基于分布式光纤传感与目标检测的管道安全监测方法的研究

作     者：张鸿宇 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王昌

授予年度：2024年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：分布式光纤传感 目标检测 管道安全 

摘      要：油气管道在我国经济发展和社会生活中占据重要地位,我国90%以上的天然气和70%的原油都依赖管道运输。管道发生泄漏会造成环境污染,经济损失,严重威胁社会生命安全。然而传统的管道安全检测技术无法满足行业的需求,存在着误报多、漏报多、实时性差的缺陷。分布式光纤传感技术是一种新型传感技术,具有本质安全,防雷防爆,抗电磁干扰,适应各种环境,不易损坏、寿命长等众多优势。通过在管道沿线部署光缆实时感知沿线振动信号,并且利用目标检测技术对管道安全事件信号进行定位和识别,从而可实现对油气管道长距离、无盲点、低成本的实时监测。但是现有的目标检测技术在对长距离管道安全的事件检测中,存在着定位和分类准确度低的问题,这也导致管道安全监测系统的误报率和漏报率偏高,可能会造成难以挽回的损失。因此本文通过对现有YOLOv7模型改进,提出了一种能准确定位和识别管道安全事件、并能够满足实时性要求的目标检测算法。具体研究内容如下: (1)概述了本课题的研究背景与意义,通过对光纤传感管道安全监测领域进行调研,总结了基于分布式光纤传感的管道安全监测信号识别研究现状,对不同人工智能算法识别事件信号的优劣势做了详细阐述。并探讨了光的散射原理,对基于相位敏感光时域反射技术的分布式光纤振动传感系统的原理、构造、性能指标和目标检测技术做了详细介绍。 (2)搭建了基于分布式光纤传感的管道安全监测模拟系统,采集了电钻钻孔、锯磨管道、敲击管道、人员行走、挖掘和管道泄漏六类典型管道安全事件的时空信号数据,并对这些数据进行了信号去噪、差分平均、数据切分、数据增强等预处理操作,建立了管道安全事件时空信号数据库。 (3)针对当前目标检测算法对分布式光纤振动传感系统采集到的长距离时空信号数据定位识别精度低的问题,提出一种YOLOv7-SPD-CBAM-DyHead目标检测模型。在原有YOLOv7模型的基础上,通过使用SPD-Conv(Space to Depth Conv)替代部分跨步卷积和池化操作,最大保留所有的特征信息,减少特征丢失,提升对小目标的检测效果。引入CBAM空间注意力机制,使模型有效地识别和细化特征,提高对分布式光纤振动传感二维时空信号的识别精度,同时引入了具备尺度感知、空间感知以及任务感知能力的目标检测头Dynamic Head增强网络对关键特征的利用,提高对二维时空数据中管道安全事件目标的检测精度。并设计了实验对模型的效果进行了评估。实验结果表明YOLOv7-SPD-CBAM-DyHead目标检测模型对于管道安全监测场景下的电钻钻孔、锯磨管道、敲击管道、人员行走、挖掘、管道泄漏事件的检测平均精度均值(mAP@0.5)分别可以达到99.3%,99.8%,99.8%,99.7%,99.9%,99.7%,检测六类事件的平均精度均值可以达到99.7%,与YOLOv5、YOLOv7等目标检测模型相比展示出了最优的性能。 (4)在山东省石油天然气股份有限公司位于淄博市的天然气管道现场进行现场试验测试,来验证算法的可靠性。并在现场对人员挖掘、机械挖掘、人员行走、管道泄漏四种事件类型进行了100组现场测试,测试结果表明系统对于四类事件的检测成功率可达到97%,也证明提出的算法能够有效地定位和识别事件,实现长距离的管道安全监测。