丁 一

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450）

0 引言

近年來我國(guó)海洋石油工業(yè)快速發(fā)展，探明石油天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量屢創(chuàng)新高，油氣產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。在這一過程中，我國(guó)海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施數(shù)量和船舶數(shù)量快速增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)出規(guī)?；?、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)由于海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)環(huán)境日益復(fù)雜，航行船舶與海上石油平臺(tái)之間的碰撞概率及船舶之間的碰撞概率明顯增加[1]。另外，受到其他海上船舶影響，海上石油平臺(tái)、海底輸油管線、地震電纜以及浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪等生產(chǎn)設(shè)施面臨的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，這既給海上油氣田安全高效生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，也成為海洋環(huán)境的潛在威脅。

通過梳理近年來我國(guó)海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施相關(guān)安全事故發(fā)現(xiàn)，過去的安全防控主要集中在內(nèi)部安全方面，較少關(guān)注外來船舶、水下不明物體等外部隱患。防控措施主要采用肉眼觀察等方式監(jiān)控水面及空中的目標(biāo)，對(duì)于水下的目標(biāo)監(jiān)控基本上處于空白狀態(tài)，手段落后、技術(shù)較為單一，風(fēng)險(xiǎn)防控意識(shí)不強(qiáng)[2-3]。為了提升海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性，有必要開展生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)研究。

1 海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 防范系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)以及海上交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，海上油氣田附近航行環(huán)境日益復(fù)雜，航道、通航密集區(qū)等與海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施的沖突越來越多，這給海上油氣田的安全生產(chǎn)帶來安全隱患。尤其是距離航道距離較小的海上石油平臺(tái)，與航行船舶發(fā)生碰撞的概率較大，如何采取有效措施規(guī)避船舶碰撞成為海上油氣田安全生產(chǎn)重點(diǎn)思考的問題。同時(shí)，海底管道長(zhǎng)度不斷增加，平臺(tái)與平臺(tái)之間以及平臺(tái)與陸地終端之間的海底管道日益復(fù)雜，在部分情況下受到海底地形限制管道必須要穿過已有航道，增加了海底管道受損的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

基于當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)施安全防范要求，我國(guó)海上油氣田借鑒國(guó)外安全防控理念，提出了“主動(dòng)防御、準(zhǔn)確測(cè)報(bào)、防范未然、規(guī)避事故”的十六字方針，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻聯(lián)動(dòng)監(jiān)控報(bào)警技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，如AIS（Automatic Identification System，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）、自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀系統(tǒng)、紅外成像監(jiān)視系統(tǒng)、水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，形成了一套系統(tǒng)完善的生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)，可以對(duì)海上石油平臺(tái)以及海底管道等生產(chǎn)設(shè)施附近目標(biāo)進(jìn)行全程監(jiān)控并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，有助于在發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患時(shí)及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，避免生產(chǎn)設(shè)施被外部不明船只或拋錨作業(yè)等損壞。目前該生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)主要應(yīng)用于習(xí)慣航道區(qū)保護(hù)、密集油田區(qū)保護(hù)、長(zhǎng)輸管道保護(hù)等方面。

1.2 安全防范關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 AIS

AIS 是在先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)支持下形成的一種新型助航系統(tǒng)和海上安全信息系統(tǒng)，其在VHF（Very-High Frequency，甚高頻）海上頻段進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別應(yīng)答，可以顯著提升船舶交通管理效率，保障船舶航行安全。按照國(guó)際海上人命安全公約第五章相關(guān)內(nèi)容要求，所有2002 年7 月1 日之后建造的噸位超過300 t的國(guó)際航運(yùn)船舶以及噸位超過500 t 的非國(guó)際航運(yùn)船舶，均需要強(qiáng)制性安裝AIS 系統(tǒng)。中國(guó)海事局考慮我國(guó)具體國(guó)情，于2003 年建設(shè)沿海的AIS 船舶自動(dòng)識(shí)別岸基系統(tǒng)，包括國(guó)家級(jí)AIS 數(shù)據(jù)中心、海區(qū)管理維護(hù)中心以及大量的岸臺(tái)基站，目前我國(guó)已經(jīng)形成了亞洲最大的沿海AIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效覆蓋我國(guó)沿海主要水域以及港口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)以及查詢。

AIS 可以實(shí)現(xiàn)船舶與船舶以及船舶與海岸之間的信息互換，構(gòu)成包括AIS 船臺(tái)、基站、數(shù)據(jù)鏈、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及信息系統(tǒng)等。其中，船臺(tái)和基站共同構(gòu)成AIS 臺(tái)站，其具體由GPS/DGPS 模塊、數(shù)據(jù)處理器以及調(diào)制解調(diào)器等模塊組成，船臺(tái)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)傳送航行船舶的信息（包括動(dòng)靜態(tài)信息以及安全信息等），基站系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)傳送中轉(zhuǎn)船舶以及交管信息，從而為船舶航行安全提供信息支持。

