CN116110208A - 一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法，涉及预警监测领域。本发明采用现场监测分析装置，根据现场情况变化对现场各监测指标进行动态监测，在远程控制中心的指令下开启实时加密监测，根据监测数据动态调整监测频率，解决长期高频监测资源浪费、定时在线监测数据不及时等问题。并且，基于监测数据能够及时感知地震，在震后第一时间获取地震影响下管道本体与环境因素的监测数据，便于数据深入分析、融合分析，以为管道安全评价、损伤评估、剩余寿命预测、场地风险评价等提供系统、全面、准确的基础数据，进而为全面掌握震后管道受影响程度，应急管理工作有序开展提供重要的决策支持。

Description

一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法
技术领域
本发明涉及预警监测技术领域，特别是涉及一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法。
背景技术
地震是影响长输油气管道运营安全的重要风险因素，轻则导致场地轻微变形、地震动、管道局部应力集中，重则导致场地永久性变形、管道严重破损，甚至引发泄漏、爆燃等次生灾害。特别是近年来管道沿线地震灾害呈现多发、频发特点，对管道安全运行管理提出了更高的要求。
现有监测预警技术中已对穿越活动断层或临近活动断层的管道开展了管道应变监测与地表位移监测，但限于初期建设时技术水平与建设条件的限制，现有监测设备多为定时上下线，这导致在地震发生后不能确保第一时间获取监测数据，无法有效满足震后亟需开展管道安全评价的实际生产需求。在现有技术成果基础上，通过供电系统更新改造虽然可以解决监测设备24小时在线监测、及时获取震后监测数据的问题（如中国专利CN107917735A），但高耗能的监测方式治标不治本，不仅增加了监测预警系统的建设成本，而且会产生大量监测数据，对监测数据的存储与分析提出了更高的要求。
目前普遍应用的地震影响区油气管道监测以管道应变监测为主，部分开展了地表位移监测，监测内容较为单一，仅能开展管道本体监测与评价，对于环境影响，特别是地震的影响关注不足。虽然一些监测预警系统或方法中提出了多监测技术手段，如地表变形监测、场地振动监测等（如中国专利CN108535771A），能够提供更多的监测信息，但有些监测技术在实际应用中并不实用，且不符合自动化监测的需求，特别是对于多要素信息缺少深度分析、融合分析，未能抓住管道安全监测预警的本质。
地震作用下，特别是在主震烈度较大、时间持续较长或主震后多次强余震时，除对管道产生即时作用可能导致管道强度失效外，还可能因往复振动影响引发焊缝韧性的显著劣化，导致油气管道在超低周疲劳以及应变载荷作用下发生环焊缝断裂失效。在现有技术中，对于地震影响区的油气管道除关注管道本体强度外，并没有对管道的疲劳损伤程度进行实时关注，难以掌握其剩余使用寿命。此外，也没有对地震的影响范围、地震的影响程度进行精确分析和掌握，并不能全方位、系统化的开展安全管理与应急响应工作。
因此，本领域亟需提供一种新的管道监测预警技术，以能够及时感知地震，在震后第一时间获取地震影响下管道本体与环境因素的监测数据，最大程度获取地震影响下管道本体与环境要素信息，并进行数据深入分析、融合分析，进而为管道安全评价、损伤评估、剩余寿命预测、场地风险评价等提供系统、全面、准确的基础数据，为全面掌握震后管道受影响程度，应急管理工作有序开展提供重要的决策支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法，能够及时感知地震，在震后第一时间获取地震影响下管道本体与环境因素的监测数据，最大程度获取地震影响下管道本体与环境要素信息，并进行数据深入分析、融合分析，进而为管道安全评价、损伤评估、剩余寿命预测、场地风险评价等提供系统、全面、准确的基础数据，为全面掌握震后管道受影响程度，应急管理工作有序开展提供重要的决策支持。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，包括：
现场监测分析装置，用于获取监测数据，并用于对所述监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于所述逻辑分析结果开展本地监测响应；
远程控制中心，与所述现场监测分析装置远程连接，用于与所述现场监测分析装置进行数据交互；
共享数据中心，与所述远程控制中心远程连接，用于与所述远程控制中心进行数据交互。
优选地，所述现场监测分析装置包括：
监测子系统，用于获取监测数据；所述监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据；
