专利名称：光纤安全预警信号识别系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安 全预警信号识别系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
对于石油、天然气、成品油、煤浆以及水等物质来说，管道输送是一种安全、 经济以及高效的运输方式，在全球运输行业中发挥着越来越重要的作用，尤其在 石油、成品油和天然气这些具有易燃易爆和交易价值极高的能源物质运输中占有 极为重要的位置，在我们国家，每年至少新建几千公里的管道，可以说，管道是 能源运输的大动脉。管道输送的石油、成品油和天然气既有极高的交易价值也有 易燃易爆这一特性，管道一旦泄漏，泄漏区域极易发生燃烧爆炸，不仅影响管道 行业的安全生产，造成巨大的经济损失，而且也严重威胁着周边沿线人民群众的 财产与生命安全。另外，管道泄露对周边生态环境造成的危害更是无法估量。
自从有了管道，也就有了来自外界的破坏。尤其是近些年来，油价上涨，在
利益的驱动下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盗油、盗气；基础建设大量上 马，管道沿线施工工地随处可见；此外，滑坡、泥石流等自然灾害频频发生，这 些都时刻威胁着管道的生产安全，其中打孔盗油和非法施工成为威胁管道安全生 产的首要因素。
据不完全统计，仅我国每年因外界破坏而造成的管道泄漏或爆炸上千余次， 直接经济损失达几亿元，环境破坏和社会影响等间接损失更是无法估量。为防止 外界对管道的破坏，管道运输行业每年投入了大量的人力物力，但是仍然无法有 效地预防和阻止破坏。管道运输行业的安全生产形式非常严峻，寻找确保管道运 输安全生产的手段和方法已迫在眉睫。
随着管道运输行业的发展，各种管道运输安全监测技术也在不断发展，目前 已有的管道安全生产监测技术主要有两类。其一管道泄漏事件发生后的监测技 术，这种技术主要有"管内流体力学状态检测技术和分布式光纤温度和应力监测 技术"。管内流体力学状态检测技术是实时釆集管线中流体的流量、温度和压力 等信号，进行管道泄漏检测和定位，这种技术受到管道内的流体特性、输送工艺 以及测试仪器的性能等因素限制，对管道泄漏监测的灵敏度和定位精度较低，这 类技术包括压力梯度法、负压力波法、流量平衡法。分布式光纤温度和应力监测技术是利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集管道泄漏的 介质对光纤的温度影响和冲击应力来确定泄漏点的位置，这种技术受到光缆的结 构和光缆与泄漏点的距离限制而影响监测效果。其二，管道破坏事件发生前的预 防监测技术，也就是管道破坏预警技术，目前已有的该类技术主要是"声波技术 监测"，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔l公里左右安装一个有源传 感器，拾取管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道的事 件提前发现，但是每一个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，不仅增加 设备的投资和维护成本，且这些设施本身也容易遭到破坏，使装置不能正常运行。 针对现有的管道安全监测技术存在的问题，澳大利亚有专利提出基于马赫-
曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理,用光纤传感振动的技术方案。该发明对长 距离的线目标或大面积的面目标的安全预警是一突破,但不足的是该发明之光路 系统不稳定,很难有效工作，且在信号的识别上也欠成熟。
发明内容
本发明的目的是发明一种埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域 的安全保护预警的光纤安全预警系统中配套的准确、可靠的光纤安全预警信号识 别系统。
本发明根据现有管道安全监测技术存在的问题，提出一种与基于采用相位衰 落控制和偏振衰落控制技术的双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，形 成了具有稳定相位和稳定偏振态的两路同.步干涉激光调制信号在干涉仪上相对传 输并在干涉仪双端拾取的光路结构的光纤安全预警系统中配套的信号识别技术。 它是利用与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的普通通信 光纤作为干涉仪的干涉臂和传输光纤，进而形成连续分布式的土壤振动检测传感 器，拾取管道附近沿线土壤的振动信号。在光纤安全预警系统技术基础上，本发 明根据管道沿线土壤振动破坏事件发生机理和特点，采用多种手段综合利用的信 号识别原理，及时准确地识别出危害管道等被监测目标安全生产的土壤振动破坏 事件的性质和类别。
