(中海石油(中國)有限公司，天津 300461)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油天然氣等能源產(chǎn)業(yè)在國家經(jīng)濟中的地位愈加顯著。近年來，國家大力倡導國家能源安全與能源儲備，客觀上對中國的能源產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求，同時也提供了更多的發(fā)展空間。實現(xiàn)高效安全生產(chǎn)，實行數(shù)字化遠程管理，有效控制生產(chǎn)過程中的關鍵技術環(huán)節(jié)，以及大規(guī)模生產(chǎn)所要求的統(tǒng)一、協(xié)調、高效、遠程調度指揮、監(jiān)管、控制是目前眾多大型企業(yè)所企盼的。但是海上油田特殊的地理位置及較陸地油田狹窄且高度集中的設備區(qū)域，使得海上平臺間的海底運輸管線和海底電纜基本處于無監(jiān)控、無人看管狀態(tài)，面臨人為或自然因素破壞的風險，其對安全防范的要求越來越高。本文探討的是海上油田群內、各平臺間、海面及海底的安全防范系統(tǒng)的設計原則、系統(tǒng)構成及工作原理。

1 設計原則

1.1 海上油田安全環(huán)境分析

影響海上油田安全的環(huán)境要素主要包括以下三個方面。

① 自然不可抗力因素。如風、浪、流、地震、腐蝕、海冰、海生物等引起基礎沖刷、基礎動力軟化、位移、材料老化、機械疲勞和損傷累積等現(xiàn)象。

② 人為因素。隨著人類對海洋的開發(fā)，漁船、游輪、大型施工作業(yè)船等船舶在淺海、近海來往頻繁，海管、海纜、導管架等設施的安全受到很大威脅，如船舶對海上平臺導管架主結構的沖擊、海底施工作業(yè)限制、挖溝船對海底管纜的刮碰等。

③ 故意破壞。受巨額經(jīng)濟利益驅使，淺海油田打卡盜油現(xiàn)象屢禁不絕；深水遠海油田，國際形勢復雜，周邊國家覬覦。為了某些不可告人的目的而故意破壞，成為海上油田另一個重大安全隱患。

1.2 海上油田安全環(huán)境設計構想

一般而言，安全防范系統(tǒng)有效性的首要指標是“時間”，即提前預警或及時警報；第二指標是“正確”，系統(tǒng)并不是越靈敏越好，而應以減少誤報又不漏報為設計依據(jù)。

通過為海上油田安裝安防系統(tǒng)，實時監(jiān)測油田管/線路附近海域水中目標的活動情況，如獲取船只與油田管/線路間的距離、船只的航速、航向、航行軌跡等特征參數(shù)。特別是發(fā)現(xiàn)水面船只在油田重要區(qū)域有停船的跡象或水下目標靠近時，安防系統(tǒng)發(fā)出報警信號，采取驅離等措施消除不安全因素，以避免危害的發(fā)生，達到主動對外預防的目的。

2 安防系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 安防系統(tǒng)的組成

油田安防系統(tǒng)采取模塊化設計，總體配置如圖1所示。統(tǒng)一各種安防技術，以水面/水下傳感系列模塊的形式，通過通信鏈路(無線、電纜或光纜)接口，接入平臺(或岸基)安防監(jiān)控中心。其中，水下傳感設備包括被動監(jiān)測聲納、光纖水聽器監(jiān)測聲納、彩色圖像識別聲納，水面?zhèn)鞲性O備包括水面定位雷達、紅外成像監(jiān)視儀，多功能水下電視、外部數(shù)據(jù)包括船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)等。最后經(jīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合判斷輸出預警信息。采取聲光方式報警，形成閉環(huán)處理。監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進行融合和集中處理，做出綜合預警判決信息，進一步降低虛警概率，提高系統(tǒng)可靠性。

