【摘 要】水利供水工程中的管道一般距离较长、供水区域广，一旦向城区供水的管道發生爆管或外力破坏等事故，不仅会造成巨大的经济损失，还会造成重大的社会影响。鉴于传统安全监测技术无法对故障（振动）点振动类型的判别，本文结合天水市城区引洮供水工程中供水管道安全监测的需要，开发了基于分布式声波传感技术的长距离输水管道安全监测系统，该系统能及时掌握供水管道的运行状态，并实时给运行管理部门提供管道运行过程中的关键参数，实现故障定位和振动类型判别，提高了安全监测的效率。
【关键词】光纤传感；类型识别；安全监测；供水管道
1 引言
天水市城区引洮供水工程穿越通渭县、武山县、甘谷县、秦州区四个县区，供水区域广。管道设计流量2.1 m3/s，供水线路总长度92.401km，其中供水管道总长68.932km，管径1200到1400mm。该供水管道空间跨度较大，沿途地形地貌条件复杂多样，管道需要穿越沟壑、道路、农田等各类野外地质区域，大大增加了管道监控的难度，同时供水管道沿线一些施工及采掘作业等往往会直接对管道造成破坏，导致管道爆裂，停水影响范围广，因此天水市城区引洮供水工程供水管道的安全监测问题成为目前亟待解决的难题。
目前，国内外应用于管道安全监测的手段主要是传统的电测式传感器[1]，其监测原理是将泄漏电缆埋入监测区域地下，在监测区域内形成稳定的电磁场分布，如果第三方破坏事件发生，监测区域内电磁场的分布发生变化，通过接收电缆的电磁能量随之变化，从而给出报警。该监测方法可以实现分布式监测，定位精度通过设置工作点上侧漏电缆的长度进行设定，但供水管道的长度一般都是几十公里以上，实际运行中并非所有经过监测区域的第三方事件都是破坏性事件，如果要完成整条管道的监测，需要大量的传感器布点连线才能完成数据采集，不仅布点施工复杂、后期维护工作量大，而且由于传感器的离散型布点无法全面反映管道运行情况。另外，电测法监测方法无法根据电磁场变化情况判断事件的类型，系统告警阈值难于确定，从而上传误告警。
近年来兴起的光纤传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、防水和耐久性长等特点，特别是分布式传感光纤[2-4]，其沿供水管道同沟布置可以实现全管道的连续性监测，在长距离供水管道安全监测工程实践中有广阔的应用前景。根据天水市城区引洮供水工程中长距离管道安全监测的需求，本系统将专家数据库与神经网络算法应用于DAS技术中，不仅实现传统管道安全监测技术具有的故障（振动）告警与故障点定位，而且利用设计的算法实现故障（振动）点故障类型的判定，实现破坏类故障（振动）的算法筛别，减少正常振动引起的误告警。
2 分布式声波传感技术
光纤开发的分布式声波传感（Distributed Acoustic Sensing，简称DAS）技术[5-7]是基于相干瑞利散射原理的分布式光纤传感器，利用传感器对声音（振动）敏感的特性，当外界作用力引起的 振动作用于传感光纤上时，由于应力双折射效应（弹光效应），光纤的折射率及长度将产生微小的变化，从而引起光纤内传输信号的相位发生变化，使得光强变化。由于声波（振动）引起的相位变化很小，因此DAS系统通常采用高相干的脉冲光源，在脉冲宽度区域内瑞利散射信号之间会发生干涉，当外界振动引起相位发生变化时会使得该点的相干瑞利散射信号强度也随之变化，通过监测振动前后的相干瑞利散射光信号的强度变化，即可实现振动事件的探测与振动位置的精确定位，而根据输出端频谱分析可以判定引起振动的类型。
分布式光纤声波监测原理如下：当声波振动作用于光纤时，由于弹光效应，光纤的折射率和长度发生微小变化，导致光纤内传输光的相位变化，使得光强也会发生变化。检测振动前后的瑞利散射光信号的强度变化，可实现声波振动的探测及定位[8]。假设射入端光纤的光脉冲峰值功率为P（0），光脉冲沿着光纤传输到X处，在输入端的后向散射功率为PBS，在时刻t=2x/vg ，对应的后向散射功率PBS（t）为：
称η为后向散射因子，式（1）～（3）反映的是后向散射功率P与距离x、时间t的关系，截面一定时光的强度和功率成正比，即X处发生第三方力振动作用时对应的α发生变化，如果能测量出后向散射功率PBS则可对振动的位置x进行定位。
输出端O的光功率为：
（4）
式（4）中α（x）为前向损耗系数，积分表示X点至末端O的双程衰减，P（x，t）为X点的损耗向前传播的光功率P（x）随时间的变化，O为光纤长度。在输出端通过对光功率PO（t）的测量可以获得损耗变化的频谱特征，不同振动对应不同的频谱特征，因此可以根据频谱特征来判定引起损耗的原因和类型（机械振动或人为破坏等）。
