光纖周界安防系統輸油場站應用方案

何志強

（國家石油天然氣管網集團有限公司華中分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

光纖傳感技術探測距離長、探測范圍廣、現場無電探測、報警準確度高、可精確定位、易于維護，是目前公認的針對長距離大范圍周界安全監測的有效技術解決方案。針對光纖安防系統的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的問題，本文采用將探測光纜在監測周界的圍欄區域和埋地區域組合布設的方式，將圍欄探測信號和與其對應的地埋探測信號進行同時分析判斷，可以有效抑制風雨天氣引起的誤報輸出，使得系統僅對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的高靈敏度特性，又極大地降低系統的誤報率。并結合視頻聯動，使相關人員可以及時對報警事件進行復核，有效提升周界安防系統的運行效果。

1 系統簡介

1.1 傳感原理

將一條數公里長單模光纜布設于待測空間，利用相干光時域反射技術，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，因此該傳感系統的輸出就是脈沖寬度區域內反射回來的瑞利散射光相干干涉的結果。系統通過探測激光在光纖介質中傳輸時產生的背向瑞利散射信號，連續測量、準確定位整條光纖所處空間各點的振動信息，通過光纖上的光參數的變化來檢測出光纖所處環境變化，并結合OTDR 空間定位技術確定入侵信號的振動信號以及侵入位置，系統的空間定位精度可達到4 m。

1.2 系統構成

光纖周界監測系統架構可從感知傳感層、數據監測層和遠程監控層三個層面解析：

（1）探測感知層，位于監測系統最底層，主要負責監測光纖線路上的外部擾動信息，并將其轉化為可分辨的光學參量。包括振動探測主機和傳感光纜。

（2）數據監測層，通過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器；再由儀表將光電信號數據通過采集卡采集，傳送到監控計算機，以實現在線監測，提取并分析信號特征，通過模式識別，可提供各種形式的告警。

（3）管理監控層，將中間層監測到的數據整理后打包通過網絡傳給管理監控中心，實現遠程智能監控。在線周界安防監測平臺具備工程配置、網絡拓撲、數據實時顯示、數據存儲、報警查詢、報表輸出等功能，為設防區域的安全運營管理提供決策依據。

2 系統實施

2.1 光纜布設

本文采用將探測光纜在監測周界的圍欄區域和埋地區域組合布設的方式，使用一根探測光纜，先后分別在監測周界的圍欄區域和埋地區域，各布設一周。

圍欄鋪設方式，利用圍墻現有網片，直接將探測光纜采取S 型敷設，綁扎在網片上，每隔約30 cm～ 50 cm 設置一個綁扎點。

地埋鋪設方式，將探測光纜采取S 型敷設直接埋入礫石之中，埋設深度在10 cm～ 20 cm，安裝時需要對地表進行適當的處理，平整地基。

圍欄和地埋區域的光纜，均采用S 型敷設的方式，是為了增大振動感測長度，提升對外界振動信號的有效采集率。

2.2 數據分析

對于輸油場站的周界，需要監測的入侵行為主要有：翻越圍墻、沖擊圍墻。輸油場站一般地處偏僻，引起振動探測系統發生誤報的干擾源，主要為來自于自然環境中的干擾源，如大風、降雨、鳥類活動、樹枝拍打等。風雨和動植物產生的振動主要作用于圍欄網片，而對于埋設于土壤中的光纜，由于土壤介質的屏蔽作用，風雨和動植物產生的振動無法傳導到埋地部分的光纜，而對于直接作用于地表的振動源，如人員行走，車輛經過等等，此類振動源均會產生直接作用于地表的振動，由于土壤介質的傳導作用，此類直接作用于地表的振動源則可以被埋地光纜清晰的感知。

當真正的入侵行為發生時，由于入侵主體一般是人員或車輛，必然會對埋地區域光纜和圍欄區域光纜在鄰近的時間范圍內都存在有激勵振動作用，而風雨干擾則不會對埋地區域光纜形成激勵，其振動激勵只作用于圍欄區域光纜。因此，我們設計了對埋地區域光纜和圍欄區域光纜信號進行同步分析的方法，當圍欄區域光纜探測到符合圍欄入侵特征的外界振動激勵時，系統應當同時調取其對應地埋區域光纜的振動探測信號，只有在鄰近時間范圍內，其對應地埋區域光纜也探測到符合地埋入侵特征的振動激勵，系統才會發出對應位置的入侵報警信息，同時進行視頻聯動，以幫助現場值班人員及時地了解周界安全狀況，可以有效提高光纖周界監測系統的報警準確率。

