輸油場站周界光纖監(jiān)測系統(tǒng)報警算法研究和應(yīng)用

李大光 董曉琪 劉媛

1中國石油天然氣管道工程有限公司

2廊坊中油龍慧科技有限公司

為保障輸油場站的安全運營，避免外來閑雜人員的無意闖入或惡意入侵，必須在輸油場站周界布設(shè)入侵報警系統(tǒng)，對輸油場站的周界安全進行實時監(jiān)控[1]。周界報警系統(tǒng)通常采用的技術(shù)方案有振動光纖、振動電纜、紅外對射、激光對射、微波探測等，其中，光纖傳感技術(shù)與電類傳感技術(shù)相比，具有現(xiàn)場無需供電、抗電磁干擾、布設(shè)靈活、靈敏度高等優(yōu)勢，正成為周界安防技術(shù)方案的主流趨勢[2-5]。因光纖傳感技術(shù)的高靈敏度特點，使得系統(tǒng)在現(xiàn)實復雜的安裝環(huán)境下運行時極易發(fā)生誤報，例如：大風、降雨、車輛經(jīng)過、軌道交通運行等干擾因素都極易觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生誤報，從而降低了系統(tǒng)的實際使用效果。因此，如何在充分利用光纖傳感系統(tǒng)高靈敏度優(yōu)勢的同時，在眾多外界因素干擾之下正確地識別區(qū)分入侵行為和環(huán)境干擾，降低系統(tǒng)誤報率，保證系統(tǒng)的運行效果，都是實際工程中需要重點解決的問題。

1 干擾源分析

輸油場站所處地理位置一般較為偏僻，所占空間面積較大，周界長度大約為1～5 km。對于測振光纖系統(tǒng)而言，除了自然環(huán)境中的干擾源，如大風、降雨等，工作車輛經(jīng)過產(chǎn)生的振動也是出現(xiàn)較為頻繁的干擾源，尤其是在輸油場站的出入口，工作車輛頻繁出入更容易引起光纖測振系統(tǒng)的誤報。因此，需要找到合適的特征區(qū)分方法對風雨干擾、車輛干擾、入侵行為進行區(qū)分判斷，保證系統(tǒng)對真正的周界入侵行為作出判斷，對人員攀爬行為進行有效識別，在保證光纖測振系統(tǒng)能夠有效準確報警的同時，降低光纖測振系統(tǒng)在隨機變化的運行環(huán)境中的誤報率。

通過頻率在1 000 Hz時對大量模擬攀爬測試以及觸發(fā)報警自動錄制的數(shù)據(jù)歸類分析，得出入侵攀爬、風雨干擾和車輛經(jīng)過這三類振動信號，并通過時頻圖譜來進行區(qū)分。對于入侵攀爬、風雨干擾和車輛經(jīng)過這三類振動信號，分別引起的頻帶增長范圍具有一定的差異性，通過對不同范圍的頻帶能量進行提取和計算特征，可以作為區(qū)分干擾信號和入侵信號的有效特征依據(jù)。

圖1 為入侵攀爬信號的典型波形和時頻圖譜。在此段信號中，可見存在3次入侵攀爬所產(chǎn)生的振動激勵。從時頻圖譜中可見當入侵攀爬產(chǎn)生的振動激勵觸碰到圍欄介質(zhì)時，信號頻譜從低頻帶到中頻帶大約1～200 Hz 時，均會出現(xiàn)較為明顯的頻帶能量提升。而攀爬過程中引起的圍欄介質(zhì)晃動，會引起低頻帶頻率大約1～50 Hz時頻帶能量增長，但高于50 Hz的頻帶部分沒有出現(xiàn)明顯的能量增長。

圖1 入侵攀爬信號典型波形和時頻圖譜Fig.1 Typical waveform and time-frequency spectrum of intrusion climbing signals

圖2 為風雨干擾信號的典型波形和時頻圖譜。風雨干擾引起圍欄介質(zhì)晃動，會引起低頻帶頻率大約1～50 Hz 時的能量增長，但50 Hz 以上的能量提升不明顯，此種信號特性與入侵攀爬信號樣本中，圍欄介質(zhì)晃動的信號段較為相近，對于中低頻帶1～200 Hz 時，即使在部分時刻頻帶能量有少量增長，但也可以看出明顯低于入侵攀爬信號在1～200 Hz頻帶內(nèi)的能量增長。由此可以看出，風雨干擾信號和入侵攀爬信號在時頻圖譜中存在較為明顯的區(qū)別。