1.2.2 自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀系統(tǒng)

在大霧天氣及夜間等能見度較低的環(huán)境中航行時(shí)，為了保障船舶行業(yè)安全，可以采用船用雷達(dá)來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，以有效避免船舶與其他物體發(fā)生碰撞。在一定的距離范圍內(nèi)，船用雷達(dá)可以對(duì)海岸、礁石、航行船舶以及浮標(biāo)等距離和方向進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并且可以基于航線情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為船舶航行提供引導(dǎo)。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀系統(tǒng)誕生并實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用，它包括常規(guī)常用雷達(dá)、計(jì)程儀及羅經(jīng)等，可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行捕捉跟蹤，并通過矢量方式顯示目標(biāo)的航向、航速，同時(shí)還具有危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)警等多種功能。

1.2.3 AIS 與雷達(dá)系統(tǒng)的比較

1.2.3.1 AIS 的4 個(gè)優(yōu)勢(shì)

（1）可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并準(zhǔn)確了解船舶的目的港，便于船舶之間的溝通。

（2）采用VHF 進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸，其對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力大幅提升，同時(shí)可以檢測(cè)到被陸地以及其他障礙物所遮擋的船舶，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

（3）通過GPS 獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，具有非常高的數(shù)據(jù)精度，特別是在頻繁操作較為復(fù)雜的通航環(huán)境中，AIS可以及時(shí)掌握碰撞危險(xiǎn)。

（4）雷達(dá)信號(hào)容易受到雨雪以及海浪等復(fù)雜環(huán)境的影響，而AIS 的GPS 數(shù)據(jù)不會(huì)受到這些干擾的影響，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.3.2 AIS 不能取代雷達(dá)系統(tǒng)的原因

（1）對(duì)于沒有按照規(guī)定安裝AIS 設(shè)備或關(guān)閉AIS設(shè)備的船舶，AIS 系統(tǒng)不能進(jìn)行識(shí)別。

（2）雷達(dá)系統(tǒng)是一種自主的監(jiān)測(cè)跟蹤技術(shù)，能夠獲取全水域交通圖像，包括運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)。

（3）AIS 系統(tǒng)中GPS 數(shù)據(jù)為天線所在點(diǎn)的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，在圖像顯示上船舶僅表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，而雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)船舶的大小和形狀進(jìn)行反饋。

2 海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 在海上平臺(tái)防碰撞中的應(yīng)用

按照《1972 年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》，海上航行船舶為了保障安全性應(yīng)與礙航物之間最小保持3.1 km的會(huì)遇距離，基于此，可以在海上平臺(tái)周邊安全作業(yè)區(qū)、警戒區(qū)以及排它區(qū)分別設(shè)置相應(yīng)的通航安全區(qū)、控制區(qū)和禁航區(qū)，并將其在海事圖上公開顯示。通常將海上石油平臺(tái)最外緣生產(chǎn)設(shè)施的外邊線擴(kuò)500 m 作為禁航區(qū)，將禁航區(qū)向外擴(kuò)3100 m 作為通航控制區(qū)，通航控制區(qū)外側(cè)為通航安全區(qū)（圖1）。

圖1 海上石油平臺(tái)通航安全區(qū)、控制區(qū)和禁航區(qū)示意

本文以單個(gè)海上石油平臺(tái)和船舶為例，論述它們?nèi)绾瓮ㄟ^AIS 實(shí)現(xiàn)防碰撞。

（1）船舶從港口出發(fā)之后，在其還未進(jìn)入海上平臺(tái)AIS 系統(tǒng)輻射區(qū)域內(nèi)（通常距離為46.3 km），船舶與海上平臺(tái)之間雖然無法識(shí)別對(duì)方存在，但是由于兩者距離較遠(yuǎn)，因此沒有碰撞的風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。

圖2 船舶在海上平臺(tái)AIS 系統(tǒng)輻射區(qū)域外

（2）隨著船舶與海上平臺(tái)之間的距離不斷減小，船舶與海上平臺(tái)之間可以相互識(shí)別對(duì)方的存在并可以溝通，但是船舶此時(shí)在平臺(tái)通航安全區(qū)范圍內(nèi)，這時(shí)平臺(tái)安全管理人員只需要觀察船舶的動(dòng)向，雙方均無須采取防碰撞措施（圖3）。

圖3 船舶在海上平臺(tái)通航安全區(qū)范圍內(nèi)

（3）待船舶駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)的通航控制區(qū)之后，AIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警。在非必要情況下船舶不能駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)的通航控制區(qū)，在必要情況下船舶確實(shí)需要駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)的通航控制區(qū)，需要向海上平臺(tái)控制中心報(bào)告，并且聽從海上平臺(tái)控制中心指揮，禁止會(huì)遇、追越和拋錨，并將航速控制在一定范圍內(nèi)（圖4）。