采集分析子系统，与所述监测子系统连接，用于按预设时间间隔采集所述监测数据，并用于对所述监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于所述逻辑分析结果开展本地监测响应；
通讯子系统，与所述采集分析子系统连接，用于与所述远程控制中心进行数据通讯。
优选地，所述监测子系统包括：
管道应变监测模块，用于进行管道应变监测得到管道应变数据；
管道温度监测模块，用于进行管道温度监测得到管道温度数据；
管道振动监测模块，用于进行管道振动监测得到管道振动数据；
场地地震监测模块，用于进行场地地震监测得到场地地震数据；
地表变形监测模块，用于进行地表变形监测得到地表变形数据；
深部变形监测模块，用于进行深部变形监测得到深部变形数据；
场地渗水压监测模块，用于进行场地渗水压监测得到场地渗水压数据。
优选地，所述场地地震监测模块为烈度仪。
优选地，所述管道应变监测模块包括：
第一定制光缆，用于进行管道变形监测；
应变传感器，用于进行管道应变监测。
优选地，所述第一定制光缆包括：第一单芯光缆、第二单芯光缆和加强筋；所述加强筋置于所述第一单芯光缆和所述第二单芯光缆中间，且所述第一单芯光缆、所述加强筋和所述第二单芯光缆排列形成扁平状。
优选地，所述管道温度监测模块包括：
第二定制光缆，与所述第一定制光缆共缆，用于监测管道外防腐层温度；
温度传感器，用于监测管道钢体表面温度。
优选地，所述地表变形监测模块包括GNSS测站；
其中，管道穿越断裂带两盘各设置一套或多套GNSS测站；在距离所述管道穿越断裂带的预设距离的稳定区域内设置一套GNSS基站。
优选地，还包括：
预警信息发布平台，与所述远程控制中心无线连接，用于基于所述远程控制中心生成的预判结果生成预警信息，并用于采用无线通讯方式发布所述预警信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，通过采用现场监测分析装置，能够根据现场情况变化及时对现场各监测指标进行动态监测，也可以在远程控制中心的指令下开启实时加密监测，并根据现场地震情况、数据变化特征等监测数据，动态调整监测频率，解决长期高频监测资源浪费和定时在线监测数据不及时的问题。并且，系统采用现场监测分析装置进行本地数据的采集和分析，能够进行现场各类监测数据的本地采集、存储、解算等操作，为现场触发与变频监测提供判断依据，同时减少大量信息上传丢包、阻滞、数据分析不及时以及大量原始数据上传浪费通讯资源等问题。系统内设置远程控制中心，可执行多源数据信息融合分析，当现场反馈分析结果出现数据异常、新增预警时，便于向现场各监测设备下发原始数据回传指令，以及在云端开展数据清洗、筛选、数据质量分析、历史数据比较、变化趋势分析等处理。此外，基于监测得到的监测数据通过采用远程控制中心能够对数据进行深度分析、融合分析，以便开展管道本体强度、疲劳损伤评价、地表变形分析、管道剩余寿命预测、对核实准确的信息发布预警信息等操作，进而为震后油气管道安全管理与应急抢险提供全面的、动态的监测信息。
此外，本发明还提供了一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警方法，该方法应用于上述提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统；所述监测预警方法包括：
步骤100：获取监测数据；所述监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据；
步骤101：基于所述监测数据确定发生地震动时，以最后收到监测数据的时刻为起始时刻，分别获取第一时间窗内各采样点的历史监测数据和第二时间窗内各采样点的历史监测数据；
步骤102：基于所述第一时间窗内各采样点的历史监测数据确定第一采样点特征值；
步骤103：基于所述第二时间窗内各采样点的历史监测数据确定第二采样点特征值；
步骤104：基于所述第一采样点特征值确定第一时间窗内的信号平均值；
步骤105：基于所述第二采样点特征值确定第二时间窗内的信号平均值；
步骤106：确定所述第一时间窗内的信号平均值和所述第二时间窗内的信号平均值的比值；
步骤107：获取设定值，并确定所述比值是否大于等于所述设定值；
步骤108：当所述比值大于等于所述设定值时，确定起始时刻发生P波初动，触发监测子系统开始监测，并使触发次数加1；
步骤109：判断所述触发次数是否大于1，得到第一判断结果；
步骤110：当所述第一判断结果为是时，将截止到起始时刻采集的监测数据保存到文件；
步骤111：判断触发监测子系统开始监测后文件中已经保存的采样时间长度是否大于等于设定的触发监测子系统开始监测后保存的时间长度，得到第二判断结果；
步骤112：当所述第二判断结果为是时，停止将监测数据保存到文件中，并恢复到待触发状态；
步骤113：当所述第二判断结果为否时，继续将监测数据保存到文件中；
步骤114：当所述第一判断结果为否时，确定触发监测子系统开始监测时刻并确定保存文件名，新建文件；
