專利名稱：光纖安全預(yù)警信號識別裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種埋地管道或構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護預(yù)警的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，涉及機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于石油、天然氣、成品油、煤漿以及水等物質(zhì)來說，管道輸送是一種安全、經(jīng)濟以及高效的運輸方式，在全球運輸行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其在石油、成品油和天然氣這些具有易燃易爆和交易價值極高的能源物質(zhì)運輸中占有極為重要的位置，在我們國家，每年至少新建幾千公里的管道，可以說，管道是能源運輸?shù)拇髣用}。管道輸送的石油、成品油和天然氣既有極高的交易價值也有易燃易爆這一特性，管道一旦泄漏，泄漏區(qū)域極易發(fā)生燃燒爆炸，不僅影響管道行業(yè)的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，而且也嚴重威脅著周邊沿線人民群眾的財產(chǎn)與生命安全。另外，管道泄露對周邊生態(tài)環(huán)境造成的危害更是無法估量。
自從有了管道，也就有了來自外界的破壞。尤其是近些年來，油價上漲，在利益的驅(qū)動下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盜油、盜氣；基礎(chǔ)建設(shè)大量上馬，管道沿線施工工地隨處可見；此外，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，這些都時刻威脅著管道的生產(chǎn)安全，其中打孔盜油和非法施工成為威脅管道安全生產(chǎn)的首要因素。
據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國每年因外界破壞而造成的管道泄漏或爆炸上千余次，直接經(jīng)濟損失達幾億元，環(huán)境破壞和社會影響等間接損失更是無法估量。為防止外界對管道的破壞，管道運輸行業(yè)每年投入了大量的人力物力，但是仍然無法有效地預(yù)防和阻止破壞。管道運輸行業(yè)的安全生產(chǎn)形式非常嚴峻，尋找確保管道運輸安全生產(chǎn)的手段和方法已迫在眉睫。
隨著管道運輸行業(yè)的發(fā)展，各種管道運輸安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前已有的管道安全生產(chǎn)監(jiān)測技術(shù)主要有兩類。其一管道泄漏事件發(fā)生后的監(jiān)測技術(shù)，這種技術(shù)主要有“管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)和分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)”。管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)是實時采集管線中流體的流量、溫度和壓力等信號，進行管道泄漏檢測和定位，這種技術(shù)受到管道內(nèi)的流體特性、輸送工藝以及測試儀器的性能等因素限制，對管道泄漏監(jiān)測的靈敏度和定位精度較低，這類技術(shù)包括壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法。分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)是利用光纖的非線性特性(拉曼效應(yīng)和布里淵效應(yīng))實時采集管道泄漏的介質(zhì)對光纖的溫度影響和沖擊應(yīng)力來確定泄漏點的位置，這種技術(shù)受到光纜的結(jié)構(gòu)和光纜與泄漏點的距離限制而影響監(jiān)測效果。其二，管道破壞事件發(fā)生前的預(yù)防監(jiān)測技術(shù)，也就是管道破壞預(yù)警技術(shù)，目前已有的該類技術(shù)主要是“聲波技術(shù)監(jiān)測”，該技術(shù)是利用聲波沿管道傳輸原理，在每隔1公里左右安裝一個有源傳感器，拾取管道沿線的聲音信號加以分析，確定事件性質(zhì)，進而對破壞管道的事件提前發(fā)現(xiàn)，但是每一個傳感器件必須配備一套供電裝置和通信裝置，不僅增加設(shè)備的投資和維護成本，且這些設(shè)施本身也容易遭到破壞，使裝置不能正常運行。
針對現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，澳大利亞有專利提出基于馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀原理，用光纖傳感振動的技術(shù)方案。該發(fā)明對長距離的線目標(biāo)或大面積的面目標(biāo)的安全預(yù)警是一突破，但不足的是該發(fā)明之光路系統(tǒng)不穩(wěn)定，很難有效工作，且在信號的識別上也欠成熟。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是設(shè)計一種埋地管道、構(gòu)筑物或地面構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護預(yù)警的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)中配套的準確、可靠的光纖安全預(yù)警信號識別裝置。
