CN109375266B - 一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统，在地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内分别布设三根光纤，第一根光纤上设有若干等间距分布的DTS测温光纤传感器，第二根光纤上设有若干等间距分布的DSS测压光纤传感器，第三根光纤上设有若干等间距分布的DAS测震光纤传感器，地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内的三根光纤均与光电解调仪连接，光电解调仪的输出端依次连接数据分析可视化系统和决策分析终端。本发明通过集成DAS、DTS和DSS的多模式融合功能的光纤监测系统可通过地下震动、温度、压力变化在整根光纤传感器上产生的效应参数对地下水封洞库围岩多物理特性及行为进行动态监测，达到地下水封洞库生产动态调度和安全预警的目的。
Description
技术领域
本发明涉及地下水封洞库安全发明领域，特别是一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统及方法。
背景技术
近年来，中国工业已经步入快速发展的轨道，随天然气、石油的需求量日益增加、进口量不断上升，天然气及石油对外依存度日益加大；天然气已由2007年的2.0％上升到2016年的39.2％，石油已从1994年的1.9％上升到2017年的69％，形势异常严峻。目前，国家战略储备规划已经编制完成并正在实施。规划建设布点在全国各地的储库大都设置在地面上，且其储存设施大多是地面球罐，但这类储库存在一些不足：油库的消防要求较高，消防投资较大，安全性相对较差，特别是在战争状态下易成为首要的袭击目标，金属球罐的造价较高，并寿命相对较短，成本较高。为了弥补金属球罐设施的不足，许多国家利用地下作储库。
地下水封洞库具有以下优点：一是储存量大，机动性强、范围广；二是经济合理，虽然一次性投资大，但经久耐用，使用年限长；三是安全系数大，其安全性要远远高于地面设施。但是存储在人工地下洞库里的化工原料，对于人类和自然环境都具有潜在的危害。在洞库运营中，由于存储了大量的碳氢化合物,而且要不停入库出库地下洞库中的化合物，会造成围岩温度应力的提升和释放，在天然地震、环境振动等影响下，造成洞库围岩内的微小破裂发生发展。这些破裂会进一步发育成大的裂隙，并最终导致掉块、塌陷等灾难性后果。并且，在建设过程中的频繁爆破会造成前期地质勘探所无法预估的围岩破坏，从而在运营期间，在天然地震、环境振动等影响下，在一定条件下造成掉块、塌陷等灾难性后果。如果这些微小破裂以地震波信号的方式被监测到，洞库运营者就会根据这些信息，综合震动、温度、压力数据来制定实时动态调度运营策略。传统地下水封洞库的安全监测方法，微震、温度、压力三者互相独立、监测点仅有数十个，其中利用振弦类等传感器监测温度压力，电磁类的震动传感器来监测围岩内的微震动，基于三者数据进行监测预警，电磁类传感器系统可能引起电火花产生危险等安全事故。目前，国内外关于地下油气洞库安全性监测技术，尚未涉及采用光纤进行安全监测，此领域尚属空白。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明的第一个目的是，提供一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统，在地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内分别布设三根光纤，第一根光纤上设有若干等间距分布的DTS测温光纤传感器，第二根光纤上设有若干等间距分布的DSS测压光纤传感器，第三根光纤上设有若干等间距分布的DAS测震光纤传感器，地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内的三根光纤均与光电解调仪连接，光电解调仪的输出端依次连接数据分析可视化系统和决策分析终端；其中：
所述DAS测震光纤传感器、DTS测温光纤传感器和DSS测压光纤传感器分别用于获得震动、温度、压力的实时数据；
所述光电解调仪用于接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；
所述数据分析可视化系统用于接收光电解调仪的数字化信号进行数据处理，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；
所述决策分析终端用于根据数据分析可视化系统处理后得到的数据及图像，对地下水封洞库的活动进行预测，并依据对地下水封洞库活动的预测，调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述地下水封洞库及水幕巷道内的光纤沿洞壁底部向顶部倾斜布设。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述第一根光纤上的DTS测温光纤传感器之间的间距为0.5m；第二根光纤上的DSS测压光纤传感器之间的间距为0.5m；第三根光纤上的DAS测震光纤传感器之间的间距为0.5m。
本发明的另一个目的是，提供一种采用分布式光纤的地下水封洞库安全监测方法，采用上述的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统对地下水封洞库进行安全监测，具体步骤如下：
步骤一、布设采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统；
步骤二、对光电解调仪进行设置调试，以使其能接收DAS测震光纤传感器、DTS测温光纤传感器和DSS测压光纤传感器感知的震动、温度、压力的实时数据；通过光电解调仪接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；
步骤三：通过数据分析可视化系统接收光电解调仪的数字化信号进行数据处理，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；
