近岸段海底管道立體安防系統的研究與應用

李永宇+王佐強+孫奇偉+常世君+劉極莉

摘 要：面對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的方法無法對需保護區域進行全方位的監測，并缺少相關驅離措施，保護效果不顯著。因此需研究建立一套水下、水面全方位立體監測的海底管道安防新系統。本文以南海某項目為分析明近岸段海底管道立體安防系統的組成、功能及關鍵技術。

關鍵詞：近岸段海底管道；立體安防系統；水聲監測；雷達監測；視頻監測

中圖分類號：TE88 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0156-02

1 引言

近年來，國內外海洋油氣資源開發步伐日益加快，興建了一大批海上油氣田，開采出來的油氣資源通過鋪設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、挖沙等威脅，會對海底管道的安全造成不容忽視的影響[1]。面對日益突顯的海底管道水下安防新課題，近年來國內外對近岸段海底管道保護的安防措施主要是沿管道路徑布放警示浮標，但缺乏對需保護區域的全方位實時監測和有效的驅離措施，保護效果不顯著。為預防與應對上述事故的發生及對海底管道進行立體全方位的監控防護，建立一套水下、水面全方位立體監測的近岸段海底管道立體安防系統已勢在必行。

2 對于近岸段海底管道立體安防系統的研究

2.1 近岸段海底管道立體安防系統的設計原則及技術方針

為對海底管道進行立體實時安全監測，降低管道被外部不明船只在附近施工、作業或拋錨等危險行為造成破壞的風險，近岸段海底管道立體安防系統應按照主動防御、準確測報、防范未然、規避事故的原則方針開展設計，以達到全天候自動監測、自動預警，并對目標位置及狀態進行精確測量，甚至采用防衛機制將目標驅離限定水域，為管道的安全增添一份切實保障。近岸段海底管道立體安防系統應按照無人值守的要求進行設計，但為保證系統可靠性，工作模式應有自動和人工兩種模式。

2.2 近岸段海底管道立體安防系統的基本構成

為實現上述功能，近岸段海底管道立體安防系統可采用水下聲學測量并結合岸上雷達和視頻測量的聯合自動監測方法，綜合利用水聲、電磁波和光學測量技術，實現海底管道近岸段水面船只活動及作業情況的實時監測，并對出現的危險現象及時報警，降低海底管道的安全風險。整個系統可由水聲監測系統、雷達監測系統、視頻監測系統以及站控中心控制系統組成。近岸段海底管道立體安防系統組成示意圖1所示。

2.3 近岸段海底管道立體安防系統的工作流程

近岸段海底管道立體安防系統采用水聲與雷達、視頻聯合自動監測方案，其工作流程描述如下：首先利用水聲被動測量可長期工作的特點，實現對海底管道沿線水面、水下目標的前期聲學預警，再利用岸基雷達的短期主動掃描，獲取水面可疑目標的準確參數，視頻監測設備用于雷達近端監測盲區的補充測量。在管道沿線布放的警示浮標上加裝水聲監測設備，多個浮標節點聯合就可以覆蓋海底管道沿線區域。工作模式應有自動和人工兩種模式，雷達和視頻可隨時人工控制開啟。立體安防系統總體工作流程圖圖2所示。

2.4 需要突破的關鍵技術

為實現對海底管道進行立體實時安全監測的目標，前文中提到的近岸段海底管道立體安防系統需要突破以下關鍵技術。

（1）海面雷達雜波抑制抗干擾技術。由于海上風浪、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，其處理方法更為復雜，需采用海面雜波抑制抗干擾技術，以提高海上運動目標的信雜比和信噪比，完成對目標信號的檢測及對目標距離、幅度等信息的有效提取。（2）目標水聲檢測與識別技術。聲納被動目標檢測與識別是水聲界的前沿技術之一，包括低頻線譜檢測、特征提取和目標分類識別三大步驟，需針對系統的實際使用條件和檢測要求，研究適宜的目標識別算法，并開展實際環境下的驗證，對目標識別算法和判決門限進行優化，以達到理想的目標識別效果。（3）浮標結構改造及設備安裝技術。水聲設備是依托浮標進行安裝的，必須對浮標進行改造，改造方案既要符合海事部門的規范，又要充分考慮海上裝卸的方便性、浮標的穩定性、可維修性等因素，并要保證水聽器的最佳接收性能。（4）多系統數據融合及綜合顯控技術。系統綜合顯控軟件對聲納、雷達、視頻、定位等多套設備進行監視、控制及數據的綜合處理、顯示，功能復雜，其設計的好壞將直接關系到系統的可操作性、可視性、可維修性及系統的總體性能。