圖1 海上油田安防系統(tǒng)構成

2.2 安防系統(tǒng)的工作原理

(1) 被動監(jiān)測聲納

被動監(jiān)測聲納的任務主要是水面和水下的大范圍初步監(jiān)測。被動監(jiān)測聲納在油田區(qū)域布設水聽器基陣，能實時跟蹤監(jiān)測油田區(qū)域5 km范圍內的目標(春冬季節(jié)可達10 km以上)。被動監(jiān)測聲納含有水下基陣部分和水面干端部分。被動監(jiān)測聲納組成如圖2所示。

圖2 被動監(jiān)測聲納組成結構

水下部分主要為四線陣或水聽器線纜陣，水面干端部分主要為電子設備機柜。例如在油田平臺附近埋設一線纜陣，進一步探測油田及周邊水面目標并監(jiān)控，并在油田平臺邊緣布設多個四線陣，能實時跟蹤監(jiān)測四線陣3 km范圍內的目標。通過在油田區(qū)域合理布設水聽器基陣，實現(xiàn)油田區(qū)域水中目標的實時跟蹤和定位，及時輸出提示信息給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心確認目標并給出警告信號等，以避免危害的發(fā)生，達到主動防御的目的。

(2) 光纖水聽器監(jiān)測聲納

光纖水聽器監(jiān)測聲納的任務主要是海底長輸管線的預警和初步監(jiān)測?；诠饫w水聽器水聲監(jiān)測技術建立的海管監(jiān)測子系統(tǒng)，通過沿海管布放的光纖水聽器組網(wǎng)的監(jiān)測線纜，接收附近的水中噪聲，由平臺監(jiān)控中心的處理設備和監(jiān)控計算機，對海管沿線兩側1 000 m范圍內的水中和水面目標進行全天候實時被動監(jiān)測識別。通過對一段時間內接收噪聲的時域和頻域聯(lián)合分析，判斷是否有船只在警戒區(qū)長時間停泊。同時，可對危險目標所在的區(qū)域進行判斷，并發(fā)出報警信息，降低船只在附近停留或作業(yè)等危險行為對海管造成損壞的風險。

(3) 彩色圖像識別聲納

彩色圖像識別聲納的任務主要是浮式儲油缷油裝置(floating production storage and offloading,FPSO)的水下重點(要地)防范，對半徑為100～200 m范圍內的各種水下無人航行器(unmanned under-water vehicle，UUV)、自主式無人水下航行器(autonomous under-water vehicle,AUV)、蛙人進行準確識別和精確定位。圖像數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳電臺傳送至安防監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)圖像可判斷目標類型。彩色圖像識別聲納是油田安防系統(tǒng)有效的水下取證手段。

(4) 多功能水下電視功能

可移動、收放，適用于20～30 m水深的多功能水下電視，主要用于導管架監(jiān)視以及海底管纜的視頻檢測及水下取證。

(5) 海面預警定位雷達

海面預警定位雷達的任務主要是海面目標的監(jiān)測和精確定位。其作用是監(jiān)視油田半徑10 km區(qū)域的水面目標，配合海底管纜的位置海圖，對處于海底管線上方警戒區(qū)域的船只進行精確定位并判斷其意圖，及時進行警告；或對過于靠近海上平臺及設施的船只，尤其對滯留于海底管線禁區(qū)的船只須采取管制措施，以避免危害的進一步發(fā)生，達到主動防御的效果。

(6) 紅外成像監(jiān)視儀

紅外成像監(jiān)視儀的任務主要是對水面目標進行確認與監(jiān)視。紅外成像監(jiān)視儀具有夜視觀測及目標探測功能，可以保證平臺附近海域360°全向觀測。視頻圖像等信息可通過電纜傳送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心進行綜合處理。

