浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(6): 1057-1070 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.06.005

土木与建筑工程

基于分布式光纤传感的地下管线监测研究综述

吴海颖,, 朱鸿鹄,, 朱宝, 齐贺

Review of underground pipeline monitoring research based on distributed fiber optic sensing

WU Hai-ying,, ZHU Hong-hu,, ZHU Bao, QI He

通讯作者: 朱鸿鹄，男，教授. orcid. org/0000-0002-1312-0410. E-mail： zhh@nju.edu.cn

收稿日期: 2018-06-19  

Received: 2018-06-19  

作者简介 About authors

吴海颖（1996—），男，硕士生，从事地质工程研究.orcid.org/0000-0002-3059-0318.E-mail：why@smail.nju.edu.cn , E-mail：why@smail.nju.edu.cn

摘要

概述地下管线在国民经济和国防建设中的重要作用以及管道失效可能带来的严重后果. 指出分布式光纤传感（DFOS）技术能够对地下管线进行实时监测，为其结构健康和安全运营提供保障. 介绍基于分布式光纤传感技术的地下管线监测原理，阐述该技术在管线泄漏监测、第三方入侵监测、变形监测、腐蚀监测、地质与自然灾害监测和海底管道监测等方面的研究进展.分析当前研究中存在的问题、当下的研究热点以及今后的研究趋势.

关键词： 分布式光纤传感（DFOS） ; 地下管线 ; 变形 ; 泄漏 ; 腐蚀 ; 第三方入侵

Abstract

Outline the important role of underground pipelines in national economy and defense construction, as well as the possible serious consequences of pipeline failure. Point out that the real-time monitoring of underground pipelines by using distributed fiber optic sensing (DFOS) technology can guarantee the structural health and safe operation of pipelines. Introduce the pipeline monitoring principle based on DFOS technology, and the research progress of DFOS technology in pipeline leakage monitoring, third party intrusion monitoring, deformation monitoring, corrosion monitoring, geological and natural disaster monitoring and submarine pipeline monitoring. Analyze some existing problems and hot topics in the current research, as well as the future research trend.

Keywords： distributed fiber optic sensing (DFOS) ; underground pipeline ; deformation ; leakage ; corrosion ; third party intrusion

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吴海颖, 朱鸿鹄, 朱宝, 齐贺. 基于分布式光纤传感的地下管线监测研究综述. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(6): 1057-1070 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.06.005

WU Hai-ying, ZHU Hong-hu, ZHU Bao, QI He. Review of underground pipeline monitoring research based on distributed fiber optic sensing. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(6): 1057-1070 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.06.005

作为一种用途广泛的输送装置，管线广泛应用于市政工程和各种工业装置中，在国民经济和国防建设中发挥着不可或缺的作用. 其中，市政管道按其功能主要分为给水、排水、燃气、热力、电力和电信六大类，是城市的重要基础设施. 管线运输具有安全、便捷、经济的特点，如今全世界有数百万公里的管线被用来运输大量的淡水、燃料、原油和天然气. 在中东地区，管线甚至被看作国民经济的命脉.

管线一般埋于地下一定深度处，属于隐蔽性工程. 管线在地下纵横交错、交叉重叠，远距离输送着大量流体，管线所处的地质环境、所受的工作荷载复杂多变. 例如，沙特阿拉伯的首都利雅得市的供水就依赖于地下管线，数百公里的地下管线穿过沙漠，连接着城市与遥远的水源；俄罗斯每天通过地下管线向白俄罗斯、乌克兰、德国、波兰等国出口近130万桶原油[1]；我国则有西气东输和南水北调这样的大型工程，通过长距离的地下管道运输，实现了资源的跨区域调配，带动了各地区经济共同发展，改善了管道沿线地区人民的生活质量.

地下管线与国民经济、人民生活息息相关，但管线可能由于各种自然或人为因素而失效，不仅会造成严重的资源损失和环境污染，还可能带来重大的人身伤亡事故. 例如，2010年美国加州圣布鲁诺市某处地下天然气管道发生爆炸，造成了8人死亡和58人受伤[2]. 2014年，台湾高雄一处丙烯管道发生泄漏，造成32人死、321人伤[3]. 2017年7月，贵州晴隆沙子段天然气输气管道发生爆炸，造成8人死亡，35人受伤. 在此背景下，近年来人们对地下管线事故的关注与日俱增，管线基础设施的安全评估和维护成为亟待解决的社会问题之一[4].

为了能够有效预防地下管线老化、损毁，保障其长期稳定运行甚至延长使用期限，需要对地下管线进行在线监测，探明其存在的缺陷并进行及时的维修. 然而地下管线作为一项隐蔽性工程，其工作状态很难被察觉. 如何兼顾经济性和可靠性，有效地进行管道监测及预警一直是工程界的关注点之一. 在国外，各类地下管线监测技术得到了广泛的应用，部分发达国家立法要求地下管线必须配备有效的监测系统[5]. 近期国内外学者对于地下管线监测技术讨论颇多[6-8]，也陆续开展了针对不同监测方法的研究工作[9-12]，在现场也有不少应用研究案例[13-14]. 总的来说，地下管线的常规监测方法可分为3类，即生物法、硬件法和软件法[15]，3类方法有各自的优势和不足，如表1所示. 大多数方法都存在着相同的问题，就是都具有一定的应用周期，只能对管线进行定期检测，无法及时识别地下管线的突发性事故，如何确保地下管线的安全仍然面临着巨大的挑战[16]. 若能实时、在线地监测地下管线变化，及时发现潜在的问题并精确定位，就可以实现有效预警、迅速采取措施，减少地下管线安全事故带来的经济损失和人员伤亡.