3 海底管道近岸段立體安防體系的應用實例

南海某項目應用了海底管道近岸段立體安防系統的設計，采用水聲與雷達、視頻聯合自動監測方案對海底管道近岸段水面船只活動及作業情況進行立體、實時監測，并對出現的危險現象及時報警，降低海底管道的安全風險。此系統首先利用沿海底管道近岸段路徑布置的浮標以及布置在浮標上的水聲設備對海底管道沿線水面、水下目標進行前期聲學預警；然后再利用布置在終端場地的CY1013中近程對海監視雷達進行短期主動掃描，獲取水面可疑目標的準確參數，例如精確距離、方位、速度、反射強度等信息，并跟蹤目標的航行軌跡；并用視頻監測設備（含可見光CCD和紅外熱像儀）用于雷達近端監測盲區的補充測量；站控中心綜合監測顯控軟件接收水聲數據、雷達目標和環境數據、目標船只數據及近區（2公里內）視頻報警數據等進行綜合分析處理后，實時顯示目標運動軌跡及狀態信息，并給出危險目標報警提示。整個系統由基于浮標的水聲監測分系統和雷達、視頻監測分系統以及站控中心的系統監測顯控設備四大部分組成。

3.1 水聲監測分系統

根據相關規范要求[2-3]，沿近岸段海底管道路由布置浮標12對浮標，其中實體浮標含改造裝設水聽器設備的有10座。浮標布置間距為1km～1.5km，而每個浮標的監測半徑為1km，監測范圍為陰影部分區域。水聲探測設備安裝在管道沿途的警示浮標上，海底管道附近水中目標發出的噪聲，經過水中傳播被浮標上的水聽器接收到，噪聲信號經過放大、濾波等處理后、由數字處理系統進行噪聲幅度、頻譜特性等分析，并通過一定時間的累計和比較，評估是否存在可疑目標，一旦判斷有可疑目標，自動開啟預警功能，將相關信息結果通過無線方式傳送給站控中心設備。站控中心主機對回傳數據進一步分析，自動判決是否需要開啟雷達，進行進一步監測。endprint

3.2 雷達監測分系統

根據項目要求及相關規范[4]，選定CY1013中近程對海監視雷達（以下簡稱CY1013雷達）布置在陸地終端海底管道登陸點附近，其利用水面目標的電磁波反射特性，在去除海面反射雜波等影響后，通過對目標反射的電磁波信號進行處理，得到目標的精確距離、方位、速度、反射強度等信息，并跟蹤目標的航行軌跡。同時CY1013雷達自動報警軟件根據判決條件進行初步報警級別的判別，并將有關信息數據傳送至站控中心機房，進行綜合集成處理。CY1013雷達設備既可單獨工作，也可由綜合顯控計算機控制下工作。

3.3 視頻監測分系統

視頻監測設備布置在陸地終端海底管道登陸點附近，由前端傳感器（含可見光CCD和紅外熱像儀）、一體化轉臺、防雷裝置、光纖傳輸設備、終端計算機及配套器件等組成。其采用分區域自動巡航模式：依托視頻一體化轉臺，采用多區域定時依次掃描監視技術，將所需監視的海底管道長度分為多個固定區域，通過一體化轉臺每次轉動一定角度（可設定）依次進行掃描監視，確定巡航路線后，系統將自動進入循環巡航狀態，從而實現近岸端海底管道路由的無人值守的全程監視。視頻數據傳送至信息處理中心后，信息處理中心將視頻畫面還原，利用專業的圖像自動報警軟件，根據接收的不同幀圖像的像素差以及船只在管道附近停留時間進行判決，實現視頻監控自動報警。

3.4 站控中心設備

站控中心設備包括監測報警顯控設備及接口、北斗無線數據傳送中心站、光通信設備、機柜、UPS等，其中北斗無線數據傳送中心站用于與浮標上北斗設備進行數據通信。站控中心軟件共分為綜合監控和三維視景兩大部分。

綜合監測顯控軟件接收水聲數據、雷達目標和環境數據、目標船只數據及近區（2公里內）視頻報警數據等進行綜合分析處理后，實時顯示目標運動軌跡及狀態信息，并給出危險目標報警提示。三維視景軟件運行于站控中心主處理機上，計算機接收站控中心主處理機軟件其他功能模塊傳來的雷達探測數據、目標船只數據、報警信息和軟件界面操作信息；以三維動畫的形式，顯示監控海域浮標的分布情況、水面船只的航行狀況以及報警畫面等。

4 實施效果及應用前景

南海某項目近岸段海底管道立體安防系統的建成投用，為此項目近岸段海底管道提供了切實的保護，將大大降低海底管道受破壞的風險，加快推進了安防系統在海洋工程領域的應用，將提升海洋油田的綜合安全防衛水平，防止不法分子、組織對油氣的偷采盜掠和各種破壞，降低引進國外安防系統潛藏的隱患。在填補我國技術空白，推動行業發展，帶來經濟效益的同時，減少海底設備被破壞而引起的海洋環境污染，也可為我國的生態文明建設貢獻一份力量，產生可觀的社會效益。

參考文獻

[1]譚箭，李恒志，田博.關于事故性拋錨對海底管線損害的討論[J].航海工程，2008，（1）：142-144.

[2]GB4696-1999.中國海區水上助航標志[S].國家質量技術監督局，1999-05-31.

[3]GB16161-1996.中國海區水上助航標志形狀顯示規定[S].中國標準出版社，1996.

[4]GJB/Z 87-1997.雷達電波傳播折射與衰減手冊[S].北京：國防科學技術工業委員會，1997.endprint