1. 引言
油气管道作为国家能源输送的关键基础设施，承担着长距离、大容量、连续性输送任务，其安全运行直接关系到能源供应的稳定性和经济社会的可持续发展。近年来，随着管网规模的持续扩展和地理环境的日益复杂，管道安全巡检与故障定位的难度显著增加。传统巡检方式主要依赖人工定期巡逻或局部在线监测，不仅耗时耗力，且在面对突发性损坏或入侵事件时反应不够及时[1]。
分布式光纤振动监测(Distributed Vibration Sensing, DVS)技术，利用光纤作为传感介质，通过对背向瑞利散射信号的实时分析，实现沿线振动事件的定位与识别[2]。与点式传感器相比，DVS具有覆盖范围广、免电源、抗电磁干扰等优点，尤其适用于油气管道的长距离、无人值守巡护场景。
理工光科与陕西天然气公司合作开发的便携式巡缆仪DVS-2100-P，集成了高精度OTDR模块、振动事件在线监测模块及移动数据传输系统，配合MQTT协议实现数据在移动端的实时推送与可视化。该设备在陕西天然气便携式巡缆仪试点项目中，已实现探测光缆长度≥70 km@0.22 dB/km，定位精度10 m/70km、5 m/30km，并在现场验证了其在光缆断点寻找、盘缆确认、光缆路由定位等多种场景下的实用性与高效性。
本研究基于该产品的试验研究与工程实践，探讨其在复杂油气管道场景的多样化应用，并提出针对不同场景的技术路线与实施方案。
2. 文献综述
分布式光纤传感技术自20世纪80年代提出以来，经历了从温度/应变分布测量(DTS/DTSS)到振动监测(DVS/DAS)的快速发展。国外研究主要集中在探测距离提升和信号解调算法优化，例如Hartog等[3]提出相干探测模型DAS提高信噪比；Miah等[4]提出基于相位解调的长距离定位方法，将测量范围扩展至百公里级别。
在国内，分布式光纤振动监测技术近年来在安防、边境防护、油气管道巡护等领域得到广泛关注[5]。研究重点包括信号识别算法、定位精度提升及抗干扰能力增强[6]。已有成果表明，结合机器学习的模式识别可有效区分自然噪声与入侵信号[7]，而多模态传感融合可进一步提高定位精度[8]。
然而，便携式分布式光纤巡检设备的研究相对较少，尤其是针对现场快速部署、临时故障排查、复杂地形条件下巡缆的研究不足。已有便携式OTDR仪表虽能进行光缆故障定位，但缺乏实时振动监测能力和移动数据共享能力，难以满足油气管道多样化应用需求[9]。本研究所用的DVS-2100-P填补了该领域在便携性、实时性与多功能性方面的空白。
3. 方法与技术路线
3.1. 技术原理
DVS-2100-P基于相干探测型分布式光纤振动传感原理。如图1系统通过窄线宽激光器向光缆注入脉冲光信号，利用背向瑞利散射效应获取沿线各位置的散射光信号，经光电探测与相干解调后获得相位信息[10]。振动事件会引起光纤微小应变，从而导致相位变化，通过相位差分运算可实现振动事件的时间–位置映射[11]。
分布式振动传感器采用相干检测的相位-OTDR技术[12]，基于相干瑞利散射的应变传感方法[13] [14]进一步提升了检测灵敏度。
Figure 1. Schematic diagram of distributed optical fiber vibration sensing
图1. 分布式光纤振动传感原理图
为同时具备断点定位能力，设备集成高精度OTDR模块，可在振动监测模式与OTDR模式间切换，实现断点快速精确定位。
整体技术路线如下图2，前端设备完成信号采集、处理、识别，通过MQTT协议上传云端处理并分发至各移动终端。
3.2. 硬件架构
设备尺寸为222 mm × 88 mm × 315 mm，单通道设计，光接口类型为FC/APC。内部集成模块包括：
窄线宽激光源
高速声光调制器
相干光接收单元
FPGA + DSP双处理核心