步骤四：通过决策分析终端根据数据分析可视化系统处理后得到的数据及图像，对地下水封洞库的活动进行预测：对地下水封洞库内的震动位置、震源及震级进行分析判断出可能发生劈裂、冒落和垮塌等事件位置、事件能量大小，并结合该位置附近的温度压力数据，综合报告给调度控制系统并依据对地下水封洞库活动的预测，调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述步骤三中的人工降噪采用小波阈值去噪，具体为：
1)建立具有噪声的信号模型，描述如下：
f(t)＝s(t)+λe(t)(t＝0，1，...，n-1)
f(t)是带有噪音的信号；；e(t)是噪音；S(t)是一个真正的信号；λ是噪声水平系数；
2)带有噪声的信号通过小波变换进行变换：选择一个小波基，并确定一个用于小波分解的分层N，对信号进行N层小波分解；
3)高频部分的小波系数由阈值处理进行处理：设定一个阈值，小波系数大于阈值时通过信号控制，小于阈值时通过噪声控制；低频小波系数被保留，并且硬阈值去噪或软阈值去噪被用来去噪第一层到第N层的每一层的高频系数；
4)逆变换用于重建真实信号：通过逆小波变换重构从小波分解得到的低频系数和阈值去噪之后的第一电平到第N电平的高频系数，并且获得实信号的估计值。
本发明通过集成DAS、DTS和DSS的多模式融合功能的光纤监测系统可通过地下震动、温度、压力变化在整根光纤传感器上产生的效应参数对地下水封洞库围岩多物理特性及行为进行动态监测，达到地下水封洞库生产动态调度和安全预警的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)DAS、DTS和DSS三种模块融合监测具有科学可靠性，各部分模块数据融合预测，敏感度与长距离成本优势显著。
(2)通过光纤传输实现全里程传感监控，内外综合感知震动、温度、压力信号，实现全尺度(幅度、频率、相位)数万个传感器信息的实时高密度监测。
(3)DAS、DTS和DSS系统可实现长距离连续的震动、温度、压力参数获取，具有耐高温、耐高压、抗恶劣环境、抗雷击、抗电磁干扰等优点。
(4)DAS、DTS和DSS监测系统可保证纳秒级(ns)精度的时间同步传输。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的具有DAS测震光纤传感器、DTS测温光纤传感器和DSS测压光纤传感器的光纤传感器结构示意图。
图3为本发明实施例的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统的安装流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1、图2所示，本实施例提供一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统，在地下水封洞库10、水幕巷道9和注水孔(图中未画出)内分别布设三根光纤4，第一根光纤上设有若干等间距分布的DTS测温光纤传感器1，第二根光纤上设有若干等间距分布的DSS测压光纤传感器3，第三根光纤上设有若干等间距分布的DAS测震光纤传感器2，地下水封洞库10、水幕巷道9和注水孔内的三根光纤4均与光电解调仪11连接，光电解调仪11的输出端依次连接数据分析可视化系统12和决策分析终端13；其中：
本实施例中，DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3分别用于获得震动、温度、压力的实时数据。其中，DAS测震光纤传感器2采用型号为OS7100加速度传感器，采用单端设计、无需回路；DTS测温光纤传感器1采用OSC4400感温光缆，可延伸和补充型号为OSC4200的感温探头；DSS测压光纤传感器3采用型号为OSC5660渗压探头。
本实施例中，光电解调仪11用于接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；
本实施例中，数据分析可视化系统12用于接收光电解调仪11的数字化信号进行数据处理，数据分析可视化系统主要将DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3获得的震动、温度、压力监测数据，通过光纤分布式传感系统(设备型号ODiSI-B 5.0)导入后台数据库，实现23.8-250Hz的采样频率，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；
本实施例中，决策分析终端13用于根据数据分析可视化系统12处理后得到的数据及图像，决策分析终端13主要由型号为BC760L10的预警主机和无线呼救系统组成，对地下水封洞库的活动进行预测和紧急通知预警，并依据对地下水封洞库活动的预测，调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度。
本实施例的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统的具体布设流程如图3所示，参照图3，包括以下几个步骤：
步骤一、测量地下水封洞库10和水幕巷道9高度H(m)、长度L(m)，并依据公式计算所需DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3的总数目，准备相应的传感器；
步骤二、在地下水封洞库10、水幕巷道9以及注水孔内布设光纤4，地下水封洞库10内的光纤4沿地下水封洞库底部5洞壁向地下水封洞库顶部6倾斜布设，水幕巷道9内的光纤4沿水幕巷道底部7洞壁向水幕巷道顶部8倾斜布设，遵从国家相关标准规范，每隔0.5m在第一根光纤上安装一个DTS测温光纤传感器1；每隔0.5m在第二根光纤上安装一个DSS测压光纤传感器3；每隔0.5m在第三根光纤上安装一个DAS测震光纤传感器2；并将所有光纤与光电解调仪11连接；
步骤三、对光电解调仪11进行设置调试，使其能接收DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3感知的所有震动温度压力信号。
采用上述实施例的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统对地下水封洞库进行安全监测，具体步骤如下：
步骤一、按照上述记载布设采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统；