本實用新型根據(jù)現(xiàn)有管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，提出一種與基于采用相位衰落控制和偏振衰落控制技術(shù)的雙馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀原理，形成了具有穩(wěn)定相位和穩(wěn)定偏振態(tài)的兩路同步干涉激光調(diào)制信號在干涉儀上相對傳輸并在干涉儀雙端拾取的光路結(jié)構(gòu)的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)中配套的信號識別技術(shù)。它是利用與管道同溝敷設(shè)或構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域周圍地下光纜中的普通通信光纖作為干涉儀的干涉臂和傳輸光纖，進而形成連續(xù)分布式的土壤振動檢測傳感器，拾取管道附近沿線土壤的振動信號。在光纖安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，本發(fā)明根據(jù)管道沿線土壤振動破壞事件發(fā)生機理和特點，采用多種手段綜合利用的信號識別原理，及時準確地識別出危害管道等被監(jiān)測目標(biāo)安全生產(chǎn)的土壤振動破壞事件的性質(zhì)和類別。
本實用新型的實現(xiàn)原理是在光纖安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，本發(fā)明根據(jù)管道沿線土壤振動破壞事件發(fā)生機理和特點，提出了采用專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、人工音頻偵聽和人工視覺偵辯三種手段綜合利用的信號識別原理，及時準確地識別出危害管道安全生產(chǎn)的土壤振動破壞事件。其一，把傳感器檢測的土壤振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，對其進行處理和變換，經(jīng)過特征值提取和專家系統(tǒng)(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，識別出土壤振動信號的類型和性質(zhì)；其二，把傳感器檢測的土壤振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，對其進行音頻信號處理，通過分析，進行遠傳或者本地人工偵聽，進一步確認土壤振動信號的類型和性質(zhì)；其三，把從光纖安全預(yù)警系統(tǒng)中定位系統(tǒng)獲得的土壤振動信號的定位值作為一個橫坐標(biāo)軸，把同一定位值出現(xiàn)的頻率次數(shù)作為另一個坐標(biāo)軸，把振動事件持續(xù)的時間作為顏色變化的趨勢，根據(jù)時間持續(xù)的長度，顏色按照一定的規(guī)律變化，通過分析，進行遠傳或者本地人工視覺偵辯，更進一步地確認土壤振動事件的類型和性質(zhì)。
本實用新型不但適用于管道的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，也適用于其它重要設(shè)施和重要區(qū)域的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，比如通信光纜、交通設(shè)施、文物保護區(qū)、軍械庫、重點機關(guān)和重要工業(yè)廠區(qū)等重要設(shè)施與區(qū)域的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)。
本實用新型的具體構(gòu)成如圖1所示，是在與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑物周圍地下的兩根光纖1、2及由合分波器203、合分波器204與光纖1、2組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀及激光器101的基礎(chǔ)上，光電信號處理電路302與光纖干涉儀連接，與光電信號處理電路302連接的特征信號提取模塊303與專家系統(tǒng)304連接后一并再與分析判斷系統(tǒng)305連接，分析判斷系統(tǒng)305與本地管理控制系統(tǒng)110連接；光電信號處理電路302輸出接有音頻緩存器307的音頻處理器306，音頻處理器306的一輸出接本地管理系統(tǒng)110，另一輸出接D/A309、放大電路310至音頻輸出設(shè)備311，同時本地管理系統(tǒng)110有一輸出直接接音頻輸出設(shè)備311。
