光纖周界安防系統(tǒng)輸油場(chǎng)站應(yīng)用方案

何志強(qiáng)

（國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華中分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

光纖傳感技術(shù)探測(cè)距離長(zhǎng)、探測(cè)范圍廣、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電探測(cè)、報(bào)警準(zhǔn)確度高、可精確定位、易于維護(hù)，是目前公認(rèn)的針對(duì)長(zhǎng)距離大范圍周界安全監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)解決方案。針對(duì)光纖安防系統(tǒng)的高靈敏度與低誤報(bào)率不能同時(shí)兼顧的問(wèn)題，本文采用將探測(cè)光纜在監(jiān)測(cè)周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)的方式，將圍欄探測(cè)信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的地埋探測(cè)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)分析判斷，可以有效抑制風(fēng)雨天氣引起的誤報(bào)輸出，使得系統(tǒng)僅對(duì)非法入侵人員的攀爬翻越等入侵行為敏感，既保證光纖周界系統(tǒng)的高靈敏度特性，又極大地降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。并結(jié)合視頻聯(lián)動(dòng)，使相關(guān)人員可以及時(shí)對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行復(fù)核，有效提升周界安防系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 傳感原理

將一條數(shù)公里長(zhǎng)單模光纜布設(shè)于待測(cè)空間，利用相干光時(shí)域反射技術(shù)，將光脈沖從光纖的一端注入傳感光纖，由于所用光源線寬很窄，注入光纖中的光是高度相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來(lái)的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)激光在光纖介質(zhì)中傳輸時(shí)產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)，連續(xù)測(cè)量、準(zhǔn)確定位整條光纖所處空間各點(diǎn)的振動(dòng)信息，通過(guò)光纖上的光參數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)出光纖所處環(huán)境變化，并結(jié)合OTDR 空間定位技術(shù)確定入侵信號(hào)的振動(dòng)信號(hào)以及侵入位置，系統(tǒng)的空間定位精度可達(dá)到4 m。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)可從感知傳感層、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個(gè)層面解析：

（1）探測(cè)感知層，位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最底層，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)光纖線路上的外部擾動(dòng)信息，并將其轉(zhuǎn)化為可分辨的光學(xué)參量。包括振動(dòng)探測(cè)主機(jī)和傳感光纜。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層，通過(guò)傳輸光纜將感知傳感層所獲得的入侵信息首先傳給光電探測(cè)器；再由儀表將光電信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)采集卡采集，傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，提取并分析信號(hào)特征，通過(guò)模式識(shí)別，可提供各種形式的告警。

（3）管理監(jiān)控層，將中間層監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整理后打包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給管理監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。在線周界安防監(jiān)測(cè)平臺(tái)具備工程配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警查詢、報(bào)表輸出等功能，為設(shè)防區(qū)域的安全運(yùn)營(yíng)管理提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)實(shí)施

2.1 光纜布設(shè)

本文采用將探測(cè)光纜在監(jiān)測(cè)周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)的方式，使用一根探測(cè)光纜，先后分別在監(jiān)測(cè)周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域，各布設(shè)一周。

圍欄鋪設(shè)方式，利用圍墻現(xiàn)有網(wǎng)片，直接將探測(cè)光纜采取S 型敷設(shè)，綁扎在網(wǎng)片上，每隔約30 cm～ 50 cm 設(shè)置一個(gè)綁扎點(diǎn)。

地埋鋪設(shè)方式，將探測(cè)光纜采取S 型敷設(shè)直接埋入礫石之中，埋設(shè)深度在10 cm～ 20 cm，安裝時(shí)需要對(duì)地表進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，平整地基?/p>

圍欄和地埋區(qū)域的光纜，均采用S 型敷設(shè)的方式，是為了增大振動(dòng)感測(cè)長(zhǎng)度，提升對(duì)外界振動(dòng)信號(hào)的有效采集率。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于輸油場(chǎng)站的周界，需要監(jiān)測(cè)的入侵行為主要有：翻越圍墻、沖擊圍墻。輸油場(chǎng)站一般地處偏僻，引起振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)的干擾源，主要為來(lái)自于自然環(huán)境中的干擾源，如大風(fēng)、降雨、鳥(niǎo)類活動(dòng)、樹(shù)枝拍打等。風(fēng)雨和動(dòng)植物產(chǎn)生的振動(dòng)主要作用于圍欄網(wǎng)片，而對(duì)于埋設(shè)于土壤中的光纜，由于土壤介質(zhì)的屏蔽作用，風(fēng)雨和動(dòng)植物產(chǎn)生的振動(dòng)無(wú)法傳導(dǎo)到埋地部分的光纜，而對(duì)于直接作用于地表的振動(dòng)源，如人員行走，車(chē)輛經(jīng)過(guò)等等，此類振動(dòng)源均會(huì)產(chǎn)生直接作用于地表的振動(dòng)，由于土壤介質(zhì)的傳導(dǎo)作用，此類直接作用于地表的振動(dòng)源則可以被埋地光纜清晰的感知。