(7) 安防監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的作用是為被動監(jiān)測聲納、光纖水聽器監(jiān)測聲納、彩色圖像識別聲納、多功能水下電視、海面預警定位雷達、紅外成像、AIS等設備提供一個集中傳輸(無線或有線)、處理和聯(lián)合監(jiān)控的場所，通過分析各種設備獲取的不同信息和數(shù)據(jù)挖掘，進行相互驗證和確認，降低虛警概率。如水下聲納探測目標，監(jiān)控中心通知水面雷達、紅外成像監(jiān)視儀等進行重點確認(反之亦然)，配合油田設施位置數(shù)據(jù)，在此基礎上做出聯(lián)合預警判決。再對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行記錄，建立監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，并集數(shù)據(jù)獲取、處理、記錄、監(jiān)控、取證、識別、警戒和通信指揮等功能于一體。

監(jiān)控中心通過整合水下、水面和水上的各傳感技術，構成點、線、面相結合，遠、中、近各種距離兼顧，(初步)監(jiān)測、(精確)定位、(準確)識別、(有效)管制(含取證、記錄)等過程相互銜接的梯級防護網(wǎng)絡，最終融合三維視景顯示，構成一個完整可觀的數(shù)字化油田安防系統(tǒng)。

3 安防系統(tǒng)的主要技術指標

(1)油田水下安防系統(tǒng)總體技術指標

① 子系統(tǒng)個數(shù)：8個(被動監(jiān)測聲納、光纖水聽器監(jiān)測聲納、彩色圖像識別聲納、多功能水下電視、海面預警定位雷達、紅外成像監(jiān)視儀、監(jiān)控中心、聯(lián)合監(jiān)控軟件及安防數(shù)據(jù)庫)。

② 工作方式：梯級防御、聯(lián)合監(jiān)控。

③ 監(jiān)控范圍：75 km2。

④ 監(jiān)控對象：水面、水下目標。

⑤ 報警方式：三維圖像和聲音、文字信息，安全距離及對應的報警等級可由用戶設定。

⑥ 系統(tǒng)連續(xù)工作時間：大于90 d。

⑦ 適用環(huán)境：適用于海上油田高低溫、振動、鹽霧、海況、海洋生物等環(huán)境要求。

(2) 被動監(jiān)測聲納主要技術指標

① 線纜陣中心5 km以上范圍(三級海況下，在150 Hz～2 kHz頻段內聲源譜級不小于120 dB時, 相當于500 t的船在水面以18.52 km/h船速行駛)。

② 定位誤差：不大于6%。

③ 系統(tǒng)具有水中目標運動跟蹤及運動參數(shù)測量功能。

(3) 光纖水聽器監(jiān)測聲納技術指標

① 系統(tǒng)監(jiān)測海管長度：2 km(可擴展)。

② 水聲監(jiān)測節(jié)點間距：約500 m。

③ 監(jiān)測范圍：海管(監(jiān)測纜線沿海管路由布放)兩側約1 km條狀區(qū)域。

④ 水聲監(jiān)測的目標譜級:不小于140 dB(80 Hz～10 kHz)。

⑤ 監(jiān)測性能：對監(jiān)測范圍內的航行船只(譜級不小于140 dB)進行監(jiān)聽，當船只進入警戒區(qū)域內(距海管約500 m以內)停留時系統(tǒng)給出報警。

⑥ 監(jiān)測海域深度：海深8～30 m。

⑦ 監(jiān)測周期：2 s，可按倍數(shù)設定。

(4) 彩色圖像識別聲納主要技術指標

① 水平波束開角：1.7°/655 kHz、3°/400 kHz。

② 垂直波束寬度：40°/655 kHz、30°/400 kHz。

③ 掃描范圍：水平360°或設定。

④ 掃描步距角:0.225°(最小)。

⑤ 掃描方式：連續(xù)掃描或扇掃。

(5) 多功能水下電視主要技術指標

渾水水下攝像機陣列：靈敏度1 lux；分辨率470線；鏡頭標準F2.0；水下視場角≥50°；幾何失真≤5%；水下工作深度≥60 m。

SXDS-103型水下攝像機：靈敏度0.1 Lux；分辨率460線；鏡頭標準F1.4～3.0,f=4.1～73.8 mm 自動光圈；水下視場角≥50°(對角線)；幾何失真≤5%；信號制式采用逐行倒相(phase alternating line,PAL)制式；深度測量精度3‰。

