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基于地震波的油气管道安全监测

文档作者：汪向阳　陈世利文档来源：天津大学精密仪器及光电子工程学院		点击数：	更新时间： 2021年07月16日
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测试系统与组件
　　电　子　测　量　技　术
　　EL ECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
第31 卷第7 期
2008 年7 月　
基于地震波的油气管道安全监测
汪向阳　陈世利
(天津大学精密仪器及光电子工程学院　天津　300072)
摘　要: 针对目前广泛存在的油气管道受到人为破坏的问题,本文提出了通过对管道周围的人、车辆等发出的震动信
号进行采集,对信号特征进行分析,从而对目标进行分类识别,并根据信号到达各传感器的时间差通过三角定位原理
实现对入侵目标的空间定位以及对目标的运动轨迹进行监测,从而对管道安全构成威胁的行为进行早期监测、定位和
预警。
关键词: 管道; 地震动信号; 预警; 三角定位
中图分类号: TP274. 2 　　　文献标识码: A
Security inspection of oil and gas pipel ine based on earthquake wave
Wang Xiangyang 　Chen Shili
(College of Precision Inst rument and Opto2elect ronics Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072)
Abstract : Aiming at the man2made dest ructive problem on oil pipelines , this paper proposes method that is to collect
seismic signals and make analysis into it s characteristics , working out classified identification on them. Based on
t riangle location principle , this method can identify the interspaced location and monitor the t rack of the targetps
movement by analyzing time of the signalps arrival to these sense organs , finally make early monitor , localization and
advance alarm of the threat s to pipelineps safety.
Keywords : pipeline ; seismic signals ; advance alarm; t riangle location
0 　引　言
原油泄漏会造成巨大的经济损失和环境污染, 近年
来我国的油气管道严重受到以盗窃为目的的破坏, 对输
油管道由于人为破坏造成的原油泄漏进行检测, 已经成
为减少输油系统经济损失以及减轻环境污染的一个极其
重要的手段。目前常规的和常用的泄漏检测一般只能在
事后对泄漏进行检测和定位, 不能在管道安全受到威胁
或者正被破坏而尚未造成损失时就及时发现并准确定位,
这就需要对输油管道周围目标的活动进行实时监测。因
此目前对油气管道进行的泄漏检测工作也由原来单纯检
测泄漏发展到对管道安全监测预警技术的研究, 它能够
对管道安全构成威胁的行为进行早期的监测、定位以及
预警, 对管道安全运营具有重要意义。
1 　系统工作原理及结构
111 　工作原理
目标在地面上运动时对地面施以一定的激励, 这种
激励会引起地球介质的变形, 在地球介质中传播即形成
地震波动信号, 本文就是通过对地面运动目标所产生的
地震弹性波的分析, 从而确定引起地震动目标的性质。
按照介质质点运动的特点和波的传播规律, 地震波可以
分为体波和面波2 大类, 其中面波又分为瑞雷波和乐夫波
2 种, 研究表明当震源位于地表时, 瑞雷波由于具有能量
较强、在自由表面传播且距离较远等特性更适合于远距
离地面运动目标探测与识别的, 设置在一定远处的地震
动传感器可以检测并采集到此信号[ 1 ] 。地面目标激励产生
的震动信号, 主要受到目标质量、运动状态、与传感器
的距离以及地质条件等因素的影响。
管道安全监测系统主要是监测管道周边的地面目标,
例如人、车辆等活动目标的情况, 并且能够根据传感器
检测到的信号经过预处理、特征抽取、分类识别等区分
目标类别及其活动情况等, 根据信号产生的不同时间和
警戒等级判断目标行动对管道安全的影响, 这样能够在
可能的破坏产生之前进行防范和预警。
112 　系统结构
为了能够有效的采集地震动信号, 地震波检测预警
系统由多个传感器组组成, 每个传感器组有各自的处理
单元, 其结构如图1 所示。
在各种各样的测控领域中, 传感器所测得的信号通
常是用导线进行传输的。因此不得不通过铺设电缆将采
集的数据传送到远在几公里, 甚至几十公里的数据管理
中心。这种传输方式常常会带来电磁干扰和信号衰减。
另外铺设专用电缆的造价太高, 长时间的存在地下会使
·121 ·
　第31 卷电　子　测　量　技　术
图1 　传感器组处理单元
线路的自检和维护等带来巨大的困难, 因此本系统采用
无线收发的模式, 不仅克服了以上缺点, 还大大提高了
传输的速率[ 2 ] 。整个系统的结构如图2 所示。
图2 　系统结构
113 　目标识别与定位原理
将采集到的地震动信号经过LabVIEW 处理后可以获