圖2 風雨干擾信號典型波形和時頻圖譜Fig.2 Typical waveform and time-frequency spectrum of wind and rain interference signals

圖3 為車輛干擾信號的典型波形和時頻圖譜。車輛干擾引起圍欄介質(zhì)晃動，會引起低頻帶頻率大約1～50 Hz時的能量增長，當車輛經(jīng)過產(chǎn)生較強振動時，也會引起中頻帶頻率大約50～200 Hz 時的能量提升，其中，頻率80～120 Hz 時的頻帶提升更為明顯。

綜上所述，入侵攀爬、風雨干擾和車輛經(jīng)過這三類振動信號，由于均會引起圍欄介質(zhì)的晃動，在時頻圖譜的低頻部分頻率50 Hz 以內(nèi)時，均會引起頻帶能量的增長。而入侵攀爬和車輛經(jīng)過引起的振動信號，都會引起中頻帶頻率大約50～200 Hz 時的能量提升，但在80～120 Hz 時的頻帶，車輛經(jīng)過引起的能量提升更為顯著，且持續(xù)時間較長，而入侵攀爬激勵對于這個頻段的影響則較小。因此，通過分析時頻圖譜中不同頻段的能量增長，可以實現(xiàn)對入侵攀爬、風雨干擾和車輛經(jīng)過這三類振動信號的有效區(qū)分。

2 算法設(shè)計

2.1 頻帶能量判斷方法

對于軌道交通車輛段停車場的周界監(jiān)測系統(tǒng)，在需要準確探測識別入侵攀爬信號的同時也需要抑制風雨和車輛干擾引起的誤報警，由上文的分析結(jié)果可以看出，利用時頻分析算法工具，對入侵攀爬、風雨、車輛經(jīng)過這三類激勵信號振動頻譜的不同變化規(guī)律，對這三類激勵信號進行區(qū)分。通過入侵攀爬、風雨干擾、車輛經(jīng)過這三類振動信號在1～50 Hz頻帶、80～120 Hz頻帶、50～200 Hz頻帶的不同響應(yīng)特征，對風雨干擾進行過濾，對車輛經(jīng)過干擾進行區(qū)分。報警判斷方法如下：

（1）將振動光纖探測光纜各個探測單元所采集的振動數(shù)據(jù)進行分幀處理。每幀時長為0.5 s，相鄰幀的重合長度為0.1 s。

（2）計算每幀的頻譜，分別累加1～50 Hz 頻帶能量、80～120 Hz 頻帶能量、50～200 Hz 頻帶能量，與系統(tǒng)實時的頻帶能量閾值進行比較，根據(jù)當前幀所在區(qū)域的靈敏度等級讀取對應(yīng)的報警閾值，超過閾值則此幀得到標記1，沒有超過閾值則此幀得到標記0。創(chuàng)建3 個先進先出數(shù)據(jù)隊列，將所得頻帶能量標記結(jié)果分別存入這3個數(shù)據(jù)隊列，其中不同靈敏度等級所對應(yīng)報警閾值配置見表1。

表1 報警閾值配置Tab.1 Alarm threshold configuration

（3）對于每個探測單元1～50 Hz 頻帶能量標記隊列，判斷是否存在標記1，若存在則進入激勵判斷步驟。

（4）當進入激勵判斷步驟，查找50～200 Hz 頻帶能量標記隊列出現(xiàn)1 的幀號，若不存在標記1 則認為探測到的振動為風雨干擾，若隊列中存在標記1 則根據(jù)對應(yīng)幀號，提取80～120 Hz 頻帶能量標記隊列中的對應(yīng)片段，提取范圍包括對應(yīng)幀及其±5幀。

（5）若在提取80～120 Hz 頻帶能量標記隊列參考片段中，標記1 的數(shù)量大于等于5，則認為探測到的振動為車輛干擾，若標記1 的數(shù)量小于5，則認為探測到的振動為攀爬入侵激勵。