為了對事件性質(zhì)判斷的更準確，光電信號處理電路302的另一輸出接定位系統(tǒng)106，定位系統(tǒng)106的輸出接視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308，視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308一輸出接本地管理控制系統(tǒng)110，另一路輸出接視覺輸出設(shè)備312后也接本地管理控制系統(tǒng)110，加入人工視覺偵辯；為了對事件發(fā)生發(fā)出警報，還可在本地管理控制系統(tǒng)110的輸出接本地報警108，進行本地報警，或可接通信系統(tǒng)113，遠傳報警。
光電檢測器把振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，光電信號處理電路302把檢測的電信號作濾波、放大和變換等技術(shù)處理。
特征信號提取模塊303把從光電信號處理電路302獲得的信號進行特征值提取，并送給分析判斷系統(tǒng)305，分析判斷系統(tǒng)305把信號的特征值與專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304破壞信號數(shù)據(jù)庫的特征值進行比對，比對結(jié)果不相似，則放棄而暫時緩存在專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304的緩存器中，相似，則送給本地管理控制系統(tǒng)110；另外，如果被放棄的振動事件經(jīng)過人工音頻偵聽和視覺偵辯后被確認確實是破壞事件，則本地管理控制系統(tǒng)110通知專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304把該事件的信號特征值存入破壞事件特征值數(shù)據(jù)庫中，形成自學(xué)能力。
音頻處理模塊306把從光電信號處理電路302獲得的信號進行音頻處理與變換，并送給音頻緩存器307，音頻緩存器307具有緩存一定時間長度音頻數(shù)據(jù)存儲能力。
視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308根據(jù)從定位系統(tǒng)106獲得的土壤振動信號的定位值作為一個橫坐標(biāo)軸，把同一定位值出現(xiàn)的頻率次數(shù)作為另一個坐標(biāo)軸，把振動事件持續(xù)的時間作為顏色變化的趨勢，根據(jù)時間持續(xù)的長度，顏色按照一定的規(guī)律變化，通過分析處理，并把分析結(jié)果送給本地管理系統(tǒng)110本地管理系統(tǒng)110根據(jù)分析判斷系統(tǒng)305的結(jié)果，即土壤振動信號與特征值庫的比較相似度的大小，去決定是否啟動音頻偵聽設(shè)備，并從音頻數(shù)據(jù)緩存庫307讀取音頻數(shù)據(jù)，送給D/A309、放大電路310和音頻輸出設(shè)備311，本地管理系統(tǒng)110從視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308的數(shù)據(jù)送到視覺輸出設(shè)備312，具有經(jīng)驗的維護人員可以根據(jù)音頻數(shù)據(jù)緩存器的緩存能力提前一段時間播放土壤振動信號的音頻聲音，并根據(jù)視覺輸出設(shè)備312觀察偵辯土壤振動信號的類型和性質(zhì)。本地管理系統(tǒng)110把識別結(jié)果送給通信系統(tǒng)113遠傳，當(dāng)然更可方便地進行本地報警。
本裝置的電原理構(gòu)成如圖2所示，光電信號處理電路302一路輸出接包括特征信號值提取模塊303、專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304和分析判斷系統(tǒng)305的特征信號處理主機303-1的輸入，特征信號處理主機303-1的輸出接本地管理系統(tǒng)110的輸入；本地管理系統(tǒng)110的一輸出接音頻輸出設(shè)備311的輸入，接自光電信號處理電路302輸出的音頻處理器306的輸出接音頻輸出設(shè)備311，本地管理系統(tǒng)110的一輸出直接接音頻處理器306。
如上所述，為了對事件性質(zhì)判斷的更準確，信號光電處理電路302的輸出還可接定位系統(tǒng)106的輸入，定位系統(tǒng)106的輸出接視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308的輸入，視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308一輸出接本地管理系統(tǒng)110，另一路輸出接視覺輸出設(shè)備312后也接本地管理系統(tǒng)110。
本裝置中光電信號處理電路302、特征信號值提取模塊303、專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304、分析判斷系統(tǒng)305、音頻處理模塊306、音頻緩存器307、視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308、D/A309、放大電路310、音頻輸出設(shè)備311、視覺輸出設(shè)備312、定位系統(tǒng)106、本地管理系統(tǒng)110、通信系統(tǒng)113均有通用的市銷產(chǎn)品可供選擇。