表 1   常规地下管线监测方法对比

Tab.1  Comparison of conventional monitoring methods for underground pipelines

监测方法 方法简述 优势 不足
生物法 主要是利用人或动物沿管线方向长期监视其附近气味或声音等方面异常情况，是一种常规的监测方法 直接准确，反馈及时 实时性差，会耗费大量人力物力
硬件法 主要是通过电学监测器、声学监测器、气体监测器、压力监测器等获取地下管线的温度、声音、压力等信息，从而判断地下管线是否正常运行 实时监测，种类多样 监测范围受到限制，难以精确、定量地分析地下管线变化，难以直观地衡量监测指标
软件法 利用软件系统提供的流量、压力、温度等数据，通过体积平衡、动力模型和压力点分析软件来监测地下管线的动态变化 方法科学，计算迅速，监测结果
非常清晰直观 		难以保证数据来源的准确性和精确度以及地下管线动态变化模型的可靠度

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分布式光纤传感（distributed fiber optic sensing，DFOS）技术是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型传感技术. DFOS技术具有感测距离长、无源、抗干扰性强、耐久性和匹配性好、易组网等优点，已成为实现分布式监测的首选技术[17-18]. 近些年来，随着国内外对该技术的不断研究，其应用领域不断扩大，在地下管线监测方面显示出巨大的潜力. 作为一种硬件法与软件法结合的监测方法，DFOS技术同时拥有2种方法的优点，并且弥补了两者的缺陷. 光纤寿命可达30年以上，能长年累月地监控管线安全，后期维护成本低. 在监测过程中，光纤既是信号传输介质，又作为监测传感器，真正做到了“传”、“感”一体，能够快速、准确地监测到地下管线的微小变化，结合监测软件，可对其作出清晰判断，实现有效预警，因此该技术的应用前景十分广阔[19].

本文从基于DFOS的地下管线监测的技术原理、监测系统的构成以及当下的研究热点等方面，总结和评价国内外的研究进展，并对研究中存在的问题，以及今后的发展趋势提出建议.

1. 技术原理和监测系统概述

1.1. 技术原理

目前，应用于地下管线监测的DFOS技术主要包括：光纤布拉格光栅技术（fiber bragg grating, FBG）、基于布里渊散射原理的布里渊散射光时/频域反射分析技术（Brillouin optical time-domain reflectometer, BOTDR；Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA；Brillouin optical frequency domain analysis, BOFDA）、基于拉曼散射原理的拉曼散射光时/频域反射或技术（Raman optical time-domain reflectometer, ROTDR; Raman optical frequency domain reflectometer, ROFDR）和基于瑞利散射原理的瑞利散射光时域反射/相位变化技术（optical time-domain reflectometer, OTDR; phase optical time-domain reflectometer, Φ-OTDR）等. 这几种传感技术因各自原理及传感方式上的差异，在地下管线监测方面有着各自的特点[20]，如表2所示. DFOS技术主要通过感知温度、应变或振动的变化来实现管道的实时监测，因此也可将其划分为分布式温度传感技术（distributed temperature sensing，DTS）、分布式应变传感技术（distributed strain sensing，DSS）和分布式振动传感技术（distributed acoustic sensing，DAS）三大类.

表 2   地下管线监测中常用的分布式光纤传感（DFOS）技术及其特点

Tab.2  Typical distributed fiber optic sensing （DFOS） technologies in underground pipeline monitoring and their features

传感技术 基本原理 感测参量 优势 局限性
FBG 相长干涉 应变、温度 轻便易携带，可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、分辨率高，测量精度可达1 με/0.1 °C 准分布式测量，存在漏检的可能，高温下光栅有消退现象，裸传感器易受损
ROTDR 拉曼散射光时域反射 温度 单端测量，仅对温度敏感，温度监测精度可达到±0.5 °C，单线测量长度最高可达6 km 空间分辨率相对较低，一般为1 m
ROFDR 拉曼散射光频域反射 温度 单端测量，仅对温度敏感，最小温度分辨率达到0.01 °C，空间分辨率可达到0.25 m，测试距离最大可达40 km 光源相干性和器件要求高，光路实现困难
BOTDR 自发布里渊散射光时域反射 应变、温度 单端测量，无需回路，工程适用性好，可测绝对温度和应变，测量距离最长可达80 km 测量时间较长，精度不高，空间分辨率较低，一般为1 m
BOTDA 受激布里渊散射光时域分析 应变、温度 双端测量，动态范围大，测试时间短，精度高，空间分辨率高达0.1 m，可测绝对温度和应变，测试距离可达25 km 不可测断点，双端测量风险高
BOFDA 受激布里渊散射光频域分析 应变、温度 双端测量，信噪比高，动态范围大，测量时间段，精度高，空间分辨率高达0.03 m，可测绝对温度和应变，测试距离可达25 km 不可测断点，双端测量风险高
OTDR 瑞利散射光时域反射 压力、振动 可精确测量光纤的光损点和断点位置，可实现结构物开裂的定位，测试距离可达40 km 受干扰因素多，测量精度相对较低，空间分辨率仅为1 m
Φ-OTDR 瑞利散射光相位变化 振动 单端测量，可感知光纤周围的微弱振动，抗电磁干扰，灵敏度高，空间分辨率达0.3 m，监测距离可达50 km 极为敏感，易误报

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总的来说，DFOS技术具有可靠、安全、稳定、经济、易于升级的优点，在地下管线安装时，只需附加一根光纤，铺设在管道表面或其内部，就能以最低的成本，基于温度、应变或振动的微小变化，实现地下管线的功能和结构健康监测. 光纤既是传导介质，又是传感器，一根光纤就相当于很多个稳定的监测点，因此能够轻易做到地下管线的分布式监测.