本发明的实现原理是
在光纤安全预警系统技术基础上，本发明根据管道沿线土壤振动破坏事件发 生机理和特点，提出了釆用专家系统(或神经网络)、人工音频侦听和人工视觉侦 辩三种手段综合利用的信号识别原理，及时准确地识别出危害管道安全生产的土 壤振动破坏事件。其一，把传感器检测的土壤振动信号转化为电信号，对其进行
处理和变换，经过特征值提取和专家系统(神经网络)，识别出土壤振动信号的类
型和性质；其二，把传感器检测的土壤振动信号转化为电信号，对其进行音频信 号处理，通过分析，进行远传或者本地人工侦听，进一步确认土壤振动信号的类 型和性质；其三，把从光纤安全预警系统中定位系统获得的土壤振动信号的定位
值作为一个横坐标轴，把同一定位值出现的频率次数作为另一个坐标轴，把振动 事件持续的时间作为颜色变化的趋势，根据时间持续的长度，颜色按照一定的规 律变化，通过分析，进行远传或者本地人工视觉侦辩，更进一步地确认土壤振动 事件的类型和性质。
本发明不但适用于管道的光纤安全预警系统，也适用于其它重要设施和重要
区域的光纤安全预警系统，比如通信光缆、交通设施、文物保护区、军械库、 重点机关和重要工业厂区等重要设施与区域的光纤安全预警系统。
本发明的具体构成如图l所示，是在与管道同沟敷设或敷于构筑物周围地下的 两根光纤l、 2及由合分波器203、合分波器204与光纤1、 2组成马赫-曾德 (Mach-Zehnder )光纤干涉仪及激光器101的基础上，光电信号处理电路302 与光纤干涉仪连接，与光电信号处理电路302连接的特征信号提取模块303与专家 系统304连接后一并再与分析判断系统305连接，分析判断系统305与本地管理控 制系统IIO连接;光电信号处理电路302输出接有音频缓存器307的音频处理器306， 音频处理器306的一输出接本地管理系统110 ，另一输出接D/A309 、放大电路310 至音频输出设备311，同时本地管理系统110有一输出直接接音频输出设备311。
为了对事件性质判断的更准确，光电信号处理电路302的另一输出接定位系 统106,定位系统106的输出接视觉数据分析系统308,视觉数据分析系统308—输 出接本地管理控制系统110，另一路输出接视觉输出设备312后也接本地管理控制 系统IIO，加入人工视觉侦辩；为了对事件发生发出警报，还可在本地管理控制系 统110的输出接本地报警108，进行本地报警，或可接通信系统113,远传报警。
光电检测器把振动信号转化为电信号，光电信号处理电路302把检测的电信 号作滤波、放大和变换等技术处理。
特征信号提取模块303把从光电信号处理电路302获得的信号进行特征值提
取，并送给分析判断系统305,分析判断系统305把信号的特征值与专家系统(或 神经网络)304破坏信号数据库的特征值进行比对，比对结果不相似，则放弃而暂 时缓存在专家系统(或神经网络)304的缓存器中，相似，则送给本地管理控制系 统110;另外，如果被放弃的振动事件经过人工音频侦听和视觉侦辩后被确认确实 是破坏事件，则本地管理控制系统110通知专家系统(或神经网络)304把该事件
的信号特征值存入破坏事件特征值数据库中，形成自学能力。
音频处理模块306把从光电信号处理电路302获得的信号进行音频处理与变 换，并送给音频缓存器307,音频缓存器307具有缓存一定时间长度音频数据存储 能力。
视觉数据分析系统308根据从定位系统106获得的土壤振动信号的定位值作 为一个横坐标轴，把同一定位值出现的频率次数作为另一个坐标轴，把振动事件 持续的时间作为颜色变化的趋势，根据时间持续的长度，颜色按照一定的规律变 化，通过分析处理，并把分析结果送给本地管理系统IIO
本地管理系统110根据分析判断系统305的结果，即土壤振动信号与特征值 库的比较相似度的大小，去决定是否启动音频侦听设备，并从音频数据缓存库307 读取音频数据，送给D/A309、放大电路310和音频输出设备311，本地管理系统110 从视觉数据分析系统308的数据送到视觉输出设备312,具有经验的维护人员可以 根据音频数据缓存器的缓存能力提前一段时间播放土壤振动信号的音频声音，并 根据视觉输出设备312观察侦辩土壤振动信号的类型和性质。本地管理系统110把 识别结果送给通信系统113远传，当然更可方便地进行本地报警。