當(dāng)真正的入侵行為發(fā)生時(shí)，由于入侵主體一般是人員或車(chē)輛，必然會(huì)對(duì)埋地區(qū)域光纜和圍欄區(qū)域光纜在鄰近的時(shí)間范圍內(nèi)都存在有激勵(lì)振動(dòng)作用，而風(fēng)雨干擾則不會(huì)對(duì)埋地區(qū)域光纜形成激勵(lì)，其振動(dòng)激勵(lì)只作用于圍欄區(qū)域光纜。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)埋地區(qū)域光纜和圍欄區(qū)域光纜信號(hào)進(jìn)行同步分析的方法，當(dāng)圍欄區(qū)域光纜探測(cè)到符合圍欄入侵特征的外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)同時(shí)調(diào)取其對(duì)應(yīng)地埋區(qū)域光纜的振動(dòng)探測(cè)信號(hào)，只有在鄰近時(shí)間范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)地埋區(qū)域光纜也探測(cè)到符合地埋入侵特征的振動(dòng)激勵(lì)，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)位置的入侵報(bào)警信息，同時(shí)進(jìn)行視頻聯(lián)動(dòng)，以幫助現(xiàn)場(chǎng)值班人員及時(shí)地了解周界安全狀況，可以有效提高光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率。

2.3 計(jì)算步驟

圍欄和地埋區(qū)域的光纜，均是采用S 型敷設(shè)的方式，由于施工鋪設(shè)操作是由人工進(jìn)行，不可避免的存在一定的隨機(jī)性，所以，圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域所鋪設(shè)的光纜長(zhǎng)度，并不是嚴(yán)格一致的，因而通過(guò)光纜距離來(lái)進(jìn)行圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的對(duì)應(yīng)定位是不合適的，會(huì)導(dǎo)致圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域?qū)?yīng)不準(zhǔn)確的情況。因此，當(dāng)圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的振動(dòng)探測(cè)光纜敷設(shè)施工完成后，必須在監(jiān)測(cè)周界的沿線區(qū)域，進(jìn)行人工敲擊定位，記錄監(jiān)測(cè)周界各處的圍欄光纜和地埋光纜對(duì)應(yīng)點(diǎn)位信息并導(dǎo)入系統(tǒng)，以進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算判斷步驟。通過(guò)圖像處理方法，對(duì)所有作用于探測(cè)光纜的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行提取，以圖像團(tuán)塊的形式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，再判斷提取到的振動(dòng)激勵(lì)團(tuán)塊是否符合預(yù)設(shè)的圍欄/地埋入侵特征。之后，通過(guò)圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的聯(lián)合判斷，當(dāng)某處位置在鄰近時(shí)間范圍內(nèi)同時(shí)存在圍欄入侵激勵(lì)信號(hào)和地埋入侵激勵(lì)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)位置的報(bào)警信息。

實(shí)施和計(jì)算步驟為：

（1）在整條光纖鏈路上將光纖劃分為多個(gè)長(zhǎng)度4 m 的小段，每個(gè)小段作為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元；

（2）監(jiān)測(cè)區(qū)域每隔一定距離進(jìn)行敲擊定位，記錄圍欄和地埋區(qū)域的探測(cè)單元對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（3）讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)單元的振動(dòng)探測(cè)信號(hào)，將每秒原始信號(hào)矩陣劃分為個(gè)時(shí)間片段，每個(gè)時(shí)間片段的行數(shù)相同，對(duì)每個(gè)時(shí)間片段求每列的最大值，得到×的矩陣；

（4）將各個(gè)時(shí)刻得到的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行拼接，得到一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，根據(jù)該全段振動(dòng)信號(hào)矩陣?yán)L制光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)圖像；

（5）使用OTSU 算法計(jì)算分割閾值，將全段振動(dòng)信號(hào)矩陣進(jìn)行二值化，得到二值化矩陣；

（6）對(duì)二值化矩陣中的明亮像素點(diǎn)聚類分析，提取圖像中的每一個(gè)激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊；

（7）圍欄區(qū)段信號(hào)，判斷某信號(hào)團(tuán)塊的激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)和影響范圍是否達(dá)到圍欄策略門(mén)限值；

（8）若圍欄區(qū)段信號(hào)的某激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊達(dá)到圍欄策略預(yù)設(shè)門(mén)限值，則根據(jù)圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的探測(cè)單元對(duì)應(yīng)記錄，提取其對(duì)應(yīng)的地埋區(qū)段信號(hào)數(shù)據(jù)，判斷此段地埋信號(hào)數(shù)據(jù)是否存在激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊，是否達(dá)到地埋策略預(yù)設(shè)門(mén)限值；

（9）當(dāng)圍欄區(qū)段信號(hào)的某激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊達(dá)到圍欄策略預(yù)設(shè)門(mén)限值，并且其對(duì)應(yīng)的地埋區(qū)段信號(hào)在此一定時(shí)間范圍內(nèi)也存在激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊達(dá)到地埋策略預(yù)設(shè)門(mén)限值，則系統(tǒng)發(fā)出入侵報(bào)警，報(bào)警包含時(shí)間、位置等信息。