虽然DFOS技术已经经历了几十年的发展，已经成为一项成熟的技术，但其在近十年来才逐渐形成完善的监测体系，而且由于其尚未纳入相关的国家规范或行业标准，在实际的工程项目中，大多数人仍比较倾向于选择传统的监测方式. 目前，DFOS技术还未成为主流的监测手段，但正在地下管线工程、桥梁工程和隧道工程等领域逐渐得到应用，并且不断得到更多人的认可. 值得一提的是，美国材料试验协会（ASTM）过去几年颁布了2部相关的标准（ASTM F3079-14和ASTM F3092-14），为光纤传感系统的标准化提供了重要的借鉴，大大促进了DFOS技术的推广，使其未来有望在更多的工程应用中发挥巨大作用.

1.2. 监测系统

要利用分布式光纤传感技术进行地下管线监测，只有传感光纤是远远不够的，而是需要一个连续、实时的监测系统. 一个完备的分布式光纤地下管线监测系统主要包括光纤传感器、解调仪、服务器、监控终端等. 如果把光纤比作神经，把仪器比作大脑，监测系统则是躯干. 传感器通常是与地下管线一起安装的标准单模光纤通信光缆，光纤传感器以地下管线为感知对象，将管道的应变、温度或振动的微小变化以光信号的形式传输到解调仪；而解调仪通过相应的解调软件，分析并且记录下其接收的数据信息；数据通过服务器传输到监控终端，从而最终实现地下管线的实时监测与有效预警，如图1所示.

图 1

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图 1   基于DFOS技术的地下管线监测系统概念图

Fig.1   Concept map of underground pipeline monitoring system based on DFOS technology


近年来，瑞士、美国、巴西等一些国家在大规模进行DFOS工程监测系统的研发、改进和推广，并且取得了较大的成果，如美国的Micron Optics和Luna Innovations系统、瑞士的DITEST AIM系统、英国的Silixa iPSS系统等. 例如，瑞士Omnisens公司开发了Lynx系统，针对分布式光纤管道监测需求，通过单独或组合使用DITEST和DIVA两种主机，实时连续地监测、定位以及描述出光纤监测范围内细微的温度、应变和振动变化；配合监测软件平台，可对检测到的事件进行智能分析、预警，防止误报行为. 目前，这些监测系统在中东、美洲、西欧众多国家的地下管线监测中得到了大规模应用，如意大利 Rimini 地区埋地天然气管道、库页岛-哈巴罗夫斯克-海参崴管道（1 822 km）、秘鲁跨安第斯山脉液化天然气管道（408 km）和柏林盐水管道（55 km）等.

在国内，南京大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、重庆大学、浙江大学和天津大学等高校和一些研发机构也在进行分布式光纤传感器以及监测系统的开发. 同时，该类监测系统开始逐渐被应用于国内的重要一些地下管线项目中，进行管道泄漏、地层移动等方面的监测，如总长64 km的重庆武陵山天然气管道.

分布式光纤监测系统的核心是解调仪，一台功能强大的解调仪十分昂贵，价格甚至高达几十或上百万. 目前我国管道监测工程的需求量很大，但使用的大部分解调仪是进口的，仅有中国电科集团41所等少数几家国内单位掌握了核心技术，近年来研发了能和国外产品相抗衡的国产化设备. 在基于DFOS的地下管线监测方面，我国一方面有待于进一步支持、鼓励解调设备的自主研发，另一方面急需加大技术集成和对外推广应用的力度.

2. 基于DFOS技术的地下管线监测研究进展

在实际的地下管线工程中，地下管线的监测指标是多种多样的，一个完备的监测系统，应当做到检测与定位无盲区，并且提供高灵敏度的连续监测. 目前，分布式光纤传感技术在地下管线监测方面的研究进展，可以分为6个方面：地下管线的泄漏监测、第三方入侵监测、变形监测、腐蚀监测、地下管线区域的地质与自然灾害监测以及海底管道监测.

2.1. 地下管线泄漏监测

地下管线是远距离输送大量流体的最安全的方式，但管道暴露于恶劣的土壤条件、腐蚀和人为的恶意攻击等多种恶劣环境因素中，很有可能会发生泄漏. 泄漏是最常见的地下管线安全隐患，如果不及时应对，可能会导致重大的管道安全事故. 及时、准确地监测管道泄漏，对减少地下管线输送的损失，保证其正常运行具有重要意义. 然而由于地下管线通常很长，且往往埋深较大，泄漏监测是一项困难的工作，还在不断地发展、完善[21]. 现有的管道泄漏检测系统往往不是实时的，容易发生漏报，造成严重的安全隐患或财产损失. 为了实现泄漏的实时监测，可以采用布置嗅探器和热成像摄像机的方法，但监测范围有限，而布设大量的设备维护费用变得很高. 传统的监测技术只有当泄漏量足够大时才能捕捉到，此时经济损失和对环境的影响已经发生了；而且即使探测到了泄漏，也无法精确定位出泄漏点，从而造成巨大的搜索成本，修复工作也不能及时开展.

分布式光纤传感技术主要利用DTS技术，即监测温度的变化来监测地下管线泄漏. 目前常用的DTS技术包括ROTDR、ROFDR等，通常采用通信级单模光纤.