步骤二、对光电解调仪11进行设置调试，以使其能接收DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3感知的震动、温度、压力的实时数据；通过光电解调仪11接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；在对DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3时间的计时采用GPS时钟法，其原理是通过GPS或其他卫星导航系统的信号驯服DAS测震光纤传感器2、DTS测温光纤传感器1和DSS测压光纤传感器3的晶震，从而实现高精度的时间信号输出，可达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出。
步骤三：通过数据分析可视化系统12接收光电解调仪11的数字化信号进行数据处理，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；人工降噪采用小波阈值去噪，具体为：
1)建立具有噪声的信号模型，描述如下：
f(t)＝s(t)+λe(t)(t＝0，1，...，n-1)
f(t)是带有噪音的信号；；e(t)是噪音；S(t)是一个真正的信号；λ是噪声水平系数；
2)带有噪声的信号通过小波变换进行变换：选择一个小波基，并确定一个用于小波分解的分层N，对信号进行N层小波分解；
3)高频部分的小波系数由阈值处理进行处理：设定一个阈值，小波系数大于阈值时通过信号控制，小于阈值时通过噪声控制；低频小波系数被保留，并且硬阈值去噪或软阈值去噪被用来去噪第一层到第N层的每一层的高频系数；
4)逆变换用于重建真实信号：通过逆小波变换重构从小波分解得到的低频系数和阈值去噪之后的第一电平到第N电平的高频系数，并且获得实信号的估计值。
步骤四：通过决策分析终端13根据数据分析可视化系统12处理后得到的数据及图像，对地下水封洞库的活动进行预测：对地下水封洞库内的震动位置、震源及震级进行分析判断出可能发生劈裂、冒落和垮塌等事件位置、事件能量大小，并结合该位置附近的温度压力数据，综合报告给调度控制系统并依据对地下水封洞库活动的预测，调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度，调度系统根据监测系统判断出可能发生事故位置和事件的大小进行灾害监测预警，动态调度，最大程度减少伤亡和损失。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统，其特征在于，在地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内分别布设三根光纤，第一根光纤上设有若干等间距分布的DTS测温光纤传感器，第二根光纤上设有若干等间距分布的DSS测压光纤传感器，第三根光纤上设有若干等间距分布的DAS测震光纤传感器，地下水封洞库、水幕巷道和注水孔内的三根光纤均与光电解调仪连接，光电解调仪的输出端依次连接数据分析可视化系统和决策分析终端；其中：
所述DAS测震光纤传感器、DTS测温光纤传感器和DSS测压光纤传感器分别用于获得震动、温度、压力的实时数据；
所述光电解调仪用于接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；
所述数据分析可视化系统用于接收光电解调仪的数字化信号进行数据处理，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；
所述决策分析终端用于根据数据分析可视化系统处理后得到的数据及图像，对地下水封洞库的活动进行预测，并依据对地下水封洞库活动的预测：对地下水封洞库内的震动位置、震源及震级进行分析判断出可能发生劈裂、冒落和垮塌等事件位置、事件能量大小，并结合该位置附近的温度压力数据，综合报告给调度控制系统并依据对地下水封洞库活动的预测，调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度；调度控制系统根据预测结果进行实时监测动态调度；所述地下水封洞库及水幕巷道内的光纤沿洞壁底部向顶部倾斜布设；
所述第一根光纤上的DTS测温光纤传感器之间的间距为0.5m；第二根光纤上的DSS测压光纤传感器之间的间距为0.5m；第三根光纤上的DAS测震光纤传感器之间的间距为0.5m。
2.一种采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统对地下水封洞库进行安全监测，具体步骤如下：
步骤一、布设采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测系统；
步骤二、对光电解调仪进行设置调试，以使其能接收DAS测震光纤传感器、DTS测温光纤传感器和DSS测压光纤传感器感知的震动、温度、压力的实时数据；通过光电解调仪接收震动、温度、压力的实时数据，并将震动、温度、压力的实时数据转换成相应的波形信号，并将其信号数字化；
步骤三：通过数据分析可视化系统接收光电解调仪的数字化信号进行数据处理，数据处理分为自动处理和人工处理，自动处理分为：滤波、参数确定，人工处理分为降噪、根据数据界面时间提取的精度并通过图形界面显示出当地下水封洞库内部发生震动、温度、压力、变化时的震动位置、震动震级和震源参数；
步骤四：通过决策分析终端根据数据分析可视化系统处理后得到的数据及图像，对地下水封洞库的活动进行预测。
3.根据权利要求2所述的采用斜长分布式光纤的地下水封洞库安全监测方法，其特征在于：所述步骤三中的人工降噪采用小波阈值去噪，具体为：
1）建立具有噪声的信号模型，描述如下： 是带有噪音的信号；/>是噪音；/>是一个真正的信号；λ是噪声水平系数；
2）带有噪声的信号通过小波变换进行变换：选择一个小波基，并确定一个用于小波分解的分层N，对信号进行N层小波分解；
3）高频部分的小波系数由阈值处理进行处理：设定一个阈值，小波系数大于阈值时通过信号控制，小于阈值时通过噪声控制；低频小波系数被保留，并且硬阈值去噪或软阈值去噪被用来去噪第一层到第N层的每一层的高频系数；
4）逆变换用于重建真实信号：通过逆小波变换重构从小波分解得到的低频系数和阈值去噪之后的第一电平到第N电平的高频系数，并且获得实信号的估计值。
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