近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李永宇+王佐強(qiáng)+孫奇?zhèn)?常世君+劉極莉

摘 要：面對(duì)日益突顯的海底管道水下安防新課題，目前主要采用的沿海底管道路由布放警示浮標(biāo)的方法無(wú)法對(duì)需保護(hù)區(qū)域進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，并缺少相關(guān)驅(qū)離措施，保護(hù)效果不顯著。因此需研究建立一套水下、水面全方位立體監(jiān)測(cè)的海底管道安防新系統(tǒng)。本文以南海某項(xiàng)目為分析明近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的組成、功能及關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：近岸段海底管道；立體安防系統(tǒng)；水聲監(jiān)測(cè)；雷達(dá)監(jiān)測(cè)；視頻監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0156-02

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外海洋油氣資源開(kāi)發(fā)步伐日益加快，興建了一大批海上油氣田，開(kāi)采出來(lái)的油氣資源通過(guò)鋪設(shè)的海底管道送至陸上終端。但海底管道在近岸段易受到船舶拋錨、水下作業(yè)、挖沙等威脅，會(huì)對(duì)海底管道的安全造成不容忽視的影響[1]。面對(duì)日益突顯的海底管道水下安防新課題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)近岸段海底管道保護(hù)的安防措施主要是沿管道路徑布放警示浮標(biāo)，但缺乏對(duì)需保護(hù)區(qū)域的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效的驅(qū)離措施，保護(hù)效果不顯著。為預(yù)防與應(yīng)對(duì)上述事故的發(fā)生及對(duì)海底管道進(jìn)行立體全方位的監(jiān)控防護(hù)，建立一套水下、水面全方位立體監(jiān)測(cè)的近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)已勢(shì)在必行。

2 對(duì)于近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的研究

2.1 近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及技術(shù)方針

為對(duì)海底管道進(jìn)行立體實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，降低管道被外部不明船只在附近施工、作業(yè)或拋錨等危險(xiǎn)行為造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)，近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)應(yīng)按照主動(dòng)防御、準(zhǔn)確測(cè)報(bào)、防范未然、規(guī)避事故的原則方針開(kāi)展設(shè)計(jì)，以達(dá)到全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警，并對(duì)目標(biāo)位置及狀態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量，甚至采用防衛(wèi)機(jī)制將目標(biāo)驅(qū)離限定水域，為管道的安全增添一份切實(shí)保障。近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)應(yīng)按照無(wú)人值守的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但為保證系統(tǒng)可靠性，工作模式應(yīng)有自動(dòng)和人工兩種模式。

2.2 近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的基本構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)上述功能，近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)可采用水下聲學(xué)測(cè)量并結(jié)合岸上雷達(dá)和視頻測(cè)量的聯(lián)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，綜合利用水聲、電磁波和光學(xué)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海底管道近岸段水面船只活動(dòng)及作業(yè)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)現(xiàn)象及時(shí)報(bào)警，降低海底管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)系統(tǒng)可由水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及站控中心控制系統(tǒng)組成。近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)組成示意圖1所示。

2.3 近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的工作流程

近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)采用水聲與雷達(dá)、視頻聯(lián)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，其工作流程描述如下：首先利用水聲被動(dòng)測(cè)量可長(zhǎng)期工作的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道沿線(xiàn)水面、水下目標(biāo)的前期聲學(xué)預(yù)警，再利用岸基雷達(dá)的短期主動(dòng)掃描，獲取水面可疑目標(biāo)的準(zhǔn)確參數(shù)，視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備用于雷達(dá)近端監(jiān)測(cè)盲區(qū)的補(bǔ)充測(cè)量。在管道沿線(xiàn)布放的警示浮標(biāo)上加裝水聲監(jiān)測(cè)設(shè)備，多個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合就可以覆蓋海底管道沿線(xiàn)區(qū)域。工作模式應(yīng)有自動(dòng)和人工兩種模式，雷達(dá)和視頻可隨時(shí)人工控制開(kāi)啟。立體安防系統(tǒng)總體工作流程圖圖2所示。