不同泄漏方式下地下管线周围的温度变化特征不同，根据其特点，可将埋地管道分为液体管道和气体管道两类. 在布设光纤传感器时，根据不同的地下管线类型和泄漏监测的要求，可通过调整光纤的布设位置以达到最佳的监测效果，如图2所示.

图 2

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图 2   不同情况下传感光纤的布设示意图

Fig.2   Schematic diagram for layout of sensing optical fibers in different circumstances


2.1.1. 液体管道

大多数埋地管道传输的液体，如自来水、石油等，其温度通常都要高于周围土壤的温度， 因此对于液体管道，任何小的泄漏都会导致管道附近温度的升高. 当光纤传感器监测到液体管道某处温度上升时，可以判断该处很可能发生了液体泄漏[22]，如图3所示.

图 3

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图 3   液体管道泄漏导致温度变化的监测示意图

Fig.3   Diagram for temperature variation monitoring due to leakage of liquid pipeline


在市政管线中，埋地输水管道是较为常见的一种类型，与人们的生活息息相关. 在城市中，输水管道的泄漏现象十分普遍，这些管线泄漏后不仅会造成水资源的严重浪费，还会造成地面沉降、塌陷等问题，因此输水管道的泄漏监测是其监测内容中的一项重要任务. DTS技术用于输水管道泄漏监测的可行性早在十多年前已得到证明， Nikles等[23]对柏林盐水管道进行了泄漏监测，研究了季节性温度变化对管道内盐水温度的影响，通过监测泄漏部位的温度变化实现了管道泄漏的定位，研究表明，光纤传感器对于盐水可以检测出低至50 mL/min的泄漏流量；Myles[24]对加拿大新不伦瑞克省盐水管道进行了泄漏监测，利用盐水与土壤的温差确定了发生泄漏的部位，布置了自动报警装置，分析了影响温度变化的各种因素，包括季节变化、土壤类型、土壤含水量、管道埋置深度和地形条件等.

在地下管线泄漏方面，学者们讨论最多的往往是输油管道的泄漏，因为石油作为一种不可再生资源，除了经济价值，还具有重要的战略意义. 石油不仅有易燃易爆的特性，还具有一定的污染性和毒性，因此如果不能及时监测到其泄漏情况，可能会带来严重的经济损失和安全事故，如果事故影响进一步扩大，就会对生态和环境造成不可逆转的破坏，严重威胁到人类和动物的健康、生命. 近年来，在基于DFOS的输油管道泄漏监测方面，许多学者主要是对光纤传感器的瞬态响应、监测精度以及地下管线泄漏流量的测量进行了相关研究. 为了研究利用DTS技术监测输油地下管线泄漏的瞬态响应，Mirzaei等[25]对一段10 km长的埋地输油管道进行了相关的试验研究，发现传感器的光学和电子响应时间大约为几十毫秒，表明其具有良好的瞬态响应. 通过对比试验发现，传感器的响应时间取决于泄漏位置、土壤参数和泄漏率，随着泄漏率的增加，响应时间迅速减小. 通过计算，文献[25]给出了一种基于DTS技术测量输油地下管线泄漏率的方法. Madabhushi等[26]基于DTS技术，在开展埋地输油管道的泄漏监测试验的同时，采用有限元数值模拟方法对泄漏过程进行了分析，发现监测试验数据与模拟结果基本吻合，验证了由于渗漏引起的土壤温度场的空间分布和变化趋势，并且确定了泄漏量的大小与监测到的温度变化的定量关系. 考虑到泄漏监测的效果和经济性，Wang等[27]进行了相关的现场试验，比较了不同结构的传感电缆在泄漏监测中的有效性，并对比了传感电缆的4种布设方式；在此基础上，进行了模拟输油地下管线泄漏的室内试验，对比了不同泄漏量下适合用于输油地下管线泄漏监测的传感电缆，以及不同的光纤布设方式对监测灵敏度的影响. 通过试验，发现沿着输油地下管线以直线和螺旋方式布设光纤是较为合理的，这2种布设方式下可以监测到1.1 m3/h的泄漏流量，而通过用塑料薄膜将传感光纤贴合在输油地下管线的布设方式，监测灵敏度可以得到较大的改善，可以监测到0.1 m3/h的泄漏流量.

2.1.2. 气体管道

对于气体管道，其中输送的气体，如天然气、氢气等，往往是处于压缩状态的. 而当埋地管道中的气体发生泄漏时，气体从地下管线逸出到周围环境，整个过程可看成是绝热的. 气体逸出时会发生膨胀，体积增大，管道压力随之减小，根据Joule-Thomson效应，泄漏周围局部温度会随之迅速下降，管道表面周围的土壤将形成温度梯度. 这种冷却效应与管道周围环境温度无关，而与气体类型以及压力大小直接相关，并且无论环境管道周围温度如何，冷却效应的量级都保持不变. 因此当监测到气体管道某处温度迅速下降且前后温差极大时，可判断该处可能发生了气体泄漏[22]，如图4所示.