步骤115：将触发监测子系统开始监测前保存的监测数据保存到新建的文件中；
步骤116：当所述比值小于所述设定值时，判断所述触发次数是否为0，得到第三判断结果；
步骤117：当所述第三判断结果为是时，将起始时刻对应的监测数据保存到文件，并返回执行步骤111；当所述第三判断结果为否时，返回执行步骤100；
步骤118：基于文件中保存的监测数据确定地震震级。
因本发明提供的这一监测预警方法实现的技术目的与上述提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统实现的技术目的相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统的实施架构图；
图3为本发明实施例提供的烈度仪的安装位置示意图；
图4为本发明实施例提供的光缆结构示意图；
图5为本发明实施例提供的光缆分布设置示意图；
图6为本发明实施例提供的轴向应变传感器设置示意图；
图7为本发明实施例提供的三轴振动传感器设置示意图；
图8为本发明实施例提供的GNSS测站位置设置示意图；
图9为本发明实施例提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警方法的流程图。
附图标记说明：
1-太阳能板，2-烈度仪，3-埋地管道，4-断层面，5-扁状光缆保护皮，6-紧套单模应变光缆，7-加强筋，8-松套单模应变光缆，9-扁平状分布式光缆，10-应变传感器，11-温度传感器，12-三轴振动传感器，13-GNSS测站，14-GNSS基站。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统和方法，能够及时感知地震，在震后第一时间获取地震影响下管道本体与环境因素的监测数据，最大程度获取地震影响下管道本体与环境要素信息，并进行数据深入分析、融合分析，进而为管道安全评价、损伤评估、剩余寿命预测、场地风险评价等提供系统、全面、准确的基础数据，为全面掌握震后管道受影响程度，应急管理工作有序开展提供重要的决策支持。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，包括：现场监测分析装置、远程控制中心和共享数据中心。
远程控制中心与现场监测分析装置远程连接。共享数据中心与远程控制中心远程连接。
现场监测分析装置用于获取监测数据，并用于对监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于逻辑分析结果开展本地监测响应。远程控制中心用于与现场监测分析装置进行数据交互。共享数据中心用于与远程控制中心进行数据交互。
为了进一步提高数据采集的实时性和全面性，如图2所示，本发明上述采用的现场监测分析装置包括：监测子系统、采集分析子系统、通讯子系统和供电子系统。
采集分析子系统与监测子系统连接。通讯子系统与采集分析子系统连接。具体的，监测子系统、采集分析子系统、通讯子系统和供电子系统根据现场监测设备布设情况，采取相适应的配置形式。若现场监测对象较为集中，各类监测设备可集中于一处，则监测子系统、采集分析子系统、通讯子系统和供电子系统按照集中方式布设，以实现监测数据集中采集、分析与传输。若现场监测对象较为分散，则监测子系统、采集分析子系统、通讯子系统和供电子系统按照分布式方式布设，监测子系统各组成部分独立配置采集分析子系统、通讯子系统与供电子系统，各独立部分可直接与远程控制中心通讯，也可与监测子系统中各监测模块通讯，间接与远程控制中心通讯。
监测子系统用于获取监测数据，以便对监测场地震动、管道本体宏观、微观形变及场地环境变化等进行监测。监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据，但不限于此。采集分析子系统主要用于按预设时间间隔采集监测数据，并用于对监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于逻辑分析结果开展本地监测响应。通讯子系统主要用于与远程控制中心进行数据通讯。
进一步，采集分析子系统采集、存储、解算、分析现场各类监测数据的目的是为了实现对现场各类监测数据采集、存储、实时解算和逻辑分析。根据现场监测分析装置构成特点，对于现场监测设备集中布设，本实施例中，采集分析子系统置于现场主机中，包含现场各类监测设备的数据采集与解算分析。对于现场监测设备分布式布设的，采集分析子系统置于现场各监测设备中，内含对应监测设备的数据采集与解算分析。采集分析子系统主要依据逻辑分析结果开展本地监测响应，例如实现现场其他监测设备触发监测或休眠。同时，采集分析子系统联合通讯子系统将实时解算与逻辑分析结果上传至现场主机或云端的远程控制中心，减少因大量数据传输丢包、信息阻滞等造成的监测数据上报不及时的问题，同时避免大量监测数据上传造成通讯资源浪费。