2.2 報警策略自動調(diào)整

考慮到場站周界的干擾源并不是持續(xù)存在的，為了充分發(fā)揮振動光纖傳感技術(shù)高靈敏的優(yōu)勢，系統(tǒng)的報警策略應(yīng)能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)整，以適應(yīng)不同的環(huán)境，提高報警準確率。通過設(shè)計一種根據(jù)各個探測單元探測信號前一段時間的擾動狀態(tài)，自動為當前探測單元配置報警策略的機制，能夠在安靜的環(huán)境中實現(xiàn)高靈敏度的報警，在大風、降雨、車輛頻繁經(jīng)過等干擾較大的環(huán)境中提高報警判斷嚴格程度。報警策略自動調(diào)整方法設(shè)計如下：

（1）在系統(tǒng)中設(shè)置各個監(jiān)測單元的觸發(fā)信號強度閾值。

（2）初始化各探測單元的觸發(fā)次數(shù)記錄變量。

（3）實時采集所監(jiān)測周界各個監(jiān)測單元的外界振動激勵信號。

（4）若在某一時刻，某傳感單元的信號波動范圍超過閾值即被觸發(fā)，在觸發(fā)次數(shù)記錄變量中記錄對應(yīng)信息。通過對觸發(fā)次數(shù)記錄變量中讀取這個傳感單元上次被觸發(fā)的時刻，與本次觸發(fā)時刻進行比較，若本次觸發(fā)與上次觸發(fā)的時間間隔小于時長閾值，則這個傳感單元對應(yīng)的觸發(fā)次數(shù)置1，若本次觸發(fā)與上次觸發(fā)的時間間隔大于或等于時長閾值，則這個傳感單元對應(yīng)的觸發(fā)次數(shù)置0。同時記錄這個傳感單元本次的觸發(fā)時刻。

（5）對于被觸發(fā)的傳感單元，根據(jù)觸發(fā)次數(shù)記錄變量中這個傳感單元在前一段時間內(nèi)的觸發(fā)次數(shù)，自動為其分配對應(yīng)嚴格程度的報警策略，目前系統(tǒng)中報警靈敏度分為5個等級，若經(jīng)計算后符合對應(yīng)的報警條件則輸出報警信息。

3 測試運行

某輸油場站周界長度約3.6 km，墻體上方安裝有硬質(zhì)網(wǎng)片，振動光纖探測光纜采用S型敷設(shè)，在監(jiān)測周界墻體上方網(wǎng)片上進行綁扎安裝，如圖4所示。振動光纖探測光纜敷設(shè)到安裝載體之前，冗余預留不少于5 m，當振動光纖探測光纜穿越阻礙物進行穿管敷設(shè)時，管體兩端冗余預留不少于5 m。在振動光纖探測光纜完成敷設(shè)處，尾端預留不少于10 m。接續(xù)盒放置于圍墻附近手井內(nèi)，振動光纖探測光纜利用保護管保護引至傳輸光纜處，在接續(xù)盒內(nèi)熔接，接續(xù)盒固定在井壁上，確保接續(xù)盒位置隱蔽美觀。傳輸光纜從控制室至圍墻可用已有路由布設(shè)多根傳輸光纜，振動光纖傳感光纜占用1芯傳輸光纜，剩余芯數(shù)留作備用。在機房設(shè)置19 寸標準機柜，信號處理器放置在機柜中。背面光通道與光纜終端盒接口之間用跳線連接。信號處理器用網(wǎng)線連接至光纖收發(fā)器。機架式光纜終端盒放置在機柜中，通過跳線與信號處理器光通道連接。管理終端作為主控端，安裝振動光纜周界入侵報警系統(tǒng)專用軟件，并提供操作臺放置接220 V AC 電源。通過網(wǎng)線連接至交換機，音箱接入計算機系統(tǒng)配合客戶端軟件，經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試后實現(xiàn)入侵報警、視頻聯(lián)動等設(shè)計功能。

圖4 監(jiān)測周界光纖振動探測光纜敷設(shè)方式Fig.4 Laying mode of fiber optic vibration detection optical cables for monitoring perimeter