本发明的电原理构成如图2所示，光电信号处理电路302—路输出接包括特 征信号值提取模块303、专家系统(或神经网络)304和分析判断系统305的特征 信号处理主机303-1的输入，特征信号处理主机303-1的输出接本地管理系统110 的输入；本地管理系统110的一输出接音频输出设备311的输入，接自光电信号处 理电路302输出的音频处理器306的输出接音频输出设备311，本地管理系统110的 一输出直接接音频处理器306。
如上所述，为了对事件性质判断的更准确，信号光电处理电路302的输出还可 接定位系统106的输入，定位系统106的输出接视觉数据分析系统308的输入,视觉 数据分析系统308—输出接本地管理控制系统110,另 一路输出接视觉输出设备 312后也接本地管理控制系统110。
本系统中光电信号处理电路302、特征信号值提取模块303、专家系统(或 神经网络)304 、分析判断系统305、音频处理模块306、音频缓存器307、视觉 数据分析系统308 、 D/A309、放大电路310、音频输出设备311、视觉输出设备312、 定位系统106、本地管理系统IIO、通信系统113均有通用的市销产品可供选择。
图1光纤安全预警信号识别系统原理框图
图2光纤安全预警信号识别系统电原理图
其中106—定位系统 113—通信系统 303—信号特征值提取模块 305—分析判断系统 307—音频缓存器 309—D/A
311—音频输出设备
IIO—本地管理控制系统 302—光电信号处理电路 304—专家系统 306—音频处理模块 308—视觉数据分析系统 310—放大电路 312—视觉输出设备
具体实施例方式
实施例.以本例来说明本发明的具体实施方式
并对本发明作进一步的说明。 本例是一实验样机，其构成如图2所示。图中粗连接线为光纤，细连接线为电线。 具体构成为光电信号处理电路302—路输出接特征信号处理主机303-l的输入， 特征信号处理主机303-1的输出接本地管理控制系统110的输入；光电信号处理电 路302的另一路输出还可接定位系统106的输入，定位系统106的输出接视觉数据 分析系统308的输入，视觉数据分析系统308—输出接本地管理控制系统110,另一 路输出接视觉输出设备312后也接本地管理控制系统110;本地管理控制系统110 的一输出接音频输出设备311的输入，光电信号处理电路302有输出接音频处理器 306，音频处理器306的输出接音频输出设备311，本地管理系统110的一输出直接 接音频处理器306，本地管理控制系统110的一输出还可接通信系统113。这里特征 信号处理主机303-l包括特征信号值提取模块303、专家系统(或神经网络)304 和分析判断系统305。
其中本地管理系统110:选研祥工控机，型号PPC-1201 (T);定位系统106:选 美国NI仪器PXI-1042 8-Slot 3U CPU: PXI-8196 P-M760 2. 0G 512M 1/0: PXI-5124, 2- Channel 12-Bit 200 MHz;单频激光器101选型号K0HERAS ADJUSTIK HP E15;合分波器203和合分波器204型号郎光公司的WDM-A-2 x 2-1550-1- 071^(:-3*54;光电信号处理电路302:通用两路对称光电放大电路，光 输入范围-20~-45dBm，输出范围-3V~+3V;特征信号处理主机303-1包括特 征信号值提取模块303、专家系统(或神经网络)304和分析判断系统305,该机 型号为联想万全R630 G5 配4CPU 8M缓存 32G内存，1/0:NI PCI-E6251 1. 25M 16cha皿el 16bit;音频处理模块306和音频缓存器307:使用的是ATEIS (亚提斯) 公司的音频处理器,型号为UAP88;视觉数据分析系统308:是NI公司的PXI-1042 8-Slot 3U CPU:PXI-8196 P-M760 2. 0G 512M I/O: PXI-5124, 2- Channel 12-Bit 200 MHz; D/A309、放大电路310、音频输出设备311:是创新SBAudigy2 ZS Platinum Pro和爱得发公司的高保真音箱和耳机；视觉输出设备312:是 HPMP3135DW;通信系统113使用的是HP Proliant DL380和3COM交换机通信系 统113使用的是HP Proliant DL380和3COM交换机。
本地管理系统110的输入口接收音频处理模块306输出的事件音频信号、分 析处理系统305输出的事件性质信号及视觉数据分析系统308输出的事件影像信 号后,经处理，由其输出口 1/0分别输出事件音频信号和事件性质信号经D/A 309、 放大电路310、音频输出设备311，发出事件音频信号和事件性质指示，输出事件 影视信号经视觉输出设备312，提供事件影像；本地管理系统110的输出可接本地 报警,同时也可经通信系统113向远方发出报警信号。