图 4

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图 4   气体管道泄漏温度变化特性

Fig.4   Temperature variation characteristic of gas pipeline leakage


由此可见，通过与起始温度条件进行比较，可以很容易做到泄漏的检测和定位，因此输气地下管线的温度分布及其随时间的变化是评估其性能和安全的关键. 传统的温度测量方法只能测量离散时间内的某一点上的温度，但DTS技术可以长时间监测地下管线全长范围内的温度. Grosswig等[28]分析了某地区近10年间的监测数据，验证了DTS技术在高压地下输气管线泄漏监测中的有效性与实用性，并且证明了即使在埋深较大的情况下，该方法依然是可行的. 为了定量分析气体泄漏过程中管道压力与温度变化之间的关系，Ukil等[29]采用分辨率为0.05 °C的分布式光纤温度传感系统，对埋地甲烷气体管道开展了相关研究. 通过试验发现，在同一初始管道压力下，发生泄漏时管道周围的温度会下降；管道初始压力越大，管道周围温度变化量越大，当管道压力为400 kPa时，温度最大变化量为3.39 °C；当管道压力为2 kPa时，温度最大变化量仅为0.69 °C. 这证明即使在管道压力较低，其周围温度变化很小的情况下，该方法依然可以准确监测到埋地管道的微小泄漏，这无疑说明了DTS技术在地下管线泄漏监测方面具有巨大潜力.

除了上述基于DTS技术的地下管线泄漏监测，近年来国内一些学者也基于分布式光纤的其他技术原理开展了地下管线泄漏方面的研究. Huang等[30]基于FBG技术将2个光纤光栅的波长位移差作为一个压力传感信号，通过监测管道压力变化判断输油管道泄漏的发生。Hou等[31]利用GBF技术，通过监测管道环向应变来检测负压波信号，进而通过负压波信号的变化来监测天然气管道的泄漏。Wu等[32]利用OTDR技术，基于级联相干光时域反射计系统记录管道声发射信号，对监测到的声音频率进行分析，实现了埋地输油地下管线的泄漏监测。王大伟等[33]基于 $\Phi $-OTDR技术，以分形盒维数和改进近似熵为特征参量，对时域信号进行量度，把握泄漏时域信号的复杂度数值特征，实现了供水管道的泄漏信号辨识。

2.2. 地下管线第三方入侵监测

某些活动，例如未经许可的建筑施工和非法挖掘，往往会对地下管线造成直接的破坏. 事实上，目前城市里很大一部分的地下管线事故都是施工不当造成的，如管线附近的钻孔开挖、挖掘机施工等，除此之外还有蓄意破坏、偷油事件等非法行为. 这些事件对地下管线的安全运行造成了极大的威胁，因此监测系统需要进行管线全长的第三方入侵监测，并且对其进行准确的定位和来源分类.

DAS技术是近年来发展起来的一种适合于地下管线第三方侵入监测的先进技术. DAS技术一般采用通信级单模光纤，基于OTDR或 $\Phi $-OTDR原理，利用光纤传感器对声音（振动）敏感的特性. 当外界作用力引起的振动到达传感光纤，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及光强发生变化. 由于声波（振动）引起的相位变化很小，因此DAS技术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定位，而根据输出端频谱分析可以判定引起振动的类型. 因此，DAS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实时采集，得到外界声场包括频率、相位和振幅的完整信息[34].

将DAS技术应用于地下管线第三方侵入的监测，最令人关心的问题就是监测的范围、灵敏度以及精度. 早在10余年前，Tanimola等[35]就开展了现场实测研究，综合分析了系统灵敏度与传感算法的结果，指出DAS技术对于管道周围几种常见事件的最大感应半径r，如表3所示.

表 3   分布式振动传感（DAS）技术对不同事件的最大感应半径

Tab.3  Maximum induction radius of distributed acoustic sensing （DAS） technology for different events

事件 r/m
行人走动 5
行人奔跑 10
汽车经过（平缓路面） 20
汽车经过（凹凸路面） 50
挖掘机施工 100

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当管道周围出现不同事件如挖掘、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[36]，如图5所示. 而在管线路径沿线上，很有可能同时发生多种对其有害或无害的事件. DAS技术可以同时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.

图 5

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图 5   不同事件的振动信号分布曲线

Fig.5   Vibration signal distribution curves for different events


当光纤传感器感测到相应振动后，通过振动信号分布曲线可以显示该处的实时信息，获得振动事件的时间、地点、事件趋势等信息. 李鹏[36]基于DAS 技术对天水市城区供水管道进行了安全监测，并且对建成的DAS 监测系统进行测试，在距离管道首端65 m、距离管道轴线上方2.9 m 处施加不同类型（车辆通过、机械挖掘振动）的持续振动. 测试结果显示，系统灵敏度非常高，对于不同类型的振动，后台监测软件输出了不同的振动曲线，准确定位了振动发生的位置，误差小于1 m，并且采用专家数据库与神经网络算法对不同的振动信号进行自动筛别. 当在管道上方发生机械挖掘作业时，系统持续报警，显示该位置的外力振动属于破坏型振动；当车辆从管道上方经过时，系统并未报警，显示该位置的外力振动属于正常振动，由此可见，该系统有效地规避了正常振动引起的误报警. 该系统的单通道监测范围达到了50 km.

综上所述，DAS技术具有响应时间短、定位精度和灵敏度高、安全可靠、使用寿命长等特点，体现了分布式光纤传感技术的优势，并且具有广泛的功能范围. 面对管线路径上的大量同步事件，基于DAS技术的监测系统能快速区分正常和异常事件并实现定位，在第三方入侵造成危害前作出准确的响应、预警，保障管线运行安全.

2.3. 地下管线变形监测

对于传输距离较长的地下管线，在长期服役过程中，由于受各种因素影响，如地基沉降、沿线滑坡、冻胀融沉等，管线容易产生变形. 长期变形可能会导致地下管线的结构损伤和破坏，因此需要对地下管线进行变形监测. 在管道工程中，通常采用DSS技术对埋地管道的变形进行监测.