(6) 海面定位雷達主要技術指標

① 作用距離：最遠10 000 m(視距條件下)。

② 測距精度：優(yōu)于15 m。

③ 測向精度：優(yōu)于0.2°(10 km處對應弧長約35 m)。

④ 方位探測范圍： 360°。

(7) 紅外成像監(jiān)視儀主要技術指標

① 觀測角度： 360°電控旋轉。

② 作用距離：≥10 km(無霧天氣，10 m×10 m以上目標)，≥2 km(對人)。

③ 視場：2級, 小視場3.1°(水平)× 2.5°(垂直)，大視場6.2°(水平)× 5.0°(垂直)。

④ 有效像元(面陣規(guī)模)：640 × 512。

⑤ 測距誤差：不大于8%(10 km)。

(8) 監(jiān)控中心主要技術指標

無線數(shù)傳電臺：組網(wǎng)方式，無線局域網(wǎng)(802.11)；覆蓋范圍，最大10 km(視距條件下)；工作頻段2.4 GHz或5.8 GHz；數(shù)據(jù)傳輸速率11 Mbit/s或54 Mbit/s。

RTK DGPS差分基站：水平差分定位精度0.2 m(三級海況條件下)；高程差分定位精度0.5 m(三級海況條件下)；差分覆蓋范圍，最大10 km(視距條件下，由無線數(shù)傳電臺配合)。

4 安防系統(tǒng)應用特點

4.1 主動防御

利用聲納、雷達等探測設備，主動發(fā)現(xiàn)油田區(qū)域內目標，包括船只、大型漂浮物、水下航行體等，并對其進行準確跟蹤和定位,實現(xiàn)主動防御。

4.2 立體防御

整合包括空中、水面、水上、水下的各種傳感技術，構建點、線、面相結合的立體時空防御網(wǎng)，可靠監(jiān)視油田區(qū)域空中、水面及水下目標。

4.3 全面防御

聲納、雷達及紅外監(jiān)控技術的應用，使其具備不受海域、天氣等環(huán)境因素制約的特點，可全天候24 h不間斷的連續(xù)監(jiān)控，尤其適應風、雨、霧、冰等惡劣氣候，實現(xiàn)全面防御。

4.4 精確定位

系統(tǒng)數(shù)據(jù)率高達0.5 (脈沖數(shù)/秒)、定位精度優(yōu)于0.2°/15 m(RMS)；雷達子系統(tǒng)可同時監(jiān)測約90個目標?；陔p圓柱形基陣的被動聲納定位屬國內首次應用，被動多目標定位技術達到國內領先。

4.5 三維視景運用

以三維視景動畫的方式顯示監(jiān)控目標在三維場景中的運動過程，提高整個系統(tǒng)的直觀性和反應時間。

4.6 信息集中處理

通過融合及挖掘聲納、雷達和AIS的各種數(shù)據(jù)信息，以聯(lián)合、互補、印證等技術手段，監(jiān)控中心自動判斷目標的威脅程度，及時在監(jiān)控畫面給出相關預警信息。通過AIS系統(tǒng)自動對進入油田區(qū)域的目標發(fā)送預警信息。

5 案例說明

5.1 特點

被動監(jiān)測聲納利用水中目標運動時產(chǎn)生的噪聲，實時對目標進行測向和定位跟蹤。被動監(jiān)測聲納具有作用距離遠、監(jiān)測范圍大等特點。本安防系統(tǒng)采用了四線陣與線纜陣兩種基陣相結合的方案，特點如下。

① 四線陣結構形式簡單，布放在海床上，維修方便；

② 線纜陣采用埋設方式，可組合多個節(jié)點擴大監(jiān)控范圍，工程量較小，利于海上施工；

③ 系統(tǒng)有逐級信號檢查措施及定時全系統(tǒng)自檢功能，能及時判定系統(tǒng)是否工作正常，并判斷故障組成部分，給出有關系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息；

