)性氣候變化引起的溫度變化中辨別出真正的泄漏（圖 2）。

圖 2  Omnisens Lynx 泄漏監(jiān)測(cè)

2.1 天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)

當(dāng)氣體泄漏時(shí)，冷卻點(diǎn)會(huì)迅速擴(kuò)散。在局部（1～2米）溫度變化之后，在管道表面周?chē)�的土壤中形成溫度梯度。無(wú)論周?chē)�的土壤溫度如何，冷卻效果（直接與氣體類型和壓力有關(guān)）的大小保持不變。

2.2 液體管道泄漏監(jiān)測(cè)

大多數(shù)液體比周?chē)�的土壤溫度更熱，因此安裝在附近的光纖傳感器能夠監(jiān)測(cè)到液體泄漏。

2.3 地層移動(dòng)監(jiān)測(cè)

管道地層移動(dòng)會(huì)對(duì)管道路徑產(chǎn)生損傷，進(jìn)而危害管道完整性。為了對(duì)這些危害中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行高靈敏度、高效益和強(qiáng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)， Omnisens Lynx提供了以下全面、三重解決方案。

（1）分布式溫度監(jiān)測(cè)。

（2）分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

（3）分布式振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

通過(guò)應(yīng)變和溫度的結(jié)合測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡、蠕變、沉降及侵蝕現(xiàn)象的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。使用光纖應(yīng)變傳感器，能夠監(jiān)測(cè)和定位沿著管道/光纖傳感器上任意位置幾厘米的地層位移，定位精度在幾米以內(nèi)。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠推斷出地震和相關(guān)現(xiàn)象（例如滑坡、火山活動(dòng)等）（圖 3）。

圖 3  Omnisens Lynx 地層移動(dòng)監(jiān)測(cè)

溫度的變化表明其他可能影響管道和/或其通行權(quán)的事件。管道周?chē)�土壤物質(zhì)的侵蝕，如洪水的侵入，凍漲等，可能引起土壤狀況的變化，進(jìn)而導(dǎo)致溫度變化。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些溫度變化和發(fā)生位置并發(fā)出警報(bào)，操作員可以對(duì)管道逐一進(jìn)行調(diào)查，消減損傷。為了滿足管道路由不同工況的挑戰(zhàn)， Omnisens Lynx提供了一種靈活性，可以將不同的危害因素組合在一起或單獨(dú)進(jìn)行監(jiān)控。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)全面的、成本合理、實(shí)用高效的管道完整性光纖監(jiān)控解決方案，無(wú)需考慮危害因素的單一性。

2.4 第三方入侵監(jiān)測(cè)

公眾最關(guān)心的是管道周邊建設(shè)和非法挖掘活動(dòng)，因?yàn)橐坏┌l(fā)生事故會(huì)對(duì)公眾安全和財(cái)產(chǎn)造成直接危害。 Omnisens DiVA能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)管道長(zhǎng)度內(nèi)的第三方侵入，并進(jìn)行定位和分類（圖 4）。

圖 4  第三方入侵監(jiān)測(cè)

第三方入侵?jǐn)_動(dòng)會(huì)在土壤中產(chǎn)生微弱的壓力或振動(dòng)，感應(yīng)光纖（標(biāo)準(zhǔn)通信光纜）隨即感應(yīng)，借助軟件復(fù)雜算法進(jìn)行分類，以判定信號(hào)來(lái)自異常事件還是正常的環(huán)境變化。

Omnisens DiVA類似一部連續(xù)的寬頻帶電話，檢測(cè)管道路徑沿線不同事件產(chǎn)生的特定頻率，即使面對(duì)大量的同步事件也能夠通過(guò)可管控的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分類，因此可以快速區(qū)分開(kāi)“正常”和“異常”事件。

Omnisens DiVA足夠靈敏，在侵入變成危害前就可以將其檢測(cè)出，例如挖掘機(jī)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖之前就能夠及時(shí)反映出來(lái)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到危及安全的事件時(shí)，會(huì)觸發(fā)預(yù)警并在Omnisens Map（或其他GIS）地理圖形上顯示出來(lái)，同時(shí)發(fā)送給管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)SCADA或第三方平臺(tái)。

2.5 清管追蹤

對(duì)于清管作業(yè)活動(dòng)，清管傳播過(guò)程中在周?chē)�的土壤中產(chǎn)生振動(dòng)，使用附近放置的光纖電纜可以實(shí)時(shí)追蹤,可用一個(gè)便攜式的Omnisens DiVA解調(diào)儀。