为了监测埋地管道的变形或屈曲状况，将光纤铺设在管道的表面，这样管道任何的变形都可以直接反馈到光纤传感器中. 在地下管线变形过程中，光纤的拉伸和压缩变化被系统监测、记录下来，并在到达临界值时触发警报. 根据地下管线的特点及光纤的布设方式，可将地下管线变形的监测对象分为环向变形和侧向变形.

2.3.1. 环向变形

埋地管道在自重或周围土体作用的影响下，易产生环向变形，影响其结构健康和正常运行. 一般在管道上环向布设应变感测光纤，测量管道的应变或内压变化，从而监测其环向变形，为在役地下管线的安全运行和健康诊断提供依据. 由于管道的周长相对较小，一般采用测量距离短而精度较高的 FBG传感器. 针对传感器的选择和布设方案、管道应变计算方法以及监测可行性等方面，国内外学者相继展开了一些试验研究. 为了解决传统应变计测量中存在的精度低、耐久性差、易受干扰等缺陷，冷建成等[37]提出了一种FBG传感器在地下管线表面的安装方案及温度补偿技术，详细阐述了基于FBG传感的埋地管道环向应力监测及计算方法. Lim等[38]针对PVC管道开展了不同加载条件下的圆管内压力和刚度变化的监测试验，发现在不同荷载下，分布式光纤应变传感器的监测结果较为准确，与传统应变计测得的结果接近. Simpson等[39]分别在钢、混凝土和高密度聚乙烯管材上布设分布式光纤应变传感器和传统电阻应变计，监测各个地下管线的环向应变，进行了多组埋管监测试验. 通过多组对比试验发现，对于各类管材，分布式光纤应变传感器测得的环向应变与传统电阻式应变计的测量结果相吻合，且具有更高的精度. 近年来，国内外学者也相继开展了埋地管道环向变形的室外试验[40]，通过长期监测获得的试验数据进一步验证了分布式光纤应变传感器用于埋地管道环向变形监测的可行性和准确性.

2.3.2. 侧向变形

埋地管道在运营过程中，往往受到各方面因素的影响，从而发生缓慢的侧向变形，这样的长期变形作用难免会影响管道的结构稳定性，从而致使管道失效. 目前一般采用BOTDR或BOTDA技术，沿着管道走向将传感光缆焊接或黏贴在地下管线上，并附防腐层保护，监测地下管线的侧向变形.

国内外学者针对不同的地下管线侧向变形模型开展了研究，如Bernini等[41]针对地下管线的矢量错位变形（见图6）开展了室内模型试验，并且进行了有限元数值模拟，试验中，管道中段发生位错变形，AA'和BB'是变形段与非变形段的分界线。通过实验结果对比及理论分析，证明分布式光纤应变传感器能够有效监测地下管线的位错，估计位错发生的方向，并且具有较高的空间分辨率.

图 6

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图 6   管道位错变形示意图

Fig.6   Diagram for dislocation deformation of pipeline


胡盛等[42]基于BOTDR设计了一套聚乙烯地下管线变形分布式光纤监测试验方案，对聚乙烯管道纯弯曲变形（见图7）进行了试验研究. 试验中，管道两端固定，中部发生纯弯曲变形，AA'和BB'是变形段与非变形段的分界线。通过试验，获取了管道表面光纤沿线的应变分布，据此分析了地下管线的变形方位，并推算出了纯弯曲状态下的管道转角，验证了该技术在聚乙烯管道分布式监测中应用的可行性.

图 7

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图 7   管道纯弯曲变形示意图

Fig.7   Diagram for pure bend deformation of pipeline


此外，还有一些学者则是开展了长期的室外监测试验，获取了大量的实际监测数据，如Cauchi等[43]在埋地管道不同方位沿走向分别布设分布式光纤应变传感器和常规振弦式应变计，通过长期监测，对这2种方式进行对比，验证了分布式光纤应变传感器在埋地管道侧向变形监测中的可行性. 随着研究的不断推进，传感器的布设和安装工艺也不断完善，分布式应变监测技术已经趋于成熟，作为地下管线监测系统的一部分，分布式光纤传感器能够有效且精确地监测地下管线的侧向变形.

在实际的地下管线运营过程中，管道发生的变形通常是多样且复杂的，因此往往通过多方位布设光纤传感器来监测埋地管道的综合变形.

2.4. 地下管线腐蚀监测

随着时间的推移，服役中的埋地管道会发生腐蚀. 工程中相当大一部分的管道失效往往是由腐蚀引起的. 管道腐蚀常见形式包括均匀腐蚀、点蚀、空化腐蚀、杂散电流腐蚀、微细菌腐蚀等[44]. 在多数情况下，管道埋在土壤下面，被其保护层和绝缘层所隐藏，其腐蚀情况难以被探知，人们通常是在管道因腐蚀泄漏或突然爆破等情况发生以后再去进行维护和抢修，这便造成了不必要的资源浪费、财产损失及环境污染等问题. 对管道进行长期腐蚀监测，准确评估管道的腐蚀状况，有助于及时维护和修复管道，预防管道破裂和泄露，延长地下管线的使用寿命.

管道腐蚀可分为内壁腐蚀和外壁腐蚀2种. 对于外壁腐蚀，主要是对外壁的阴极保护系统进行监测，而有些腐蚀发生在管道内部，没有造成管道外部的损伤，因此这种方法容易误判[45]. 管道内部腐蚀的监测通常采用漏磁通法和超声波法，但这些方法往往会受到输送物质的影响，且难以做到实时稳定监测. DFOS技术因其耐腐蚀、寿命长、稳定性好的优点，适用于复杂环境下管道的长期腐蚀监测.