2.4 需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道進(jìn)行立體實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，前文中提到的近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）海面雷達(dá)雜波抑制抗干擾技術(shù)。由于海上風(fēng)浪、界面反射等因素影響，海面雜波抑制與陸地雜波抑制存在極大的差異，海面雜波因不同海況而異，其處理方法更為復(fù)雜，需采用海面雜波抑制抗干擾技術(shù)，以提高海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信雜比和信噪比，完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)及對(duì)目標(biāo)距離、幅度等信息的有效提取。（2）目標(biāo)水聲檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)。聲納被動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別是水聲界的前沿技術(shù)之一，包括低頻線(xiàn)譜檢測(cè)、特征提取和目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別三大步驟，需針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際使用條件和檢測(cè)要求，研究適宜的目標(biāo)識(shí)別算法，并開(kāi)展實(shí)際環(huán)境下的驗(yàn)證，對(duì)目標(biāo)識(shí)別算法和判決門(mén)限進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到理想的目標(biāo)識(shí)別效果。（3）浮標(biāo)結(jié)構(gòu)改造及設(shè)備安裝技術(shù)。水聲設(shè)備是依托浮標(biāo)進(jìn)行安裝的，必須對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行改造，改造方案既要符合海事部門(mén)的規(guī)范，又要充分考慮海上裝卸的方便性、浮標(biāo)的穩(wěn)定性、可維修性等因素，并要保證水聽(tīng)器的最佳接收性能。（4）多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及綜合顯控技術(shù)。系統(tǒng)綜合顯控軟件對(duì)聲納、雷達(dá)、視頻、定位等多套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)的綜合處理、顯示，功能復(fù)雜，其設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到系統(tǒng)的可操作性、可視性、可維修性及系統(tǒng)的總體性能。

3 海底管道近岸段立體安防體系的應(yīng)用實(shí)例

南海某項(xiàng)目應(yīng)用了海底管道近岸段立體安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用水聲與雷達(dá)、視頻聯(lián)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案對(duì)海底管道近岸段水面船只活動(dòng)及作業(yè)情況進(jìn)行立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)現(xiàn)象及時(shí)報(bào)警，降低海底管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。此系統(tǒng)首先利用沿海底管道近岸段路徑布置的浮標(biāo)以及布置在浮標(biāo)上的水聲設(shè)備對(duì)海底管道沿線(xiàn)水面、水下目標(biāo)進(jìn)行前期聲學(xué)預(yù)警；然后再利用布置在終端場(chǎng)地的CY1013中近程對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)進(jìn)行短期主動(dòng)掃描，獲取水面可疑目標(biāo)的準(zhǔn)確參數(shù)，例如精確距離、方位、速度、反射強(qiáng)度等信息，并跟蹤目標(biāo)的航行軌跡；并用視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備（含可見(jiàn)光CCD和紅外熱像儀）用于雷達(dá)近端監(jiān)測(cè)盲區(qū)的補(bǔ)充測(cè)量；站控中心綜合監(jiān)測(cè)顯控軟件接收水聲數(shù)據(jù)、雷達(dá)目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)、目標(biāo)船只數(shù)據(jù)及近區(qū)（2公里內(nèi)）視頻報(bào)警數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析處理后，實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡及狀態(tài)信息，并給出危險(xiǎn)目標(biāo)報(bào)警提示。整個(gè)系統(tǒng)由基于浮標(biāo)的水聲監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)和雷達(dá)、視頻監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)以及站控中心的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)顯控設(shè)備四大部分組成。

3.1 水聲監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[2-3]，沿近岸段海底管道路由布置浮標(biāo)12對(duì)浮標(biāo)，其中實(shí)體浮標(biāo)含改造裝設(shè)水聽(tīng)器設(shè)備的有10座。浮標(biāo)布置間距為1km～1.5km，而每個(gè)浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)半徑為1km，監(jiān)測(cè)范圍為陰影部分區(qū)域。水聲探測(cè)設(shè)備安裝在管道沿途的警示浮標(biāo)上，海底管道附近水中目標(biāo)發(fā)出的噪聲，經(jīng)過(guò)水中傳播被浮標(biāo)上的水聽(tīng)器接收到，噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后、由數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)行噪聲幅度、頻譜特性等分析，并通過(guò)一定時(shí)間的累計(jì)和比較，評(píng)估是否存在可疑目標(biāo)，一旦判斷有可疑目標(biāo)，自動(dòng)開(kāi)啟預(yù)警功能，將相關(guān)信息結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送給站控中心設(shè)備。站控中心主機(jī)對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，自動(dòng)判決是否需要開(kāi)啟雷達(dá)，進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。endprint