取信号的特征, 通过对信号的振幅以及频率等特征的分
析可以对目标进行分类识别[ 3 ] 。
在对目标进行定位时采用三角定位的原则[ 425 ] , 通过
对目标特征频率出现时间的判断, 就可以得出目标产生
的地震动信号到达各探测传感器的时间差值, 利用此差
值就可以对入侵目标进行定位[ 6 ] , 定位系统原理如图3
所示。
图3 　三角定位原理图
图中S1 , S2 , S3 为传感器组中处于正三角形顶点的
传感器, 传感器间距离为l , M 为检测目标。在如图所示
的直角坐标系中, 各点的坐标分别为S1 ( - l / 2 , -
3 l / 6) , S2 ( l / 2 , - 3 l / 6) , S3 (0 , 3 l / 3) 。震源到
各传感器的距离分别为d1 , d2 , d3 。据图有:
( x +
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d1
2
( x -
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d2
2
x2 + ( y - 3 l/ 3) 2 = d3
2 　　　　
(1)
假设地震波在地表介质中匀速直线传播, 设速度为v ,
震源到达传感器的时间分别为t1 , t2 和t3 , 则有以下关系:
d1 - d2 = ( t1 - t2 ) v =Δt12 v
d1 - d3 = ( t1 - t3 ) v =Δt13 v
d2 - d3 = ( t2 - t3 ) v =Δt23 v
(2)
式中: Δt12 , Δt13 , Δt23为地震波信号到达各传感器的时间
差, 由信号的特征分析可以得出。又根据图1 可得方
程组:
x = rcosθ
y = rsinθ
(3)
方程组(1) 经过泰勒展开并与方程组(2) , (3) 联
立可以得出目标对象的定向和定位公式:
tanθ=
3
3 ·
Δt13 +Δt23
Δt12
r =
3l2 cosθsinθ
6 ( lcosθ- Δt12 v)
(4)
对目标对象在运动过程中产生的地震波信号进行连续
采集, 对目标对象在运动过程中产生的多个信号分别进行
处理并根据方程组(4) 计算出产生各个信号时目标的空间
位置, 从而实现对目标对象的运动轨迹进行监测[7] 。
2 　实　验
根据提出的算法采用该系统进行实验对数据进行采
集和处理, 实验中, 在自然土质路面放置多个传感器采
集信号(多个传感器采集信号有利于提高信号的信噪
比) , 传感器采用地震波传感器, 根据所采集的信号的频
率的分布情况, 选择了北京合康科技有限公司的GS2
20DX 传感器( 如图4 所示) , 其频带范围为8 ～
1 500 Hz ,能有效地采集到所需要的信号[ 8 ] 。
图4 　GS220DX传感器
在实验中, 为了获得较好的信号, 传感器的安置必须
与地面耦合好, 必须将传感器尽可能正、直、紧的安置在
地表中[ 9] 。通过LabVIEW对地震动信号进行采集和处理。
·122 ·
　　　　　　　　汪向阳等: 基于地震波的油气管道安全监测第7 期
对采集的3 路信号通过LabVIEW 进行相关运算可得出3
路信号到达传感器的时间差, 通过式(4) 可对目标对象进
行定位。由于不同目标产生的信号的特征频率的范围是不
同的, 可以通过对采集到的信号的特征进行分析从而对目
标对象进行分类识别[10] 。例如图5 为经过处理的单个传感
器接收到的人在草地行走的信号及其频谱。
图5 　经过处理后的脚步信号及其频谱
表1 为对所测信号分析所得的不同对象的频率分布情
况, 其中人离传感器组的距离为3～6 m , 车离传感器组
的距离为30 m 左右。
表1 　目标信号频谱分析
对象峰值所在范围/ Hz 振幅
环境噪声5～30 20～30
人
草地行走5～30 30～50
硬地行走15～25 30～50
草地跑动10～40 100～200
车
小车匀速5～30 20～35
小车变速5～15 140～160
大车变速60～70 300～400
在实验中, 采取多个传感器可以提高信噪比, 改变
传感器相互间得距离以获得最好的试验效果, 结果分析
相互距离在015～2 m 时效果较好。
预警系统的预警范围受环境噪声的影响非常大, 当
环境噪声很大的时候, 正确预警的范围只能达到2～3 m ,
当在非常安静的环境条件下, 正确预警的范围能达到
70～90 m甚至更大。
目标对象产生的信号的频谱分析的峰值所处位置与
目标对象和传感器之间的距离有关, 如表2 所示(实验采
取单传感器, 人员在硬地上行走) 。
表2 　信号与目标和传感器距离的关系
目标与传感器距离/ m 峰值/ Hz
5～15 大于35
10 60
大于30 小于30
小于3 小于35
3 　结　　论
针对我国目前油气管道所面临的遭受人为的严重破
坏的问题, 提出油气管道地震波检测预警系统, 在系统
中, 通过对目标信号的特征进行分析从而对目标对象进
行分类识别, 通过LabVIEW 计算出震源所产生的信号到
达各传感器的时间差通过三角定位原理可以确定目标对
象的空间位置。通过对实验数据的分析表明本文所提的
方法可行。但是由于在三角定位原理的公式推导中采取
了近似的推导, 而且许多前提条件都是假设为理想状
况[ 11 ] , 另外, 地质、环境等对信号的影响也很大, 因此
研究工作还有待进一步深入。
参考文献
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作者简介
汪向阳, 男, 1983 年4 月出生, 硕
士研究生, 主要研究方向为油气管道安全
监测。
E2mail : wang2xiang2yang @163. com
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