地震触发式动态变频监测是采集分析子系统的重要功能之一，置于现场的地震监测设备为低功耗产品，长期处于工作或心跳状态，每间隔10s向远程监控中心传输一次状态信息。当现场监测到超过设定阈值（峰值加速度或震级）的地震动时，采集分析子系统立即开始数据记录与数据分析，为全面反映某次地震事件影响，并为后续数据复核、事件分析提供完整、全面的信息。对于超过设定阈值（峰值加速度或震级）的地震事件，按照设定的数据采样频率（例如100Hz）记录阈值前几十秒（例如30秒）至事件结束全过程的数据记录，并存储为.evt格式的事件数据信息。
本发明采用的采集分析子系统能够在1秒钟内完成地震P波振幅参数捡拾和解算，其分析解算结果包括：三分向（EW、NS、UD）的峰值加速度、10s内的三分向的峰值加速度值（PGA）、峰值速度（PGV）、峰值位移（PGD）、烈度值和多个时刻（例如3s、10s和30s）的拟加速度反应谱值。当解算震级大于M（例如M=3）时，立即通过通讯子系统上报远程控制中心，与此同时通过采集分析子系统或其组成部件向其他监测设备发布I/O接口信息，开启现场监测设备实时动态监测与数据采集分析解算。其中，三分向（EW、NS、UD）的峰值加速度取的是1s实时数据的最大加速度值。10s内的三分向的峰值加速度值（PGA）是指连续记录的10s中内最大的峰值加速度值。
采集分析子系统的具体分析方法如下：
1）当现场有地震动发生时，采集分析子系统临时记录加速度时程数据，以最后收到的数据时刻为分析起点t0(s)，向前分别取短时间窗(t0-St，t0)（即第一时间窗）和长时间窗(t0-Lt，t0)（即第二时间窗）。
2）分别计算长、短时间窗内所有采样点的特征值CV(t)，并在此基础上计算长、短信号的平均值SLA和STA，其中：
               （1）
（2）
         （3）
式中，t为采样时刻，X(t)为t时刻垂直方向加速度值，Ns为短时间窗内采样记录点数，本实施例设为50（可调整），NL为长时间窗内采样记录点数，本处设为500（可调整）。
3）当STA/SLA不大于设定值时，循环往前计算。当STA/SLA大于设定触发阈值时，此时的t时刻认为P波初动确定为触发监测子系统开始监测。核验是否为第一次触发，若是，则记录P波触发时刻，确定保存文件名，将t时刻前30s缓存数据保存到文件中，永久记录触发事件数据信息。
基于文件中保存到的监测数据，可进一步进行地震震级Mw的计算：
        （4）
。
式中，积分区[0，t0]指从触发开始计时，代表高通滤波后垂直分项地震动位移值，代表高通滤波后垂直分项地震动位移加速度值，为中间参数。
在震后一段时间内，无余震、管道本体应力趋势平稳、管体无振动、地表变形监测平稳以及无趋势性增长时，远程控制中心有特殊指令下达时，按照指令要求开展监测，如无特殊指令下达时，现场监测设备自动恢复为待机状态，以备下一次条件满足时再次开启触发或唤醒响应监测。
进一步，监测子系统包括：管道应变监测模块、管道温度监测模块、管道振动监测模块、场地地震监测模块、地表变形监测模块、深部变形监测模块和场地渗水压监测模块。
其中，场地地震监测模块主要用于监测场地震动，可以采用烈度仪2采集地面三分向加速度（UD、NS、EW）。如图3所示，烈度仪2安装在距埋地管道3特定距离的地表上（例如断层面4的对应位置处），用于获取地震数据并记录地震波形。地震数据为地震发生时地震烈度仪2采集地震动的加速度信号。地震波形为地震信息的波形记录。为能良好反映场地地震强度，烈度仪2需固定于场地地震动观测摆墩上，观测摆墩设于地表，为一次性混凝土浇筑而成，底部与土层牢固连接，四周留有隔震槽。若提升监测效果也可采用监测性能更好、费用相对更高的强震仪，后续触发原理相同。
烈度仪2二十四小时处于侦测状态，实时监测场地震动。当监测到地震加速度峰值大于预设的触发阈值时，烈度仪2自动记录触发时刻前30s（这一时长可根据实际需要设置）至震动低于触发阈值之后30s（这一时长可根据实际需要设置）的地震数据和地震波形。触发阈值可根据实际需求自行设置，本实施例采用的触发阈值以3级烈度为例。同时，烈度仪2通过串口线（设备为集中式时，烈度仪2与1台主机相连时）或局域触发信号（设备为分布式时，烈度仪2与部分主机相连或完全不连接时，依靠局域网传输）实现其他监测技术手段触发监测。
管道应变监测模块主要用于监测管道本体宏观变形或微观应变。宏观变形采用长距离分布式应变监测技术，开展连续性应变监测，主要监测油气管道外轮廓宏观变形。微观应变监测采用局部精细化应变监测技术，主要监测油气管道关键部位管道钢体表层轴向应变值。