分別選擇無風、微風、大風、雨天，進行模擬攀爬激勵測試。實驗測試步驟如下：

（1）實驗人員確保系統(tǒng)正常運行。

（2）場外實驗人員到達測試地點后通知場內(nèi)系統(tǒng)操作人員。

（3）場外實驗人員在實驗地點聽從實驗數(shù)據(jù)錄制人員的指揮，在光纜上方采用連續(xù)5次敲擊，每次間隔3 s 進行實驗點位的確認；直到實驗錄制人員確認并反饋光纖點位后，此實驗地點確定；系統(tǒng)操作人員記錄測試地點的光纖點位和對應(yīng)的地理點位信息。

（4）場外實驗人員在確認和處理完實驗前期準備工作后，向系統(tǒng)操作人員報告準備完畢，可以開始測試工作；系統(tǒng)操作人員開始進行數(shù)據(jù)錄制并對現(xiàn)場人員下達操作指令。

（5）場外實驗人員在收到指令后開始在標記點處進行激勵，激勵方式為模擬攀爬入侵行為，對實驗區(qū)段的圍欄進行激勵，并隨時等候系統(tǒng)操作員反饋的報警信息情況，系統(tǒng)操作人員對現(xiàn)場情況進行報警結(jié)果反饋，并作好記錄工作。

經(jīng)過一段時間的實驗測試和信號采集，共收集整理無風天氣狀態(tài)下模擬攀爬入侵樣本150組，微風天氣狀態(tài)下模擬攀爬入侵樣本200組，大風天氣狀態(tài)下模擬攀爬入侵樣本100組，雨天狀態(tài)下模擬攀爬入侵樣本100 組。統(tǒng)計報警率如表2 所示，報警正確率達到100%。

在常規(guī)運行狀態(tài)下，統(tǒng)計每月的誤報數(shù)量，在確定無人員活動的時間段，如夜晚系統(tǒng)在此時間段內(nèi)出現(xiàn)的報警信息進行復核，如復核確定無人員入侵情況，則判定為誤報[6-10]。系統(tǒng)經(jīng)過一年運行，誤報頻次≤3次/月，誤報次數(shù)統(tǒng)計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)誤報次數(shù)統(tǒng)計Fig.5 Statistics of system false alarms

4 結(jié)束語

由于振動光纖傳感技術(shù)測量的高靈敏度特點，使得周界光纖監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)實中復雜環(huán)境下運行時極易發(fā)生誤報。本文對輸油管道場站周界主要存在的干擾源進行了分析，經(jīng)過大量的比對和分析，發(fā)現(xiàn)入侵攀爬、風雨干擾和車輛經(jīng)過這三類振動信號，可以通過時頻圖譜來進行區(qū)分，通過對不同范圍的頻帶能量進行提取和計算特征，可以作為區(qū)分干擾信號和入侵信號的有效特征依據(jù)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了頻帶能量判斷方法，并且設(shè)計了一種根據(jù)環(huán)境狀態(tài)自動調(diào)整各探測單元報警策略的機制。系統(tǒng)的報警策略應(yīng)能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)整，以適應(yīng)不同的環(huán)境，并充分發(fā)揮光纖振動傳感技術(shù)高靈敏的優(yōu)勢。根據(jù)各個探測單元探測信號前一段時間的擾動狀態(tài)，自動為當前探測單元配置報警策略，使得周界光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠在安靜的環(huán)境中實現(xiàn)高靈敏度的報警，在大風、降雨、車輛頻繁經(jīng)過等干擾較大的環(huán)境中提高報警判斷嚴格程度，提高報警準確率，降低誤報率。

系統(tǒng)經(jīng)過一年運行觀察，經(jīng)過復核統(tǒng)計，誤報頻次≤3 次/月。并且在此期間進行了多次模擬攀爬激勵測試，報警正確率達到100%。該系統(tǒng)在充分發(fā)揮振動光纖傳感技術(shù)高靈敏度優(yōu)勢的同時，在大風、降雨、車輛經(jīng)過等眾多的外界因素干擾之下，能夠正確地識別和區(qū)分入侵行為和環(huán)境干擾，有效降低系統(tǒng)的誤報率，保證系統(tǒng)的報警正確率，具有良好的工程應(yīng)用價值，為輸油場站的周界安全提供了可靠保障。