本系统配以光纤安全预警光路系统经试用和测试，证明本系统可以有效检测 光缆附近3米以内的任何土壤振动信号，及时准确地识别出危机管道安全生产的 土壤振动破坏事件的性质和类别，且对事件性质的判定稳定、可靠、无漏检。
由上可见，本发明可以有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号，并采 用专家系统(或神经网络)、人工音频侦听和人工视觉侦辩三种手段综合利用的信 号识别原理，及时准确地识别出危害管道安全生产的土壤振动破坏事件；且对事 件性质的判定准确、稳定、可靠、无漏检；从根本上解决了埋地管道、构筑物或 地面构筑物、重要设施与区域免受破坏的光纤安全预警系统的信号识别问题。
权利要求
1.一种埋地管道或构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警信号识别系统，包括与管道同沟敷设或敷于构筑物周围地下的三根光纤[1]、[2]、[3]及由合分波器[203]、合分波器[204]与光纤[1]、[2]组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪及激光器[101]，其特征是光电信号处理电路[302]与光纤干涉仪连接，与光电信号处理电路[302]连接的特征信号提取模块[303]与专家系统[304]连接后一并再与分析判断系统[305]连接，分析判断系统[305]与本地管理系统[110]连接；光电信号处理电路[302]输出接有音频缓存器[307]的音频处理器[306]，音频处理器[306]的一输出接本地管理系统[110]，另一输出接D/A[309]、放大电路[310]至音频输出设备[311]，同时本地管理系统[110]有一输出直接接音频输出设备[311]。
2. 根据权利要求1所述的光纤安全预警信号识别系统,其特征是光电信号处 理电路[302] —路输出接包括特征信号值提取模块[303]、专家系统(或神经网络) [304]和分析判断系统[305]的特征信号处理主机[303-l]的输入，特征信号处理 主机[303-l]的输出接本地管理系统[110]的输入；本地管理系统[110]的一输出 接音频输出设备[311]的输入，接自光电信号处理电路[302]输出的音频处理器 [306]的输出接音频输出设备[311]，本地管理系统[110]的一输出直接接音频处 理器[306]。
3. 根据权利要求l或2所述的光纤安全预^j言号识别系统，其特征是信号光电 处理电路[302]的输出还可接定位系统[106]的输入定位系统[106]的输出接视 觉数据分析系统[308]的输入，视觉数据分析系统[308] —输出接本地管理控制系 统[IIO]，另一路输出接视觉输出设备[312]后也接本地管理控制系统[110]。
4. 根据权利要求1或2所述的光纤安全预警信号识别系统，其特征是本地管理 系统[IIO]的输出接有通信系统[113]。
5. 根据权利要求1或2所述的光纤安全预警信号识别系统,其特征是本地管理 系统[IIO]的输出接有本地报警。
全文摘要
本发明是一种埋地管道或构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的光纤安全预警信号识别系统。它是光纤干涉仪的输出接光电信号处理电路[302]，与光电信号处理电路[302]连接的特征信号提取模块[303]与专家系统[304]连接后一并再与分析判断系统[305]连接，分析判断系统[305]与本地管理系统[110]连接；光电信号处理电路[302]输出接有音频缓存器[307]的音频处理器[306]，音频处理器[306]的一输出接本地管理系统[110]，另一输出接D/A[309]、放大电路[310]至音频输出设备[311]，同时本地管理系统[110]有一输出直接接音频输出设备[311]。本发明可有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号，对事件性质的判定准确、稳定、可靠、无漏检。
文档编号G01P15/00GK101097282SQ200610090600
公开日2008年1月2日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者明 倪, 张金权, 方德学, 焦书浩, 赢 王, 飞 王, 王小军, 峰 霍 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油天然气管道局