长距离分布式应变监测使用专用定制光缆，光缆整体呈扁平状，由松套单模应变光缆8（即第一单芯光缆）和紧套单模应变光缆6（即第二单芯光缆）构成，内置加强筋7，外设扁状光缆保护皮5，得到扁平状分布式光缆9，其具体结构如图4所示。扁平状分布式光缆9使用强力胶固定于管道外防腐层表面，沿管道轴向敷设。为增加分布式应变监测的准确性，增加对比性监测，在管道圆周方向上4个钟点位置敷设扁平状分布式光缆9，4处扁平状分布式光缆9宜均匀布设，对角方向的光缆最好呈180°角敷设，增加管道弯曲变形测量能力。4处扁平状分布式光缆首和尾与临近光缆连接，形成一条光缆通路，且整体的首和尾在同一位置集中，如图5所示。
局部精细化应变监测使用小尺寸应变传感器5，包括振弦式、光纤光栅式和电阻式应变传感器，在条件允许的情况下优先选用光纤光栅管道应变监测，以实现地震过程管体应变监测及震后高频监测，实施例中以光纤光栅应变传感器为例。通过在穿越断裂带及其附近管道本体上，取油气管道圆形截面，沿圆形截面按顺时针方向布设至少4支轴向应变传感器5，如图6所示。依据任意3支传感器组合计算出当前管道所受轴力、竖向弯矩和侧向弯矩，即可得到一组截面受力状态，当轴向应变传感器的个数是4时，即可得到4个管道截面受力状态方程，传感器冗余量越多，其获得的管道截面受力信息越为丰富全面。
管道温度监测模块一般与管道应变监测模块联合布设，分为长距离连续性温度监测和局部精细化温度监测。长距离连续性温度监测用于监测油气管道外防腐层温度值，监测数据包括管道沿线距离和温度组成的数组，以便于为判断管道泄漏情况和辅助分布式应变分析温度修正提供数据基础。本实施例中优先采用了更便于安装的扁平状定制光缆（即第二定制光缆），第一定制光缆（测应变光缆）与第二定制光缆（测温度光缆）共缆，敷设位置与敷设要求同上。如果采用一般光缆，则需要另外敷设温度光缆，敷设方式与要求同前。局部精细化温度监测用于监测油气管道关键部位管道钢体表层温度值，监测数据包括固定位置管表温度值，用于反映钢制材料真实温度，必要时用于应变监测补偿计算。一般温度传感器11在同一监测截面上安装1支即可，部分应变传感器自带温度测量功能（如振弦式应变传感器）可不用再单独安装温度传感器。
管道振动监测模块使用三轴振动传感器12，用于监测地震区域内特定位置管道本体的振动加速度或速度，对于场地结构差异较大区域可设置多处三轴振动传感器。三轴振动传感器12使用强力胶固定于管道顶部，X水平沿管道介质流向方向、Y水平垂直管道介质流向方向，Z竖直向上，如图7所示。为降低振动阻尼影响，传感器安装于管道防腐层表面，使用强烈胶与管道刚性连接或固定。根据需求可选取加速度或速度型振动传感器，分别获取X、Y、Z三轴的峰值加速度或速度值，用于管道振动风险预警及管体疲劳损伤评估分析。
使用地表变形监测模块时，地震影响区优先考虑管道穿越活动断层两盘地表位移监测，并考虑使用高频监测设备，全面反映地震影响下地表变形程度。基于此，在本实施例中，地表变形监测模块主要是在管道穿越断裂带两盘各设置1套GNSS（Global NavigationSatellite System，全球卫星导航系统）测站13，在断裂带以外稳定区域设置1套GNSS基站14，如图8所示。
视场地环境需要，在有次生灾害发育（如滑坡、采空沉降等）的地震影响区域考虑深部位移监测、地面沉降监测等，目的是能够监测在地震影响下场地土体变形情况。基于此，本实施例深部变形监测模块使用的传感器可为MEMS、振弦式、光纤式等传感器，建立时建议结合管道应变监测需要，优先考虑相同技术类型的监测技术，可以最大程度提高采集设备的集成度，降低现场设备功耗。
视场地环境需要，采用场地渗水压监测模块在滑坡发育区域或具备砂土液化条件的场地开展场地渗水压监测，场地渗水压监测模块主要是监测地震影响下场地孔隙水压力变化，辅助坡体变形与场地液化失效评价。
进一步，通讯子系统与采集分析子系统连接，实现现场监测分析装置内多种监测技术手段间通讯、现场监测分析装置与云端远程控制中心通讯。通讯子系统包含2种通讯模式，一种为支持2G/3G/4G/5G公网、NB-IoT窄带物联网、卫星通讯的远程数据传输模式。另一种为支持ZigBee、LoRa的短距离近场数据传输模式。根据现场实际环境做任意切换，满足偏远地区无信号、信号差或受地震影响通讯中断时的传输需要。
实际工作中，结合现场监测分析装置中具体监测设备的功用选择适宜的传输模式。当现场监测分析装置采用集中布设方式时，现场仅设置1套通讯子系统，通过远程工作模式与云端的远程监控中心通讯，现场优先采用2/3/4/5G公网或NB-IoT窄带物联网传输，当5次以上传输失败时，通讯子系统中的传输模块可自动切换为卫星通讯模式。当现场监测分析装置采用分布式方式时，根据现场通讯情况，优先采用现场分通讯子系统与现场主通讯子系统通讯，以降低通讯成本。其中，主通讯子系统设置在通讯信号良好的位置，可与现场其他分通讯子系统使用ZigBee或LoRa等近场通讯方式传输，同时可与远程控制中心实现远程数据传输。当现场局域网通讯异常或主通讯子系统故障时，分通讯子系统可切换为远程传输模式，直接与远程控制中心通讯。