2.3 計算步驟

圍欄和地埋區域的光纜，均是采用S 型敷設的方式，由于施工鋪設操作是由人工進行，不可避免的存在一定的隨機性，所以，圍欄區域和地埋區域所鋪設的光纜長度，并不是嚴格一致的，因而通過光纜距離來進行圍欄區域和地埋區域的對應定位是不合適的，會導致圍欄區域和地埋區域對應不準確的情況。因此，當圍欄區域和地埋區域的振動探測光纜敷設施工完成后，必須在監測周界的沿線區域，進行人工敲擊定位，記錄監測周界各處的圍欄光纜和地埋光纜對應點位信息并導入系統，以進行后續的計算判斷步驟。通過圖像處理方法，對所有作用于探測光纜的振動激勵進行提取，以圖像團塊的形式進行標識，再判斷提取到的振動激勵團塊是否符合預設的圍欄/地埋入侵特征。之后，通過圍欄區域和地埋區域的聯合判斷，當某處位置在鄰近時間范圍內同時存在圍欄入侵激勵信號和地埋入侵激勵信號時，系統發出對應位置的報警信息。

實施和計算步驟為：

（1）在整條光纖鏈路上將光纖劃分為多個長度4 m 的小段，每個小段作為一個監測單元；

（2）監測區域每隔一定距離進行敲擊定位，記錄圍欄和地埋區域的探測單元對應關系；

（3）讀取各個監測單元的振動探測信號，將每秒原始信號矩陣劃分為個時間片段，每個時間片段的行數相同，對每個時間片段求每列的最大值，得到×的矩陣；

（4）將各個時刻得到的數據矩陣進行拼接，得到一段時間內的全段振動信號矩陣，根據該全段振動信號矩陣繪制光纖振動數據圖像；

（5）使用OTSU 算法計算分割閾值，將全段振動信號矩陣進行二值化，得到二值化矩陣；

（6）對二值化矩陣中的明亮像素點聚類分析，提取圖像中的每一個激勵信號團塊；

（7）圍欄區段信號，判斷某信號團塊的激勵時長和影響范圍是否達到圍欄策略門限值；

（8）若圍欄區段信號的某激勵信號團塊達到圍欄策略預設門限值，則根據圍欄區域和地埋區域的探測單元對應記錄，提取其對應的地埋區段信號數據，判斷此段地埋信號數據是否存在激勵信號團塊，是否達到地埋策略預設門限值；

（9）當圍欄區段信號的某激勵信號團塊達到圍欄策略預設門限值，并且其對應的地埋區段信號在此一定時間范圍內也存在激勵信號團塊達到地埋策略預設門限值，則系統發出入侵報警，報警包含時間、位置等信息。

2.4 視頻聯動

采用軟件聯動方式實現周界報警與視頻監控的聯動功能，流程如下：

（1）將攝像機預置位與周界監測區域進行一一對應。

（2）當安裝有光纖周界防護系統的圍欄或墻體發生破壞或攀爬等入侵行為發生時，光纖周界報警系統將快速響應并識別、定位入侵行為。

（3）光纖周界報警系統發出報警信號后，將聯動附近攝像機快速調整至預置位，對入侵事件進行視頻取證和復查。

3 測試運行

在某輸油場站周界布設光纖預警系統，周界監測區域全長約2 km，圍欄光纜和埋地光纜均采用S 型敷設，先在監測周界的地埋區域布設一周，再在監測周界的圍欄區域布設一周。

測試統計方法：在監測區域，隨機選擇位置，每次以常規力度敲擊圍欄3 下模擬入侵行為，重復多次。統計每次測試的報警輸出結果。

運行統計方法：統計沒有測試時段的報警輸出，經視頻確認無異常情況，認為是誤報。

3.1 測試統計

測試統計數據如表1所示。

表1 測試統計

第一天測試出現過1 次漏報，經過數據回放分析，對報警門限值進行了更新優化。在之后的測試過程中，系統對于每一次敲擊激勵，都能有效報警，并且定位正確，其余時間和位置無誤報。部分測試信號如圖1所示。

圖1 部分測試信號

在圖1中標注紅框的區域，為識別探測到外界激勵信號的區域，可見，系統對于地埋區域的激勵信號和圍欄區域的激勵信號，均能夠有效識別判斷，并且能正確定位。當圍欄某區段識別到達到圍欄策略報警門限值的激勵信號，并且其對應的地埋區段在此一定時間范圍內也識別到達到地埋策略報警門限值的激勵信號，則系統發出入侵報警，報警包含時間、位置等信息。

3.2 運行統計

對系統運行的誤報情況進行統計，整理如圖2所示。

圖2 月度誤報次數統計

當系統發出報警信息，工作人員通過視頻聯動和現場巡視，對系統輸出的每一條報警事件進行核對，并及時反饋。在試運行初期，某次大風天氣曾觸發系統誤報，經過報警參數優化，大風天氣引起的誤報被有效抑制。再次進行激勵測試，系統對每一次敲擊激勵都能夠有效報警。

4 結 論

為克服光纖安防系統的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的難題，本文采用將探測光纜在監測周界的圍欄區域和埋地區域組合布設和聯合判斷的方式，將圍欄探測信號和與其對應的地埋探測信號進行同時分析判斷，可以有效抑制非人為活動引發的誤報輸出，使得系統僅對非法入侵人員的攀爬翻越等惡意入侵行為敏感，充分的發揮了光纖預警系統技術優勢，既保證了光纖周界系統的高靈敏度特性，又極大地降低了系統的誤報率，并且結合視頻聯動，使得相關人員可以及時對報警事件進行復核，有效提升了光纖周界安防系統的監測效果。