2.4 視頻聯(lián)動(dòng)

采用軟件聯(lián)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)周界報(bào)警與視頻監(jiān)控的聯(lián)動(dòng)功能，流程如下：

（1）將攝像機(jī)預(yù)置位與周界監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

（2）當(dāng)安裝有光纖周界防護(hù)系統(tǒng)的圍欄或墻體發(fā)生破壞或攀爬等入侵行為發(fā)生時(shí)，光纖周界報(bào)警系統(tǒng)將快速響應(yīng)并識(shí)別、定位入侵行為。

（3）光纖周界報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，將聯(lián)動(dòng)附近攝像機(jī)快速調(diào)整至預(yù)置位，對(duì)入侵事件進(jìn)行視頻取證和復(fù)查。

3 測(cè)試運(yùn)行

在某輸油場(chǎng)站周界布設(shè)光纖預(yù)警系統(tǒng)，周界監(jiān)測(cè)區(qū)域全長(zhǎng)約2 km，圍欄光纜和埋地光纜均采用S 型敷設(shè)，先在監(jiān)測(cè)周界的地埋區(qū)域布設(shè)一周，再在監(jiān)測(cè)周界的圍欄區(qū)域布設(shè)一周。

測(cè)試統(tǒng)計(jì)方法：在監(jiān)測(cè)區(qū)域，隨機(jī)選擇位置，每次以常規(guī)力度敲擊圍欄3 下模擬入侵行為，重復(fù)多次。統(tǒng)計(jì)每次測(cè)試的報(bào)警輸出結(jié)果。

運(yùn)行統(tǒng)計(jì)方法：統(tǒng)計(jì)沒(méi)有測(cè)試時(shí)段的報(bào)警輸出，經(jīng)視頻確認(rèn)無(wú)異常情況，認(rèn)為是誤報(bào)。

3.1 測(cè)試統(tǒng)計(jì)

測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試統(tǒng)計(jì)

第一天測(cè)試出現(xiàn)過(guò)1 次漏報(bào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)回放分析，對(duì)報(bào)警門(mén)限值進(jìn)行了更新優(yōu)化。在之后的測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)于每一次敲擊激勵(lì)，都能有效報(bào)警，并且定位正確，其余時(shí)間和位置無(wú)誤報(bào)。部分測(cè)試信號(hào)如圖1所示。

圖1 部分測(cè)試信號(hào)

在圖1中標(biāo)注紅框的區(qū)域，為識(shí)別探測(cè)到外界激勵(lì)信號(hào)的區(qū)域，可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)于地埋區(qū)域的激勵(lì)信號(hào)和圍欄區(qū)域的激勵(lì)信號(hào)，均能夠有效識(shí)別判斷，并且能正確定位。當(dāng)圍欄某區(qū)段識(shí)別到達(dá)到圍欄策略報(bào)警門(mén)限值的激勵(lì)信號(hào)，并且其對(duì)應(yīng)的地埋區(qū)段在此一定時(shí)間范圍內(nèi)也識(shí)別到達(dá)到地埋策略報(bào)警門(mén)限值的激勵(lì)信號(hào)，則系統(tǒng)發(fā)出入侵報(bào)警，報(bào)警包含時(shí)間、位置等信息。

3.2 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的誤報(bào)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理如圖2所示。

圖2 月度誤報(bào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，工作人員通過(guò)視頻聯(lián)動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)巡視，對(duì)系統(tǒng)輸出的每一條報(bào)警事件進(jìn)行核對(duì)，并及時(shí)反饋。在試運(yùn)行初期，某次大風(fēng)天氣曾觸發(fā)系統(tǒng)誤報(bào)，經(jīng)過(guò)報(bào)警參數(shù)優(yōu)化，大風(fēng)天氣引起的誤報(bào)被有效抑制。再次進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)每一次敲擊激勵(lì)都能夠有效報(bào)警。

4 結(jié) 論

為克服光纖安防系統(tǒng)的高靈敏度與低誤報(bào)率不能同時(shí)兼顧的難題，本文采用將探測(cè)光纜在監(jiān)測(cè)周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)和聯(lián)合判斷的方式，將圍欄探測(cè)信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的地埋探測(cè)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)分析判斷，可以有效抑制非人為活動(dòng)引發(fā)的誤報(bào)輸出，使得系統(tǒng)僅對(duì)非法入侵人員的攀爬翻越等惡意入侵行為敏感，充分的發(fā)揮了光纖預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，既保證了光纖周界系統(tǒng)的高靈敏度特性，又極大地降低了系統(tǒng)的誤報(bào)率，并且結(jié)合視頻聯(lián)動(dòng)，使得相關(guān)人員可以及時(shí)對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行復(fù)核，有效提升了光纖周界安防系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。