基于分布式光纤传感的管道健康状态监测研究
摘要
如今，各类输送管线已逐渐成为了世界各国重要的基础设施，众多重要的资源被通
过管道运输。目前在世界范围内存在着数百万公里的管线，大量的管网建设带来了严峻
的管道维护问题。在管线常年运行过程中，第三方入侵破坏、管道腐蚀、阻塞、泄漏都
会导致管道的失效，造成严重的经济损失及环境污染，因此如何实时掌握管道运行状态，
保证其正常运作非常具有研究意义。针对日益增长的长距管道健康状态监测的需求，本
文提出了一种基于相位敏感光时域反射仪（Phase-sensitiveOpticalTimeDomain
Reflectometry，φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统，对管道运行过程中出现的阻塞、
腐蚀等异常状态以及外界异常扰动进行预警和报警，实现对管道健康状态实时的，全面
的监测，具体工作内容如下：
1.对常见的管道内部异常状态进行了简化建模，并结合ANSYSWorkbench双向流
固耦合模块对管道运行状态进行了仿真，分别对两种程度阻塞管道、两种程度缺损管道
以及正常管道五类管况下的流体、固体状态进行了分析，研究包括：（1）研究分析了不
同管况下流体速度、压力、湍流动能以及对管壁作用形式的差异。（2）研究分析了管道
流致振动的频域信号特性，通过频谱图总结了不同管况下频域特征的变化规律。（3）通
过小波包分解探明了不同管况下管壁产生振动在不同频段的能量变化规律，为之后的实
验平台搭建，信号采集以及数据处理识别提供了理论基础，从定性的角度论证了通过频
域特征去区分识别管道不同异常状态的可行性。
2.搭建管道异常状态监测平台，模拟实际管道工作状态，制作了管道异常实物模型，
分别将其接入工作管路来模拟管道运行时出现的不同种类的异常状态，并采用基于φ-
OTDR的分布式光纤振动传感系统对不同异常管况的管道的振动信息进行了大量的数
据采集。
3.结合管道模拟仿真中得到的结论，对采集得到的振动相位信息进行了多层小波包
分解，计算不同节点的小波能量及占比，分析在实验中不同种类异常状态下各个频段能
量分布的差异，并将其作为信号特征，对BP（BackPropagation）神经网络进行训练，
最终通过训练得到的模型对采集到的数据进行分类识别，并基于准确率、精确率、召回
率和F1-score等指标对识别结果进行评价分析，最终得到了较好的识别效果。
关键词：分布式光纤传感；φ-OTDR；管道异常；预警
基于分布式光纤传感的管道健康状态监测研究
Abstract
Nowadays,varioustransmissionpipelineshavegraduallybecomeimportantinfrastructures
incountriesallovertheworld,andmanyimportantresourcesaretransportedthroughpipelines.
Atpresent,therearemillionsofkilometersofpipelinesintheworld,andtheconstructionofa
largenumberofpipelinenetworkshasbroughtseriouspipelinemaintenanceproblems.During
theyear-roundoperationofpipelines,third-partyinvasionanddamage,pipelinecorrosion,
blockageandleakagewillcausepipelinefailure.Therefore,howtograsptheoperationstatus
ofthepipelineinrealtimeandensureitsnormaloperationisofgreatresearchsignificance.In
responsetothegrowing