供电子系统主要由太阳能板1、风力发电、蓄电池等构成，用于为现场监测分析装置、采集分析子系统、通讯子系统等提供电源供应。根据现场监测分析装置中各监测模块集中或分布式的布设方式，可分为集中式供电模式和分布式供电模式。
进一步，为了提高信息发送的便捷性和实时性，本发明上述提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统中还可以设置有预警信息发布平台，以用于基于远程控制中心生成的预判结果生成预警信息，并用于采用无线通讯方式发布预警信息。
基于此，本发明上述采用的远程控制中心内置有地震分析、远程召测、数据分析、安全评价、预警发布等功能模块，以用于接收信息并进行必要的信息处理，例如，接收现场上传的触发信号、解算数据，接收来自共享数据中心发布的地震预警信息等。还可以向现场监测分析装置下达指令，向数据共享中心发布信息。并将预警信息通过预警信息发布平台，采用APP终端、短信推送、邮件推送方式通知指定相关人员、作业区、场站人员等，并与生产系统互通信息，在管道强度临界限值、疲劳损伤严重时开展必要的紧急措施，如降压、停输等举措。
进一步，本发明采用的共享数据中心由单个或多个云服务器上的资源中心共同构成，用于向远程控制中心提供专业化的共享数据资源，包括中国地震台网系统、高频GNSS监测数据、SAR图集资源联网等。当远程控制中心接收到共享数据中心发送的信息后，开启工作。具体的，当接收到中国地震台网地震信息（发震时刻UTC+8、纬度、经度、深度、震级）后，远程控制中心中的地震分析模块立即以震中为中心开展地震烈度衰减分析。由于地震衰减与地震震源位置、场地类型、场地条件、传播路径、地形地貌等有关系，本系统开启烈度衰减分析的同时，考虑局地区域性地震烈度衰减特征。针对中国陆地地震衰减一般规律和特殊地震活动区地震衰减特征，建立对应的烈度衰减分析集（包括第一烈度衰减分析单元、第二烈度衰减分析单元和第三烈度衰减分析单元），按照地震影响最不利原则，选取烈度衰减分析集中长轴、短轴计算结果中峰值加速度较大值为对应监测单元计算最大峰值加速度PGAmax。若计算最大峰值加速度PGAmax≥10gal、计算最大峰值加速度PGAmax＜10gal且实测PGA≥PGAmax的监测单元，判断监测单元处于地震影响范围内或受地震影响，立即通过召测模块开启受影响监测单元远程召测，实时进行现场数据加密采集、分析、结果上报等。否则，不执行远程召测。
烈度衰减分析集计算公式一般形式有两种：
A类：。
B类：。
其中：PGA为峰值加速度。M为震级。R为震中距。、、、、分别为长轴或短轴对应系数，具体参数取值依据监测单元所在地区及断裂带区域进行取值。
。
式中，Vi为任意监测点i在定义直接坐标系下的向量，V0为震源点0在定义直接坐标系下的向量，r为地球赤道半径6378.137km。
定义直角坐标系下的单位向量为：
。
式中，x为定义直角坐标系x轴，y为定义直角坐标系y轴、z为定义直角坐标系z轴，N为维度坐标、E为经度坐标。
烈度衰减分析集中不同衰减分析单元适用范围如下。
第一烈度衰减分析单元（Ⅰ）：中国东部、中国西部、华北地区、江淮地区、华中及华南地区。
第二烈度衰减分析单元（Ⅱ）：天津市及邻区、河北及邻区、山东及邻区、胶东地区、江苏及邻区、浙江及邻区、安徽及邻区、重庆及邻区、四川盆地、云南地区、甘肃地区、内蒙古中部地区、内蒙古阿拉善地区、青藏区、川藏区、新疆区。
第三烈度衰减分析单元（Ⅲ）：安徽秦岭-大别山褶皱带、安徽下扬子断块区、安徽华北断块区、中强地震区、东部强震区、南北地震带地区。
基于上述描述，给出本发明以下应用实例，对本发明上述提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统的实施过程进行举例说明。
具体应用一：
现场烈度仪2侦测到超过触发阈值的地震数据后，自动向远程控制中心发送信息。远程控制中心接收到信息后记录各监测模块的GPS坐标，同时启动各监测模块的数据监听。对于3min钟内无监测解算数据上报的各监测模块，开启远程召测，检测设备在线工作情况。对现场各监测模块上报的各类监测解算结果数据开展数据复核，当发现监测解算结果出现新的预警、结果异常变化时，向现场各监测模块发送指令，并要求上传原始监测数据，由远程控制中心复核原始监测数据，经原始数据清洗、数据解算，数据分析后，对各监测指标确符合监测预警标准的数据，由远程控制中心发布预警信息。系统以PC端界面、手机APP端、短信、邮件等方式向定制信息人员、指定作业区、场站工作平台发布预警信息。
具体应用二：
远程控制中心接收数据共享中心如中国家地震台网等信息数据时，对3级以上地震开展信息处理与信息发布。信息处理是指，根据后台各监测模块坐标信息与震中坐标信息进行解算，明确辖区受地震影响各监测模块清单。信息发布是指，依据不同震级影响下、不同影响半径范围内的所有监测模块开启远程召测，通过下发指令唤醒现场监测模块并执行规定频次的加密监测，同时对既有高关注等级的各监测模块开启远程召测，实现关注单元实时监测，并接收现场解算结果反馈，短时间内完成地震影响情况分析与影响综合评价，并通过预警系统平台将地震信息、分析评价结果至相关人员。