工业级嵌入式主控与4G/5G通讯模块
电池续航可达8小时，支持野外长时间独立运行。
Figure 2. Overall technical route
图2. 整体技术路线
Figure 3. Equipment appearance
图3. 设备外观图
3.3. 数据传输与MQTT架构
数据传输架构如图4，采用MQTT协议实现移动端实时数据推送。设备通过蜂窝网络将振动事件数据包传输至云端消息代理服务器，移动终端APP订阅对应主题后可即时获取事件信息、定位图与光缆状态曲线。该架构延迟低于500 ms，支持多终端同时访问，便于现场与指挥中心的联动。
Figure 4. Data transfer architecture
图4. 数据传输架构
系统总体架构采用“设备–云端–移动端”的三层架构设计：
1) 设备端(边缘采集层)
- 功能：实时采集光缆振动事件信息(事件类型、时间戳、事件强度、光缆位置等)
- 通信方式：通过蜂窝网络(4G/5G)发送数据包至云端消息代理服务器
- 特点：
数据采集周期短、实时性高
事件触发时即刻上传，延迟<500ms
2) 云端(消息中间件层)
- 功能：接收、分发和管理设备消息
- 技术选型：MQTT协议(轻量、QoS可控、高并发订阅)
- 主题管理：
每类事件/光缆对应独立Topic (如vibration/cable01/event)
支持多终端订阅，实现指挥中心与现场端数据同步
- 消息处理：
支持QoS 0/1/2分级可靠性
遗嘱消息机制(设备离线通知)
- 存储/缓存：关键事件暂存，支持历史记录拉取与离线消息补偿
3) 移动端APP(订阅层)
- 功能：订阅主题实时接收振动事件
- 展示：
事件信息(类型/时间/强度)
光缆断点地图标注
历史及实时振动波形曲线
- 交互特性：
多终端同步订阅(现场与指挥中心联动)
消息推送延迟<500 ms
3.4. 信号处理与事件识别
系统信号处理链路详见图5：
Figure 5. System signal processing link
图5. 系统信号处理链路
1) 带通滤波：滤除低频环境噪声和高频电气干扰；
2) 相位差分运算：提取微小应变引起的相位变化；
3) 包络检测与门限判定：确定事件触发点；
4) 模式识别算法：结合事件持续时间、频谱特征、幅值变化模式，区分敲击、车辆行驶、施工扰动等事件类型。
在断点查找模式下，系统使用OTDR回波分析算法，通过计算背向散射功率衰减斜率变化位置来确定断点距离，技术路线如下。
Figure 6. Application logic-breakpoint search technology route
图6. 应用逻辑–断点查找技术路线
4. 工程试点与多场景应用
4.1. 陕西天然气试点项目概述
试点区域位于陕西境内一段穿越丘陵与农田的长输天然气管道。现场环境复杂，光缆埋深不一，部分路段存在历史施工改道记录。试点任务包括：
1) 验证设备在≥70 km光缆上的探测能力与定位精度；
2) 演示断点查找与盘缆确认流程；
3) 验证在临时巡检部署中的快速响应能力。
4.2. 现场部署与标定
设备通过FC/APC接口接入巡检光缆，初步进行OTDR扫描以获取光缆长度与衰减曲线，确认端口接续质量。随后进行敲击标定试验：在光缆已知位置进行机械冲击，记录设备定位结果以修正光速折射率参数，提高测距精度至5 m/30km。
4.3. 光缆断点寻找
在一次模拟施工破坏测试中，设备在监测界面实时显示53.27 km处发生强反射事件，触发高优先级告警。切换至OTDR模式确认该点背向散射功率突降，最终现场测量断点位置误差小于8 m。与传统人工沿线查找相比，巡缆时间由6小时缩短至30分钟。
4.4. 盘缆确认