圖1光纖安全預(yù)警信號識別裝置原理框圖圖2光纖安全預(yù)警信號識別裝置電原理圖其中 106-定位系統(tǒng)110-本地管理控制系統(tǒng)113-通信系統(tǒng) 302-光電信號處理電路303-信號特征值提取模塊304-專家系統(tǒng)305-分析判斷系統(tǒng) 306-音頻處理模塊307-音頻緩存器308-視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)309-D/A 310-放大電路311-音頻輸出設(shè)備 312-視覺輸出設(shè)備具體實施方式
實施例.以本例來說明本實用新型的具體實施方式
并對本實用新型作進一步的說明。本例是一實驗樣機，其構(gòu)成如圖2所示。圖中粗連接線為光纖，細連接線為電線。具體構(gòu)成為光電信號處理電路302一路輸出接特征信號處理主機303-1的輸入，特征信號處理主機303-1的輸出接本地管理控制系統(tǒng)110的輸入；光電信號處理電路302的另一路輸出還可接定位系統(tǒng)106的輸入，定位系統(tǒng)106的輸出接視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308的輸入，視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308一輸出接本地管理控制系統(tǒng)110，另一路輸出接視覺輸出設(shè)備312后也接本地管理控制系統(tǒng)110；本地管理控制系統(tǒng)110的一輸出接音頻輸出設(shè)備311的輸入，光電信號處理電路302有輸出接音頻處理器306，音頻處理器306的輸出接音頻輸出設(shè)備311，本地管理系統(tǒng)110的一輸出直接接音頻處理器306，本地管理控制系統(tǒng)110的一輸出還可接通信系統(tǒng)113。這里特征信號處理主機303-1包括特征信號值提取模塊303、專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304和分析判斷系統(tǒng)305。
其中本地管理系統(tǒng)110選研祥工控機，型號PPC-1201(T)；定位系統(tǒng)106選美國NI儀器PXI-1042 8-Slot 3U CPUPXI-8196 P-M760 2.0G 512M I/OPXI-5124，2-Channel 12-Bit 200MHz；單頻激光器101選型號KOHERASADJUSTIK HP E15；合分波器203和合分波器204型號郎光公司的WDM-A-2×2-1550-1-FC/UPC-3*54；光電信號處理電路302通用兩路對稱光電放大電路，光輸入范圍-20～-45dBm，輸出范圍-3V～+3V；特征信號處理主機303-1包括特征信號值提取模塊303、專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))304和分析判斷系統(tǒng)305，該機型號為聯(lián)想萬全R630 G5 配4CPU 8M緩存 32G內(nèi)存，I/ONI PCI-E62511.25M 16channel 16bit；音頻處理模塊306和音頻緩存器307使用的是ATEIS(亞提斯)公司的音頻處理器，型號為UAP88；視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308是NI公司的PXI-1042 8-Slot 3U CPUPXI-8196 P-M760 2.0G 512M I/OPXI-5124，2-Channel 12-Bit 200MHz；D/A309、放大電路310、音頻輸出設(shè)備311是創(chuàng)新SBAudigy2 ZS Platinum Pro和愛得發(fā)公司的高保真音箱和耳機；視覺輸出設(shè)備312是HPMP3135DW；通信系統(tǒng)113使用的是HP Proliant DL380和3COM交換機通信系統(tǒng)113使用的是HP Proliant DL380和3COM交換機。
本地管理系統(tǒng)110的輸入口接收音頻處理模塊306輸出的事件音頻信號、分析處理系統(tǒng)305輸出的事件性質(zhì)信號及視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)308輸出的事件影像信號后，經(jīng)處理，由其輸出口I/O分別輸出事件音頻信號和事件性質(zhì)信號經(jīng)D/A 309、放大電路310、音頻輸出設(shè)備311，發(fā)出事件音頻信號和事件性質(zhì)指示，輸出事件影視信號經(jīng)視覺輸出設(shè)備312，提供事件影像；本地管理系統(tǒng)110的輸出可接本地報警，同時也可經(jīng)通信系統(tǒng)113向遠方發(fā)出報警信號。
本裝置配以光纖安全預(yù)警光路系統(tǒng)經(jīng)試用和測試，證明本裝置可以有效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號，及時準確地識別出危機管道安全生產(chǎn)的土壤振動破壞事件的性質(zhì)和類別，且對事件性質(zhì)的判定穩(wěn)定、可靠、無漏檢。
