全自動避碰系統(tǒng)和溢油雷達

馬杰

摘 要：結合船舶避碰系統(tǒng)被動探測和主動探測的優(yōu)點，改變當前只能通過人工手段進行溢油監(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)還能對雷達散射截面（RCS）≥0.1m2，物標高度≥0.5m（如小型漁船、舢板等）的小型目標進行持續(xù)跟蹤、探測，有效地彌補了常規(guī)探測手段無法精確發(fā)現(xiàn)小型目標的缺陷，能在事故后第一時間找到源頭以降低損失，擁有國際領先水平。

關鍵詞：避碰 溢油探測 小目標 TBD算法

中圖分類號：U665.22 文獻標識碼：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)保風險承擔壓力增大，海上平臺設施防碰撞及溢油監(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、準確性、可靠性均不佳。

在海上油田增加X波段雷達，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（指有效反射面積（RCS）≥0.1m2，高度≥0.5m的小目標，如浮標、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波段雷達天線和收發(fā)單元（含室外安裝支架及電纜）。

（2）X波段雷達天線和收發(fā)單元圖：一臺處理器（內含雷達數(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、鼠標鍵盤）。

（4）安裝附件（含電源、內部線纜、手冊、光盤等）。

（5）處理器需連接X波段導航雷達（僅天線和收發(fā)單元）、AIS、GPS、電羅經(jīng)，并可接入平臺內部網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)共享。

1.2 防碰撞系統(tǒng)技術特征

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

基于以上技術，系統(tǒng)具有以下特點。

（1）在正常跟蹤大、中目標的同時，實現(xiàn)對小目標的跟蹤。

（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）雷達覆蓋范圍內自動跟蹤探測目標。

（5）多信息源融合能力。

（6）在威力重疊區(qū)域的目標會被多個傳感器發(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絕對位置，航速、航向以及回波參數(shù)等得出唯一的目標參數(shù)。

（7）多功能綜合顯控終端。

（8）安裝維護簡易。

（9）靈活的可擴展性。

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，以擴展為大型系統(tǒng)。在現(xiàn)有配置和構成實現(xiàn)的前提下，全自動避碰與溢油探測系統(tǒng)以X波段雷達信號和AIS信號為基礎，可以接入綜合光電觀察設備，實現(xiàn)雷達引導光電的設備聯(lián)動和目標圖像化。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等系統(tǒng)。

1.3 溢油探測技術特征

1.3.1 衛(wèi)星遙感探測技術

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 雷達探測技術

海面上的溢油會對海平面的波動產(chǎn)生影響。在雷達圖像上“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）通過與雷達相連的用以搜集雷達掃描數(shù)據(jù)的計算機網(wǎng)絡，再經(jīng)過圖像處理程序得到原始雷達圖像數(shù)據(jù)。

（2）將圖像從雷達投影轉換成笛卡爾投影。

（3）圖像處理，減少圖像中的噪聲。

（4）柱狀圖像轉換。

（5）溢油甄別和確定。

（6）有關聯(lián)區(qū)域標識。

（7）進一步分析、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的不同來探測溢油。在我們溢油探測的技術中，使用基于圖形預處理、圖形過濾的模式甄別；以及多次掃描方法進一步加以確認。通過統(tǒng)計方法進行螺旋式的過濾，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原油在海上擴散面積可以達到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。

假設溢油量為每小時0.5m3，計算得出溢油速達到系統(tǒng)所要求的面積所需要的時間是：雷達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）。

技術特點對比如表1所示。

2 應用價值

此全自動避碰及溢油雷達系統(tǒng)，可為作業(yè)者提供實時、準確、可靠的海上船舶及溢油信息，做到早期發(fā)現(xiàn)、早期預警，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基礎上，增加X波段雷達擴容和實現(xiàn)，施工成本低廉，施工簡單，在國家對安全環(huán)保日益增強的環(huán)境下，不失為一種有效的監(jiān)測和預警手段。

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