3.2 雷達(dá)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

根據(jù)項(xiàng)目要求及相關(guān)規(guī)范[4]，選定CY1013中近程對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CY1013雷達(dá)）布置在陸地終端海底管道登陸點(diǎn)附近，其利用水面目標(biāo)的電磁波反射特性，在去除海面反射雜波等影響后，通過(guò)對(duì)目標(biāo)反射的電磁波信號(hào)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)的精確距離、方位、速度、反射強(qiáng)度等信息，并跟蹤目標(biāo)的航行軌跡。同時(shí)CY1013雷達(dá)自動(dòng)報(bào)警軟件根據(jù)判決條件進(jìn)行初步報(bào)警級(jí)別的判別，并將有關(guān)信息數(shù)據(jù)傳送至站控中心機(jī)房，進(jìn)行綜合集成處理。CY1013雷達(dá)設(shè)備既可單獨(dú)工作，也可由綜合顯控計(jì)算機(jī)控制下工作。

3.3 視頻監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備布置在陸地終端海底管道登陸點(diǎn)附近，由前端傳感器（含可見(jiàn)光CCD和紅外熱像儀）、一體化轉(zhuǎn)臺(tái)、防雷裝置、光纖傳輸設(shè)備、終端計(jì)算機(jī)及配套器件等組成。其采用分區(qū)域自動(dòng)巡航模式：依托視頻一體化轉(zhuǎn)臺(tái)，采用多區(qū)域定時(shí)依次掃描監(jiān)視技術(shù)，將所需監(jiān)視的海底管道長(zhǎng)度分為多個(gè)固定區(qū)域，通過(guò)一體化轉(zhuǎn)臺(tái)每次轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（可設(shè)定）依次進(jìn)行掃描監(jiān)視，確定巡航路線(xiàn)后，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)巡航狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)近岸端海底管道路由的無(wú)人值守的全程監(jiān)視。視頻數(shù)據(jù)傳送至信息處理中心后，信息處理中心將視頻畫(huà)面還原，利用專(zhuān)業(yè)的圖像自動(dòng)報(bào)警軟件，根據(jù)接收的不同幀圖像的像素差以及船只在管道附近停留時(shí)間進(jìn)行判決，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控自動(dòng)報(bào)警。

3.4 站控中心設(shè)備

站控中心設(shè)備包括監(jiān)測(cè)報(bào)警顯控設(shè)備及接口、北斗無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送中心站、光通信設(shè)備、機(jī)柜、UPS等，其中北斗無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送中心站用于與浮標(biāo)上北斗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。站控中心軟件共分為綜合監(jiān)控和三維視景兩大部分。

綜合監(jiān)測(cè)顯控軟件接收水聲數(shù)據(jù)、雷達(dá)目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)、目標(biāo)船只數(shù)據(jù)及近區(qū)（2公里內(nèi)）視頻報(bào)警數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析處理后，實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡及狀態(tài)信息，并給出危險(xiǎn)目標(biāo)報(bào)警提示。三維視景軟件運(yùn)行于站控中心主處理機(jī)上，計(jì)算機(jī)接收站控中心主處理機(jī)軟件其他功能模塊傳來(lái)的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)、目標(biāo)船只數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和軟件界面操作信息；以三維動(dòng)畫(huà)的形式，顯示監(jiān)控海域浮標(biāo)的分布情況、水面船只的航行狀況以及報(bào)警畫(huà)面等。

4 實(shí)施效果及應(yīng)用前景

南海某項(xiàng)目近岸段海底管道立體安防系統(tǒng)的建成投用，為此項(xiàng)目近岸段海底管道提供了切實(shí)的保護(hù)，將大大降低海底管道受破壞的風(fēng)險(xiǎn)，加快推進(jìn)了安防系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用，將提升海洋油田的綜合安全防衛(wèi)水平，防止不法分子、組織對(duì)油氣的偷采盜掠和各種破壞，降低引進(jìn)國(guó)外安防系統(tǒng)潛藏的隱患。在填補(bǔ)我國(guó)技術(shù)空白，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，減少海底設(shè)備被破壞而引起的海洋環(huán)境污染，也可為我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)一份力量，產(chǎn)生可觀的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]譚箭，李恒志，田博.關(guān)于事故性?huà)佸^對(duì)海底管線(xiàn)損害的討論[J].航海工程，2008，（1）：142-144.

[2]GB4696-1999.中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志[S].國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999-05-31.

[3]GB16161-1996.中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志形狀顯示規(guī)定[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[4]GJB/Z 87-1997.雷達(dá)電波傳播折射與衰減手冊(cè)[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1997.endprint