由上可見，本實用新型可以有效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號，并采用專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、人工音頻偵聽和人工視覺偵辯三種手段綜合利用的信號識別原理，及時準確地識別出危害管道安全生產(chǎn)的土壤振動破壞事件；且對事件性質(zhì)的判定準確、穩(wěn)定、可靠、無漏檢；解決了埋地管道、構(gòu)筑物或地面構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域免受破壞的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)的信號識別問題。
權(quán)利要求1.一種埋地管道或構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護預(yù)警的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，包括與管道同溝敷設(shè)或敷于構(gòu)筑物周圍地下的三根光纖[1]、[2]、[3]及由合分波器[203]、合分波器[204]與光纖[1]、[2]組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀及激光器[101]，其特征是光電信號處理電路[302]與光纖干涉儀連接，與光電信號處理電路[302]連接的特征信號提取模塊[303]與專家系統(tǒng)[304]連接后一并再與分析判斷系統(tǒng)[305]連接，分析判斷系統(tǒng)[305]與本地管理系統(tǒng)[110]連接；光電信號處理電路[302]輸出接有音頻緩存器[307]的音頻處理器[306]，音頻處理器[306]的一輸出接本地管理系統(tǒng)[110]，另一輸出接D/A[309]、放大電路[310]至音頻輸出設(shè)備[311]，同時本地管理系統(tǒng)[110]有一輸出直接接音頻輸出設(shè)備[311]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，其特征是光電信號處理電路[302]一路輸出接包括特征信號值提取模塊[303]、專家系統(tǒng)(或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))[304]和分析判斷系統(tǒng)[305]的特征信號處理主機[303-1]的輸入，特征信號處理主機[303-1]的輸出接本地管理系統(tǒng)[110]的輸入；本地管理系統(tǒng)[110]的一輸出接音頻輸出設(shè)備[311]的輸入，接自光電信號處理電路[302]輸出的音頻處理器[306]的輸出接音頻輸出設(shè)備[311]，本地管理系統(tǒng)[110]的一輸出直接接音頻處理器[306]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，其特征是信號光電處理電路[302]的輸出還可接定位系統(tǒng)[106]的輸入，定位系統(tǒng)[106]的輸出接視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[308]的輸入，視覺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[308]一輸出接本地管理控制系統(tǒng)[110]，另一路輸出接視覺輸出設(shè)備[312]后也接本地管理控制系統(tǒng)[110]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，其特征是本地管理系統(tǒng)[110]的輸出接有通信系統(tǒng)[113]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖安全預(yù)警信號識別裝置，其特征是本地管理系統(tǒng)[110]的輸出接有本地報警。
專利摘要本實用新型是一種埋地管道或構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護預(yù)警的光纖安全預(yù)警信號識別裝置。它是光纖干涉儀的輸出接光電信號處理電路[302]，與光電信號處理電路[302]連接的特征信號提取模塊[303]與專家系統(tǒng)[304]連接后一并再與分析判斷系統(tǒng)[305]連接，分析判斷系統(tǒng)[305]與本地管理系統(tǒng)[110]連接；光電信號處理電路[302]輸出接有音頻緩存器[307]的音頻處理器[306]，音頻處理器[306]的一輸出接本地管理系統(tǒng)[110]，另一輸出接D/A[309]、放大電路[310]至音頻輸出設(shè)備[311]，同時本地管理系統(tǒng)[110]有一輸出直接接音頻輸出設(shè)備[311]。本實用新型可以有效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號，對事件性質(zhì)的判定準確、穩(wěn)定、可靠、無漏檢。
文檔編號F17D5/00GK2929439SQ20062012426
公開日2007年8月1日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者張金權(quán), 王小軍, 焦書浩, 王飛, 方德學(xué), 霍峰, 王贏, 倪明 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局