管道的腐蚀会使其壁厚变薄，而环向应变分布能够反映在一定内压下的管道壁厚变化，因此目前主要利用DSS技术对管道的环向应变进行感知，从而监测管道的腐蚀情况. Li等[46]基于BOTDA（R）开展了供热管道的腐蚀监测试验，根据管道的特点设计了相应的光纤传感器，并将其环向布设在管道的关键部位，验证了DFOS技术在管道腐蚀监测方面的可行性. 为了验证不同腐蚀程度下的监测效果，Ren等[47]使用一种新型的FBG应变箍传感器，分别在管道均匀腐蚀和局部腐蚀条件下开展了相关试验，并进行了有限元数值分析. 试验结果表明，该传感器对不同腐蚀程度引起的环向应变变化都十分敏感，具有良好的监测性能，且试验结果与数值分析的结果基本吻合，证明了监测方法的有效性，验证了壁厚与环向应变之间的定量关系.

目前，基于DFOS技术的管道腐蚀监测工作基本处于试验研究阶段，仍有许多需要解决的问题，如只能对传感器所在位置进行腐蚀监测，仍存在难以避免的测量误差等；随着DFOS技术的不断发展，该监测方法未来有望得到改进和完善.

2.5. 地质与自然灾害监测

通过对地下管线进行长期的泄漏、第三方入侵和变形监测，可以有效掌握地下管线自身的性能和结构健康状态，而当地下管线周围发生突发性灾害时，其有可能在短时间内遭受严重破坏，因此对于铺设在不稳定区域内的地下管线，还需要进行区域范围内的地质与自然灾害监测，以便提前作出应对，避免或减小损失.

事实上，地质灾害是公认的威胁工业管道的主要因素，各种地质和自然灾害会明显影响埋地管道的完整性. 要对地下管线周围的地质和自然灾害进行监测，不能仅局限于某一种传感器或监测手段，而是要通过构建完备的监测系统，进而实现对灾害的有效监控以及地下管线安全的全面掌控. 以滑坡为例，滑坡是一种典型的地质灾害，如何对滑坡内的地下管线进行有效监测和保护一直是研究的热点. Nikles[22]指出，在埋管区域，由地面运动引起的应变是滑坡发育的重要监测指标，如图8所示. 若把光纤黏贴在滑坡区管线的侧壁，一旦滑坡发生变形，地下管线表面会产生一个剪切界面，传感光纤产生拉伸应变，再根据该界面处的几何关系可得到

图 8

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图 8   滑坡区管土接触界面示意图

Fig.8   Schematic diagram for contact interface between soil and pipeline in landslide area


$\varepsilon = \Delta d/d = \sqrt {1 + {{(L/d)}^2}} - 1.$

式中： $\varepsilon $为传感光纤产生的拉伸应变， $d$为剪切带原始长度， $\vartriangle d$为剪切带长度增量， $L$为滑坡的变形量。 $\varepsilon $ 可通过分布式光纤传感器的监测数据计算得到，因此可以反算出 $L/d$ 的值，从而对滑坡的变形趋势和发育情况有所掌握.

根据运动学原理，Zhang等[48]采用钻孔埋设的分布式应变感测光缆，定量监测了长江三峡库区马家沟滑坡的深部剪切位移，为滑坡深部变形监测提供了一个新途径.

在地下管线区域的滑坡监测方面，一些学者通过室外大型试验，基于DFOS技术构建了有效的滑坡监测系统，陈朋超等[49]基于FBG技术构建了一套可同时监测管体应变、管土界面压力、滑坡体表面位移以及深部位移的埋地管道滑坡远程监测预警系统；在四川省境内的一个特大型滑坡区建立了监测预警示范站，并且成功监测到了汶川地震对滑坡及地下管线的影响. Ravet等[50]将DITEST AIM监测系统安装于跨安第斯山脉的管道上，种种数据分析表明，该系统能满足地下管线区包括滑坡在内的各类地质灾害的监测要求，布网容易，成本低，监测精度高，长期稳定性好.

通过构建合理有效的监测系统，使用不同分布式光纤传感器进行组合测量，可以实现对地下管线区域内滑坡、蠕变、沉降、土壤侵蚀、地震及火山活动等地质和自然灾害的监测. 除此之外，一个完备的监测系统应当也能够做到对地下管线周边的工程活动，如大型建筑施工、隧道开挖等扰动的有效监测和预警.

2.6. 海底管道监测

海底管道作为海上油气运输的重要方式，具有输送能力强、管理方便等优点. 与陆上的埋地管道相比，其工作环境更加复杂、恶劣、多变，会受到管内外多种因素的影响，运行风险大. 常规的海底管道检测方法包括射线法、漏磁法、超声波法、渗透法等，但这些方法往往只能定时定点地对海底管道进行某一方面的检测，无法完全避免海底管道的失效[51]. 近年来，随着DFOS技术的发展，其为海底管道的健康监测提供了新的可能性.

对于海底管道，有可能引起其失效的原因是多种多样的，因此同时对所有的潜在不良因素进行监测是不现实的. 利用DFOS技术对海底管道进行健康监测，主要是通过构建合理的监测系统，获取海底管道的状态参数，进而对管道内部和周围可能发生的不良事件进行预测，在管道出现危险前发出预警，避免其发生失效. 早在1986年，Mckeehan等[52]就介绍了一种连续光纤应变传感系统，通过对海底管道应变的实时监测获得管道沉降情况，防止管道由于沉降过大而破坏. Jin等[53]提出了一种长距离海底管道实时监测系统，基于DFOS技术对管道进行温度和应变监测，通过对应变和温度信号的分析，判断海底管道损伤的位置和可能原因，实现海底管道的诊断和预警.