分布式光纤声波监测技术可用于对物体产生或结构内传播的声波信号进行监测和监控，并可针对声波振动进行频率、相位和振幅的实时采集。DAS能够得到外界声场包括频率、相位和振幅的完整信息。当管道周围出现挖掘、打孔、蓄意破坏等外力振动行为时，都会产生不同频率特征的振动信号（如图1所示）。DAS可监测到管道沿线各个位置的振动信号，全面覆盖整个管道，实时显示整个光缆的振动信号分布曲线，当某处振动信号应变异常时，通过曲线可以显示该处实时信息，获得振动事件的时间、地点、事件趋势等信息，通过对振动波形分析和特征信号提取，并结合专家数据库和神经网络识别算法，可确定振动事件类型，对可能威胁管道安全运行的动土事件等外力入侵事件提前预警，保障管道运行安全。
3 DAS在供水管道安全监测的应用
3.1 DAS供水管道安全监测系统构成
天水市城区供水工程供水线路总长度92.401km，供水管道的DAS安全监测系统主要由传感光纤、光纤解调设备、后台监测软件及配套设备构成。
（1）传感光纤
传感光纤作为振动传感器而且其本身兼作通信光纤，实现传感一体。光纤分布式声波监测DAS可以实现最大测量距离为50公里/通道，采用1台2通道的DAS设备，将该设备放置于供水管道中间位置，每个通道各监测50公里长度，传感光缆沿管道方向并行敷设，位于管道（直径1.2m）顶部上方0.2m～0.3m处（见图2），可实现全供水管道覆盖的实时监测。
（2）光纤解调设备
光纤解调设备实现光信号与电信号的转换，將管道附近振动产生的光信号转换为后台监测软件可以处理与存储的电信号，本系统使用的解调设备如下：
（3）监测软件
监测软件通过对电信号的分析处理，实现供水管道附近振动的类型判定与振动位置定位，同时软件内置专门设计的故障类型识别算法（专家数据库与神经网络），提供振动类型识别与破坏类振动的安全告警，提供实时在线监测曲线与数据的存储，保证监测数据的可溯源，见图3。
3.2 DAS供水管道安全监测系统应用测试
供水管道附近出现人工/机械挖掘、垂直及水平机械钻等行为时，地表受到一个瞬时的激励，产生地震波向远处传播，振动信号随传播到达管道附近的传感光缆。为检测供水管道安全检测系统DAS对管道附近振动类型和位置定位的的有效性，对建成的DAS检测系统进行测试。在距离管道首端65m、距离管道轴线上方2.9m处上方施加不同类型（车辆通过、机械挖掘振动）的持续振动，后台监测软件输出的光强度分布和监测结果见图4：
系统测试结果：（1）当在管道上方经过机械挖掘作业时，监测软件根据振动的强度和频率输出管道沿线的振动曲线并进行定位，软件定位的振动位置为距离管道首端65.5m、距离管道轴线上方2.85m，监测软件的振动类型判别系统（专家数据库与神经网络算法）进行自动筛别，DAS监测软件持续报警，显示该位置的外力振动属于破坏型振动；2）当车辆（重型卡车和小型汽车）从管道上方经过时，监测软件根据振动的强度和频率输出管道沿线的振动曲线并进行定位，软件定位的振动位置为距离管道首端65.3m、距离管道轴线上方2.93m，监测软件的振动类型判别系统（专家数据库与神经网络算法）进行自动筛别，但DAS监测软件并未报警，显示该位置的外力振动属于正常振动，该监测系统有效地规避了正常振动引起的误报警。
结合DAS在天水市城区供水工程供水管道安全监测实际应用，该监测技术在长距离供水管道在线安全监测应用方面具有明显技术优势：
1）长距离分布式测量：可以实时测量光纤沿线任一点上的振动等分布信息，覆盖管道全线范围，无测量盲区，最大实时监测距离可达双向100km；
2）灵敏度高：监测系统对管道第三方破坏非常灵敏，可监测管线周围10米以内的机器挖掘以及5米以内的人工挖掘；
3）振动判别：监测系统振动类型判定系统采用专家数据库与神经网络算法，可以对振动类型自动进行算法识别，筛选出有危害性的破坏性振动进行后台告警，从而规避其他正常振动引起的误告警，较传统监测系统本文设计DAS管道安全监测系统提高了监测的效率；
4）安全可靠：分布式光纤传感器DAS采用光信号测量传输，抗电磁干扰性强，管道现场无需供电， 无需额外的数据传输设备；
5）使用寿命长：单模通信光纤本身就是传感器，“传”“感”合一，并且光纤寿命可达30年，可以长年累月的实时监测管道安全，后期维护成本低。
4 结语
本文对目前供水工程长距离供水管道实时安全监测技术进行了探讨，针对传统管道安全监测技术无法有效识别振动类型的问题，将专家数据库与神经网络算法应用于DAS技术中，设计的安全监测系统不仅实现了传统安全监测技术的故障（振动）告警与故障点定位，而且可以实现对故障（振动）点振动类型的判别。通过设计的DAS监测系统在天水市城区供水工程管道安全监测的实际应用测试可知，本系统能够有效实现对长距离供水管道实时安全监测，为供水管道安全稳定地发挥社会效益和经济效益提供技术保障。
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作者简介：李鹏（1980-），男（汉族），甘肃临洮人，工程师，学士，主要从事水利水电工程设计，电气