对于长期闲置或未入网的光缆，设备可进行多点敲击确认，验证其在接续点的物理位置与记录是否一致。本项目中，利用DVS监测模式在12 km至15 km区间检测到异常重复回波，现场确认为施工单位在农田地下盘存的光缆。通过该方法，可避免误判盘缆为线路断裂。
4.5. 光缆路由定位
对于历史施工改道未更新记录的路段，设备通过连续低强度敲击沿线定位光缆走向，并与GPS坐标绑定形成数字路由地图。在试点中，定位出的路由与原设计图纸存在约150 m偏差，为后续管道巡护提供了准确的地理参考。
5. 讨论
本研究在陕西天然气便携式巡缆仪试点项目中验证了DVS-2100-P在长距离、多场景油气管道巡护中的应用效果。从技术角度来看，便携式DVS设备通过将分布式光纤振动传感与高精度OTDR功能集成在单一便携平台中，实现了对光缆沿线振动事件的实时检测与定位，显著提高了巡检效率和安全性。
首先，在光缆断点寻找方面，该系统利用光时域反射原理结合振动定位技术，可在断点无法形成光回波的情况下，通过线路末端及断点前后振动信号的对比，推测断点位置。这一技术在传统OTDR无法正常工作时具有重要补充价值，尤其在长距离油气管道跨越山区、河流等复杂地形中，其快速反应和高定位精度减少了现场人员反复查找的工作量。
其次，在盘缆确认过程中，通过在室外盘缆位置实施敲击或人工振动信号，便携式巡缆仪可在70 km范围内准确识别该位置的光纤段。这种方式尤其适用于施工现场光缆存放区、临时光纤余缆检测，有助于资产管理与维护调度。
第三，光缆路由定位方面，DVS系统可通过沿线行走、分段敲击的方式，结合地图与GIS数据，绘制出光缆的实际铺设路径。这对于已缺少完整竣工资料或存在路由偏差的油气管道监测项目而言，提供了重要的修复与更新依据。试点过程中，在某山区管段，该方法成功修正了原设计路由与实际敷设路径间超过200米的误差。
然而，本研究也发现，便携式DVS在使用过程中仍面临一些挑战：
(1) 在高交通噪声环境中，非目标振动事件的识别需要更高效的滤波与模式识别算法；
(2) 长距离传输下，0.22 dB/km的衰耗虽可支持70 km探测，但在更长距离的特殊工程中仍需配合中继放大器或低损耗光缆；
(3) 便携式设计虽然方便，但对于复杂多通道光纤网络的实时监测仍需配套后台服务器与云平台进行集中管理，针对网络差区域仍存在数据无法连通的问题。
未来，针对这些问题，可以考虑在设备中引入基于深度学习的事件识别算法、增加多通道光学切换模块，以及将设备与无人机巡检、北斗定位系统结合，进一步提升智能化与自动化水平。分布式光纤传感技术在能源领域的工程化应用研究[15]为这些改进方向提供了理论基础。
6. 结论
本文针对复杂油气管道环境中光纤巡护的需求，基于理工光科与陕西天然气联合开发的便携式巡缆仪DVS-2100-P，结合陕西天然气的试点项目，系统分析了分布式光纤振动监测技术在断点查找、盘缆确认、光缆路由定位等多种应用场景的可行性与优势。
研究结果表明，该系统可在70 km距离内实现10米精度定位，在30 km范围内达到5米精度，并通过便携化、单通道、FC/APC光接口的设计，兼顾了工程实用性与现场可操作性。在试点中，系统不仅实现了对光缆断点的快速定位，还完成了盘缆识别与路由修正任务，大幅提升了巡检效率与安全性。
本研究为分布式光纤振动监测技术在油气管道巡护中的推广应用提供了实践依据，尤其适合于临时巡检、应急维护和缺乏固定监测系统的管段。然而，未来在提升抗干扰能力、延伸监测距离和实现多通道集成方面仍有改进空间。
致 谢
本文的研究工作得到了陕西天然气有限公司在试点项目中的大力支持，感谢现场技术人员在数据采集与试验过程中的协助。同时，感谢理工光科研发团队在便携式巡缆仪DVS-2100-P的设计与优化中提供的技术支持。对于参与本研究的所有同事和合作伙伴，作者表示诚挚的感谢。
NOTES
*共同一作。