具体应用三：
对于震级超过6级，地表变形水平或矢量位移超过10cm的地表变形监测模块，需要明确地震发生前后地震受损情况，根据现场各监测模块反馈的地震加速度与地震台网中心共享的地震信息，获取在此范围内的各监测模块的坐标，震时信息，并将此汇总为指定的数据格式信息，与数据共享中心通讯获取地震前后卫星影像图。使用专业技术软件开展数据分析，必要时，开展人工高精度卫星影像数据解析。同时，也通过数据共享中心获取临近区域卫星定位服务参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）监测测站监测数据，开展震前、震后GNSS地表位移监测数据分析，实现地震变形监测、周边次生灾害变形监测。明确地震前后受灾情况，为管道影响评估、安全评价，应急抢险等提供技术支持。
此外，本发明还提供了一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警方法，该方法应用于上述提供的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统。如图9所示，监测预警方法包括：
步骤100：获取监测数据。监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据。
步骤101：当基于监测数据确定发生地震动时，以最后收到监测数据的时刻为起始时刻，分别获取第一时间窗内各采样点的历史监测数据和第二时间窗内各采样点的历史监测数据。
步骤102：基于第一时间窗内各采样点的历史监测数据确定第一采样点特征值。
步骤103：基于第二时间窗内各采样点的历史监测数据确定第二采样点特征值。其中，采用公式（1）确定第一采样点特征值和第二采样点特征值。
步骤104：基于第一采样点特征值确定第一时间窗内的信号平均值。具体确定方式见公式（2）。
步骤105：基于第二采样点特征值确定第二时间窗内的信号平均值。具体确定方式见公式（3）。
步骤106：确定第一时间窗内的信号平均值和第二时间窗内的信号平均值的比值。
步骤107：获取设定值，并确定比值是否大于等于设定值。
步骤108：当比值大于等于设定值时，确定起始时刻发生P波初动，触发监测子系统开始监测，并使触发次数加1。
步骤109：判断触发次数是否大于1，得到第一判断结果。
步骤110：当第一判断结果为是时，将截止到起始时刻采集的监测数据保存到文件。
步骤111：判断触发监测子系统开始监测后文件中已经保存的采样时间长度是否大于等于设定的触发监测子系统开始监测后保存的时间长度，得到第二判断结果。
步骤112：当第二判断结果为是时，停止将监测数据保存到文件中，并恢复到待触发状态。
步骤113：当第二判断结果为否时，继续将监测数据保存到文件中。
步骤114：当第一判断结果为否时，确定触发监测子系统开始监测时刻并确定保存文件名，新建文件。
步骤115：将触发监测子系统开始监测前保存的监测数据保存到新建的文件中。
步骤116：当比值小于设定值时，判断触发次数是否为0，得到第三判断结果。
步骤117：当第三判断结果为是时，将起始时刻对应的监测数据保存到文件，并返回执行步骤111。当第三判断结果为否时，返回步骤100。
步骤118：基于文件中保存的监测数据确定地震震级。地震震级的具体确定公式见上述公式（4）。
图9中，T表示触发后已经保存的采样时间长度，T0表示设定的触发后保存的时间长度，TΔ表示新保存数据的时间长度，n表示触发次数，N表示否，Y表示是。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，包括：
现场监测分析装置，用于获取监测数据，并用于对所述监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于所述逻辑分析结果开展本地监测响应；
远程控制中心，与所述现场监测分析装置远程连接，用于与所述现场监测分析装置进行数据交互；
共享数据中心，与所述远程控制中心远程连接，用于与所述远程控制中心进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述现场监测分析装置包括：
监测子系统，用于获取监测数据；所述监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据；
采集分析子系统，与所述监测子系统连接，用于按预设时间间隔采集所述监测数据，并用于对所述监测数据进行数据解算和数据分析得到逻辑分析结果，还用于基于所述逻辑分析结果开展本地监测响应；
通讯子系统，与所述采集分析子系统连接，用于与所述远程控制中心进行数据通讯。