基于DFOS技术对海底管道进行监测，不是以管道的受损破坏为前提，而是通过对应变、温度和振动的实时监测获知管道的运行状态，预防其发生失效，间接实现安全运行. 现阶段DFOS技术在海底管道监测方面仍存在一些制约性的技术问题，如恶劣海洋环境下光纤传感系统的长期稳定运行问题、监测信号的计算处理问题等. 近年来这些问题正逐步得到解决，光纤传感系统的稳定运行正逐渐在实际的海底管道工程中得到实现，如2007年启动的阿拉斯加海底输油管线就采用了DiTeSt-LTM监测系统，该系统对管道进行分布式应变和温度测量，实现了侵蚀、泄露、绝缘破坏、海床土壤改变等威胁管道完整性的事件的早期预警. 此外，一些学者也开展了海底管道监测信号的精细化分析计算的相关研究，如Han等[54]进行了基于DFOS的海底管道模拟试验，分析了不同流速和间隙比下管道周围的压力分布和流速变化，为进一步研究海底管道的腐蚀和保护提供了依据. 可以预见，随着研究的不断推进，今后DFOS技术将被广泛应用于海底管道的健康监测.

3. 研究热点及展望

利用DFOS技术对地下管线进行监测，主要是基于温度、应变和振动的微小变化，获取管道完整性和安全性方面的信息，进而实现上述地下管线的安全监测. 在光纤传感器的工作过程中，能够得到海量的监测数据，但这些原始数据不仅存在一定的误差，还需要进行公式推导和转换才能变成研究需要的应变、压力、温度和振动频率等技术参量. 此外，光纤因其材质的脆弱性，在恶劣的环境下存活率偏低. 因此，DFOS技术有时难以在实际的地下管线工程中得到广泛应用. 如何改进这些问题一直是研究的热点，近年来，针对这些问题，国内外学者的研究工作已经取得了一些进展：基于DFOS技术的地下管线监测的相关理论日趋成熟[55]；适用于管道监测的光纤传感器正不断被研发出来[56]；传感器的布设工艺和监测系统的开发不断得到完善[57]；针对不同类型管道的腐蚀、泄露、变形等方面的分布式光纤监测方法不断得以实现[58-59].

根据以上研究进展不难看出，今后的研究趋势主要包括以下几个方面.

1）适合地下管线监测的分布式光纤传感器的研发以及布设工艺研究，如Glisic[60]进行了分布式光纤传感器的开发及拓扑结构的相关研究，有效地实现了埋地管道的损伤监测及其在土体中的位移监测. Feng等[61]提出了一种分布式光纤温度和应变传感器的布设及监测方法，有效地评估了埋地管道的结构性能.

2）分布式光纤传感解调技术在精度、空间分辨率等方面的进一步改进，以适应地下管线监测的要求，以及相关仪器设备的国产化研究，从而大幅降低监测硬件成本.

3）在软件方面，光纤监测数据分析软件的程序设计以及可视化系统的开发和改进，将DFOS技术与大数据、人工智能等新技术、新方法相结合，通过不断优化程序和算法，对海量的光纤监测数据进行智能分析，实现对地下管线的动态变化预测以及事故预警等.

4）将DFOS技术与其他传统管线监测手段（尤其是非接触式的手段）结合起来，发挥各自的优点，实现对地下管线状态的综合监测，逐渐形成完备的监测体系，减小误报概率[62].

4. 结　论

（1）DFOS技术作为一种新型传感技术，在地下管线监测方面能够发挥其巨大作用. 当前应用较多的主要是布拉格光栅技术（FBG）、基于布里渊散射原理的布里渊散射光时/频域反射技术（BOTDR、BOTDA和BOFDA）、基于拉曼散射原理的拉曼散射光时/频域反射技术（ROTDR、ROFDR）和基于瑞利散射原理的瑞利散射光时域反射/相位变化技术（OTDR、 $\Phi $-OTDR）等. 根据DFOS技术感知参量的性质，也可将其划分为分布式温度传感技术（DTS）、分布式应变传感技术（DSS）和分布式振动传感技术（DAS）三大类.

（2）目前，DFOS技术在地下管线监测方面的研究主要围绕六个方面开展：地下管线泄漏监测、第三方入侵监测、地下管线变形监测、地下管线腐蚀监测、管线区域地质与自然灾害监测和海底管道监测. 根据监测的实际需求，选择合理的技术方法和监测方案，能够实现对地下管线的实时在线监测.

（3）将DFOS技术应用于地下管线监测方面还存在一些障碍，如数据存在误差、不能直接获取技术参量、恶劣环境下传感器存活率低等. 如何改进这些方面的不足，是当下研究的热点.

（4）随着技术的不断进步，DFOS技术未来有望与其他技术手段相结合，变得更加集成化、系统化，在地下管线监测方面的应用前景十分广阔.

在实际的地下管线监测中，监测者会根据不同管道材质和功能的特点，确定主要的监测对象，以及监测的精度和范围，从而设计全面且具有成本效益的完整性监测解决方案. 因此，将DFOS技术应用于地下管线监测中，对于预测地下管线的长期稳定性和活动变化趋势，尤其是对地下管线安全事故的及时预警，有着现实的经济和社会意义.

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