圖4 船舶駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)通航控制區(qū)

（4）如果船舶駛?cè)肓撕Ｉ掀脚_(tái)禁航區(qū)，船舶與海上平臺(tái)之間的距離非常近，兩者發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)非常高，此時(shí)船舶和海上平臺(tái)均應(yīng)基于AIS 系統(tǒng)識(shí)別報(bào)警信息，及時(shí)采取有效的防碰撞措施，避免發(fā)生碰撞（圖5）。在非特殊情況下，嚴(yán)禁船舶駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)禁航區(qū)。

圖5 船舶駛?cè)牒Ｉ掀脚_(tái)禁航區(qū)

海上油氣田安全生產(chǎn)除了關(guān)注平臺(tái)安全外，還需要密切關(guān)注海管以及電纜等設(shè)施的安全。通常來說對(duì)于海底管道，規(guī)定其上方200 m 范圍內(nèi)為作業(yè)禁止區(qū)、200～500 m 為作業(yè)警戒區(qū)、500～1000 m 為作業(yè)監(jiān)測(cè)區(qū)、大于1000 m 為作業(yè)安全區(qū)。通過對(duì)海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施安裝相應(yīng)的安全防范系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上平臺(tái)、海底管道區(qū)域范圍內(nèi)水面以及水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于進(jìn)入海上平臺(tái)通航控制區(qū)、海底管道作業(yè)警戒區(qū)的目標(biāo)及時(shí)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤分析，并給出相應(yīng)的警戒信息，為安全決策提供依據(jù)，及時(shí)消除各種危險(xiǎn)因素，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全防范。

2.2 應(yīng)用案例

目前渤海海域的船舶基本上安裝了AIS 系統(tǒng)，渤海某油田以AIS 系統(tǒng)為主、以船用雷達(dá)為輔，構(gòu)建了完善的生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)，避免油田生產(chǎn)設(shè)施與船舶發(fā)生碰撞。

在系統(tǒng)硬件方面，油田配置了1 套AIS 系統(tǒng)和1套船用雷達(dá)系統(tǒng)，可以發(fā)布自身信息和采集目標(biāo)信息。該油田AIS 系統(tǒng)與目前船舶上的AIS 系統(tǒng)保持一致，通過VHF 頻段固定時(shí)間間隔向外發(fā)布平臺(tái)MMSI 碼等信息。海上航行的船舶一旦進(jìn)入AIS 覆蓋區(qū)，便可以獲得海上油氣田向外發(fā)布的相關(guān)信息、了解平臺(tái)位置，然后將其作為一個(gè)障礙物采用有效的避讓措施，避免發(fā)生碰撞?？紤]到部分船舶出于某些原因可能沒有安裝或臨時(shí)關(guān)閉了AIS 系統(tǒng)，當(dāng)船舶進(jìn)入海上油氣田AIS 覆蓋范圍后，雙方均無法通過AIS 系統(tǒng)獲取對(duì)方信息，這時(shí)需要通過船用雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在確認(rèn)對(duì)方為危險(xiǎn)障礙物的情況下，海上平臺(tái)與船舶之間可以通過VHF 進(jìn)行溝通，有助于船舶提前降低航速或轉(zhuǎn)變航向，避免發(fā)生碰撞事故。安裝在海上油氣田陸地終端的AIS 系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測(cè)登錄管線以及在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)航行的船舶，如果發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，便于安全管理人員及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

在系統(tǒng)軟件方面，該油田在海上平臺(tái)中控安裝了1 套AIS 系統(tǒng)，可以處理AIS 以及船用雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)警信號(hào)，并將結(jié)果顯示在電子海圖上，有效監(jiān)測(cè)往來船舶。陸地終端預(yù)警中心提前對(duì)油田平臺(tái)以及海底管道等生產(chǎn)設(shè)施位置進(jìn)行標(biāo)繪、明確報(bào)警區(qū)域，如果船舶等其他目標(biāo)進(jìn)入報(bào)警區(qū)域后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲音報(bào)警，并在屏幕上閃爍提示。

3 結(jié)束語

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)的發(fā)展海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)環(huán)境日益復(fù)雜，給油氣田生產(chǎn)設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。本文提出的海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施安全防范系統(tǒng)，應(yīng)用AIS 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)施的全面立體監(jiān)測(cè)，為海上油氣田的安全高效生產(chǎn)提供支持，同時(shí)為平臺(tái)智能安全防范系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)部分海上油氣田得到成功應(yīng)用，取得了良好成效，但是該系統(tǒng)尚處于初步應(yīng)用階段，還有待于進(jìn)一步完善。