全自動避碰系統(tǒng)和溢油雷達(dá)

馬杰

摘 要：結(jié)合船舶避碰系統(tǒng)被動探測和主動探測的優(yōu)點，改變當(dāng)前只能通過人工手段進(jìn)行溢油監(jiān)視的現(xiàn)狀，為海上原油生產(chǎn)增添了一雙溢油千里眼。這種監(jiān)測是以實時、連續(xù)和全自動方式運行，以FPSO為原點360°全方位無死角掃描監(jiān)視區(qū)海面，在夜晚或者不良天氣條件下都能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。系統(tǒng)還能對雷達(dá)散射截面（RCS）≥0.1m2，物標(biāo)高度≥0.5m（如小型漁船、舢板等）的小型目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤、探測，有效地彌補(bǔ)了常規(guī)探測手段無法精確發(fā)現(xiàn)小型目標(biāo)的缺陷，能在事故后第一時間找到源頭以降低損失，擁有國際領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：避碰 溢油探測 小目標(biāo) TBD算法

中圖分類號：U665.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0067-02

隨著海上石油開發(fā)深入，企業(yè)事故、環(huán)保風(fēng)險承擔(dān)壓力增大，海上平臺設(shè)施防碰撞及溢油監(jiān)控地位愈發(fā)重要。

普通的AIS防碰系統(tǒng)屬于被動探測系統(tǒng)，通過GPS天線自身定位和VHF天線接收船舶位置，此系統(tǒng)對船舶的監(jiān)控必須滿足：（1）對方船舶安裝AIS系統(tǒng)且處于正常開機(jī)狀態(tài)；（2）自身系統(tǒng)必須處于正常狀態(tài)。某些船舶的AIS系統(tǒng)故障或未安裝AIS系統(tǒng)都會給造成船舶在海圖中無法顯示。

現(xiàn)有海上油田對海面溢油情況多通過目測瞭望或海事衛(wèi)星監(jiān)控的措施，其實時性、準(zhǔn)確性、可靠性均不佳。

在海上油田增加X波段雷達(dá)，并將該系統(tǒng)探測功能與海上現(xiàn)有AIS被動探測系統(tǒng)整合，可以實現(xiàn)對對極小目標(biāo)（指有效反射面積（RCS）≥0.1m2，高度≥0.5m的小目標(biāo)，如浮標(biāo)、橡皮艇）和海面溢油帶（長度超過50m）具有良好的探測和識別效果。

1 技術(shù)解析

1.1 系統(tǒng)組成

安裝在單個平臺上的系統(tǒng)包括以下幾方面。

（1）一套X波段雷達(dá)天線和收發(fā)單元（含室外安裝支架及電纜）。

（2）X波段雷達(dá)天線和收發(fā)單元圖：一臺處理器（內(nèi)含雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、溢油處理子系統(tǒng)、多傳感器融合模塊和綜合終端顯控子系統(tǒng)）。

（3）一套桌面式操作終端（含顯示器、鼠標(biāo)鍵盤）。

（4）安裝附件（含電源、內(nèi)部線纜、手冊、光盤等）。

（5）處理器需連接X波段導(dǎo)航雷達(dá)（僅天線和收發(fā)單元）、AIS、GPS、電羅經(jīng)，并可接入平臺內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

1.2 防碰撞系統(tǒng)技術(shù)特征

系統(tǒng)具有以下核心技術(shù)：（1）125MHz，14bit高精度采樣。（2）目標(biāo)特征參數(shù)關(guān)聯(lián)跟蹤算法。（3）TBD先跟蹤后探測算法。（4）非恒定自適應(yīng)門限處理。

基于以上技術(shù)，系統(tǒng)具有以下特點。

（1）在正常跟蹤大、中目標(biāo)的同時，實現(xiàn)對小目標(biāo)的跟蹤。

（2）實現(xiàn)對AIS故障或未安裝AIS系統(tǒng)的小型船舶的航跡跟蹤、預(yù)警。

（3）多種報警功能：區(qū)域闖入、離開報警；本船距離安全報警；航向安全報警；值班船、穿梭油輪排除報警。

（4）雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)自動跟蹤探測目標(biāo)。

（5）多信息源融合能力。

（6）在威力重疊區(qū)域的目標(biāo)會被多個傳感器發(fā)現(xiàn)跟蹤，多傳感器融合跟蹤器會根據(jù)每個傳感器傳來的目標(biāo)絕對位置，航速、航向以及回波參數(shù)等得出唯一的目標(biāo)參數(shù)。