3.根据权利要求2所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述监测子系统包括：
管道应变监测模块，用于进行管道应变监测得到管道应变数据；
管道温度监测模块，用于进行管道温度监测得到管道温度数据；
管道振动监测模块，用于进行管道振动监测得到管道振动数据；
场地地震监测模块，用于进行场地地震监测得到场地地震数据；
地表变形监测模块，用于进行地表变形监测得到地表变形数据；
深部变形监测模块，用于进行深部变形监测得到深部变形数据；
场地渗水压监测模块，用于进行场地渗水压监测得到场地渗水压数据。
4.根据权利要求3所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述场地地震监测模块为烈度仪。
5.根据权利要求3所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述管道应变监测模块包括：
第一定制光缆，用于进行管道变形监测；
应变传感器，用于进行管道应变监测。
6.根据权利要求5所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述第一定制光缆包括：第一单芯光缆、第二单芯光缆和加强筋；所述加强筋置于所述第一单芯光缆和所述第二单芯光缆中间，且所述第一单芯光缆、所述加强筋和所述第二单芯光缆排列形成扁平状。
7.根据权利要求5所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述管道温度监测模块包括：
第二定制光缆，与所述第一定制光缆共缆，用于监测管道外防腐层温度；
温度传感器，用于监测管道钢体表面温度。
8.根据权利要求3所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，所述地表变形监测模块包括GNSS测站和GNSS基站；
其中，管道穿越断裂带两盘各设置一套或多套GNSS测站；在距离所述管道穿越断裂带的预设距离的稳定区域内设置一套GNSS基站。
9.根据权利要求1所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统，其特征在于，还包括：
预警信息发布平台，与所述远程控制中心无线连接，用于基于所述远程控制中心生成的预判结果生成预警信息，并用于采用无线通讯方式发布所述预警信息。
10.一种面向地震影响区油气管道安全的监测预警方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任意一项所述的面向地震影响区油气管道安全的监测预警系统；所述监测预警方法包括：
步骤100：获取监测数据；所述监测数据包括：管道应变数据、管道温度数据、管道振动数据、场地地震数据、地表变形数据、深部变形数据和场地渗水压数据；
步骤101：基于所述监测数据确定发生地震动时，以最后收到监测数据的时刻为起始时刻，分别获取第一时间窗内各采样点的历史监测数据和第二时间窗内各采样点的历史监测数据；
步骤102：基于所述第一时间窗内各采样点的历史监测数据确定第一采样点特征值；
步骤103：基于所述第二时间窗内各采样点的历史监测数据确定第二采样点特征值；
步骤104：基于所述第一采样点特征值确定第一时间窗内的信号平均值；
步骤105：基于所述第二采样点特征值确定第二时间窗内的信号平均值；
步骤106：确定所述第一时间窗内的信号平均值和所述第二时间窗内的信号平均值的比值；
步骤107：获取设定值，并确定所述比值是否大于等于所述设定值；
步骤108：当所述比值大于等于所述设定值时，确定起始时刻发生P波初动，触发监测子系统开始监测，并使触发次数加1；
步骤109：判断所述触发次数是否大于1，得到第一判断结果；
步骤110：当所述第一判断结果为是时，将截止到起始时刻采集的监测数据保存到文件；
步骤111：判断触发监测子系统开始监测后文件中已经保存的采样时间长度是否大于等于设定的触发监测子系统开始监测后保存的时间长度，得到第二判断结果；
步骤112：当所述第二判断结果为是时，停止将监测数据保存到文件中，并恢复到待触发状态；
步骤113：当所述第二判断结果为否时，继续将监测数据保存到文件中；
步骤114：当所述第一判断结果为否时，确定触发监测子系统开始监测时刻并确定保存文件名，新建文件；
步骤115：将触发监测子系统开始监测前保存的监测数据保存到新建的文件中；
步骤116：当所述比值小于所述设定值时，判断所述触发次数是否为0，得到第三判断结果；
步骤117：当所述第三判断结果为是时，将起始时刻对应的监测数据保存到文件，并返回执行步骤111；当所述第三判断结果为否时，返回执行步骤100；
步骤118：基于文件中保存的监测数据确定地震震级。
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