2.6 管道變形監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)管道的變形狀況，將光纖鋪設(shè)在管道的表面，管道任何的形變都直接反饋到光纖中。監(jiān)測(cè)形變過(guò)程中光纖的拉伸和壓縮變化，并觸發(fā)警報(bào)（圖 5）。

圖 5  管道變形監(jiān)測(cè)

2.6 光纖電纜選擇

（1）提供光纖傳感電纜選擇和安裝程序指導(dǎo)。

（2）光纖傳感電纜可用于各種惡劣環(huán)境或特定條件下安裝

（3）用于泄漏和入侵檢測(cè)的電信級(jí)單模光纖電纜。

（4）應(yīng)變傳感電纜，結(jié)合抗拉強(qiáng)度和最大應(yīng)變靈敏度對(duì)地面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.7 Omnisens Map

Omnisens Map作為L(zhǎng)ynx的默認(rèn)界面，提供一看就懂的全虛擬化數(shù)字結(jié)果， 顯示預(yù)警和事件信息（圖 6）。其由一個(gè)地理信息系統(tǒng)（GIS）構(gòu)成，提供管道完整性危害因素的實(shí)時(shí)信息，在一幅代表管線路徑的地圖上顯示所有檢測(cè)到和分類的事件， 包括事件日志和歷史信息。

圖 6  Omnisens Map界面

（1）動(dòng)態(tài)地圖顯示管線和定義的區(qū)域。

（2）區(qū)域狀態(tài)和狀況的實(shí)時(shí)信息（例如最低/最高溫度等）。

（3）日期、時(shí)間和位置（所有已記錄事件的GPS坐標(biāo)）。

（4）信息工具。

（5）所有已連接解調(diào)儀的狀態(tài)信息。

（6）系統(tǒng)歷史日志。

3 Omnisens服務(wù)

3.1 應(yīng)用工程

（1）傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證。

（2）集成到第三方系統(tǒng)（SCADA），通信連接和冗余。

（3）將管道地理坐標(biāo)安裝到Omnisens Map中。

3.2 調(diào)試和安裝

（1）系統(tǒng)配置、區(qū)域和警報(bào)優(yōu)化。

（2）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試。

（3）遠(yuǎn)程訪問(wèn)設(shè)置和操作員培訓(xùn)。

3.3 服務(wù)合同

可提供一系列服務(wù)，以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)可用性，包括后期調(diào)試支持和數(shù)據(jù)解釋服務(wù)。

4 Omnisens Lynx 系統(tǒng)小結(jié)

（1）性能： Omnisens Lynx結(jié)合了Omnisens Ditest（用于最早發(fā)現(xiàn)泄漏和/或地面運(yùn)動(dòng)）和Omnisens DiVA（用于入侵檢測(cè)）的測(cè)量性能，以及Omnisens Map用戶界面，提供了一套成本可接受、實(shí)用高效的管道完整性檢測(cè)解決方案（圖7）。

圖 7 Omnisens  Lynx 系統(tǒng)安裝示意

Omnisens Ditest與DiVA監(jiān)測(cè)距離超過(guò)40公里，分辨率是在系統(tǒng)配置期間設(shè)置的，并且在距離范圍內(nèi)保持不變。光纖安裝的合理性保證光纖監(jiān)測(cè)的精度。

（2）靈敏度：初始溫度（泄漏）、應(yīng)變（地面運(yùn)動(dòng)）和振動(dòng)（侵入）事件可以及早發(fā)現(xiàn)，局部控制，從而使操作者有時(shí)間采取行動(dòng)。

（3）通信：狀態(tài)和檢測(cè)到的事件可以實(shí)時(shí)與其他第三方系統(tǒng)進(jìn)行通信。 Omnisens遵循信息安全管理指南，以確保信息的完整性、可用性和可追溯性。

（4）成本效益和靈活性：如果光纜安裝在管道中，只需花費(fèi)很少的額外成本，即可完成泄漏和入侵檢測(cè)。地面活動(dòng)監(jiān)測(cè)需要安裝一種“適合用途”的光纖光柵位移傳感器以實(shí)施檢測(cè)。

（注：原文來(lái)自加拿大國(guó)際管道會(huì)議 IPC2018 Omnisens公司展會(huì)資料）