（7）多功能綜合顯控終端。

（8）安裝維護(hù)簡易。

（9）靈活的可擴(kuò)展性。

本系統(tǒng)可按照操作者要求增加傳感器數(shù)量及終端數(shù)量，以擴(kuò)展為大型系統(tǒng)。在現(xiàn)有配置和構(gòu)成實現(xiàn)的前提下，全自動避碰與溢油探測系統(tǒng)以X波段雷達(dá)信號和AIS信號為基礎(chǔ)，可以接入綜合光電觀察設(shè)備，實現(xiàn)雷達(dá)引導(dǎo)光電的設(shè)備聯(lián)動和目標(biāo)圖像化。同時，本系統(tǒng)可以按照客戶要求與其他類型的系統(tǒng)雙向共享信息。系統(tǒng)后期通過升級增加模塊，可平滑升級為浪高探測雷達(dá)等系統(tǒng)。

1.3 溢油探測技術(shù)特征

1.3.1 衛(wèi)星遙感探測技術(shù)

衛(wèi)星遙感監(jiān)視以人造衛(wèi)星為工作平臺，利用衛(wèi)星搭載的各種溢油遙感傳感器接收來自地表層的信息，并對這些信息進(jìn)行加工處理，從而識別水面溢油。

衛(wèi)星遙感的優(yōu)點為監(jiān)測范圍大、圖像資料易于處理和解譯。其缺點為重復(fù)觀測周期長、空間分辨率低，因此受到了一定的限制。

1.3.2 雷達(dá)探測技術(shù)

海面上的溢油會對海平面的波動產(chǎn)生影響。在雷達(dá)圖像上“暗”或“亮”的區(qū)域（由海雜波造成的可視化效果來決定），體現(xiàn)了不同的情況。受到溢油影響的地方，反射相對小，因此雷達(dá)圖像上看到的是一個相對“安靜”的區(qū)域。這就是說，溢油區(qū)域與周圍區(qū)域比較海雜波反射要少的多。溢油探測系統(tǒng)的任務(wù)就是處理探測到的圖像，將白色區(qū)域確定下來。

以下是溢油探測的基本步驟。

（1）通過與雷達(dá)相連的用以搜集雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過圖像處理程序得到原始雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)。

（2）將圖像從雷達(dá)投影轉(zhuǎn)換成笛卡爾投影。

（3）圖像處理，減少圖像中的噪聲。

（4）柱狀圖像轉(zhuǎn)換。

（5）溢油甄別和確定。

（6）有關(guān)聯(lián)區(qū)域標(biāo)識。

（7）進(jìn)一步分析、過濾。

（8）輪廓提取和過濾。

（9）決策規(guī)則。

（10）將確定的輪廓和其統(tǒng)計概率值、參數(shù)等提交到終端。

雷達(dá)溢油探測模塊就是通過干凈的海面與受污染的海面的各項指標(biāo)的不同來探測溢油。在我們溢油探測的技術(shù)中，使用基于圖形預(yù)處理、圖形過濾的模式甄別；以及多次掃描方法進(jìn)一步加以確認(rèn)。通過統(tǒng)計方法進(jìn)行螺旋式的過濾，使得對于溢油甄別的概率加大。

1.3.3 探測能力對比

經(jīng)驗得出1m3原油在海上擴(kuò)散面積可以達(dá)到1.5萬m2。

全自動溢油探測系統(tǒng)可以探測任意大于50m的溢油帶，按照50m直徑的圓形溢油帶計算面積為1962.5m2。

假設(shè)溢油量為每小時0.5m3，計算得出溢油速達(dá)到系統(tǒng)所要求的面積所需要的時間是：雷達(dá)全自動溢油探測系統(tǒng)可以在發(fā)生溢油后3.82h發(fā)現(xiàn)并實時跟蹤溢油區(qū)域。響應(yīng)時間大大優(yōu)于衛(wèi)星遙感探測的發(fā)現(xiàn)時間（1天）。

技術(shù)特點對比如表1所示。

2 應(yīng)用價值

此全自動避碰及溢油雷達(dá)系統(tǒng)，可為作業(yè)者提供實時、準(zhǔn)確、可靠的海上船舶及溢油信息，做到早期發(fā)現(xiàn)、早期預(yù)警，極大地提高了決策者處理問題的時間效率，避免或控制重大事故的出現(xiàn)。且系統(tǒng)可以在海上平臺現(xiàn)有AIS基礎(chǔ)上，增加X波段雷達(dá)擴(kuò)容和實現(xiàn)，施工成本低廉，施工簡單，在國家對安全環(huán)保日益增強(qiáng)的環(huán)境下，不失為一種有效的監(jiān)測和預(yù)警手段。

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