④ 水下基陣具有綜合防護措施，能較好地防止海洋生物附著在基陣表面；

⑤ 水下電路具有冷備份措施。

5.2 組成

被動監(jiān)測聲納為安防系統(tǒng)最主要的組成部分，系統(tǒng)采用三點定位與四點定位相結合的方法。三點定位原理和四點定位原理如圖3所示。

圖3 三點定位及四點定位原理

三點定位時，只依靠一個節(jié)點的水聽器檢測信號進行目標定位。四點定位時，需要利用多個節(jié)點的測向數(shù)據(jù)為目標定位。由于節(jié)點間的跨度達500 m甚至上千米，因此采用四點定位原理的定位方法獲得的目標定位誤差較小。

以四點定位原理為例。每個節(jié)點通過接收目標輻射噪聲估計目標方位，再經(jīng)計算得到目標相對于節(jié)點1和節(jié)點2連線(X軸)的法線方向(Y軸)的夾角α和β。目標在該直角坐標系中的坐標(X、Y)由式(1)和式(2)計算。

(1)

(2)

式(1)和式(2)的計算結果是以節(jié)點2為原點的坐標系統(tǒng)，需要經(jīng)過坐標旋轉及平移，將目標在該坐標系中的坐標值變換為以監(jiān)控中心為原點、正北方向(或其他方向)為0°的極坐標系中的坐標值，即完成目標方位的解算。由于圖3坐標系中的Y軸與正北方向有一夾角γ，因此，需要先將該坐標系旋轉一γ角后才能進行平移。坐標變換公式如下。

坐標旋轉變換公式：

(3)

(4)

X′=-Rcos(γ-θ)

(5)

Y′=Rsin(γ-θ)

(6)

坐標平移變換公式：

X″=X′+X0

(7)

Y″=Y′+Y0

(8)

式中：X0和Y0為節(jié)點2在以監(jiān)控中心為原點、正南方向為X軸方向的直角坐標系中坐標值；X″和Y″為目標在該坐標系中坐標值。

直角坐標系變換為極坐標系的公式為：

(9)

(10)

式中：R′為目標與監(jiān)控中心的距離值,m；θ′為目標和監(jiān)控中心連線與正北方向的夾角，(°)。

經(jīng)過坐標旋轉及平移，將上述坐標系中的目標位置變換為以監(jiān)控中心為原點、正北方向為0°的極坐標系，實現(xiàn)目標位置的坐標系轉換，使測量結果和顯示軌跡與監(jiān)控中心其他監(jiān)測系統(tǒng)所采用的坐標系一致。

6 安防系統(tǒng)的應用價值

6.1 海底石油泄漏預警

通過水下安防設備的應用，海上平臺操作人員可在第一時間內接收到海底石油、天然氣泄漏的警報，及時采取應對措施。

6.2 不受天氣限制，避免船舶刮碰平臺及管纜

通過海面雷達、夜間霧天紅外圖像顯示、基陣報告，觀察挖溝船、鋪管船等大型作業(yè)船舶，以及漁船等小型作業(yè)船只，提前預警，避免船舶碰撞平臺，或刮壞海底管道、海底電纜。

6.3 海損事故調查取證

通過紅外追蹤拍攝、雷達聲納軌跡、AIS注冊信息、肇事船只航跡查詢回放等記錄數(shù)據(jù)，再現(xiàn)事件的歷史過程，為海損事故分析提供參考依據(jù)。

7 結束語

海上油田安全防范系統(tǒng)是否有效，是由技防、人防的有機結合決定的。對一個安全防范系統(tǒng)設計進行精心設計、施工只是完善系統(tǒng)的一個方面，設備、管理制度和輔助措施等諸方面形成一個有機結合的運作模式，才能真正發(fā)揮系統(tǒng)的有效性。

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