海底管线防护系统的设计与实现

王 杰， 肖 菲， 王爱民(中海油信息科技有限公司 天津分公司， 天津 300452)

海底管线防护系统的设计与实现

王 杰， 肖 菲， 王爱民
(中海油信息科技有限公司 天津分公司， 天津 300452)

为提高海上平台指挥调度效率、保障海上生产作业设施及人员生命财产安全、加快海上石油生产信息化建设，提出海上生产设施主动防护理念，并结合近年海上主要事故分析总结情况研发出一套海底管线防护系统。该系统以电子海图为平台，利用船载自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)及雷达技术对监控点周围一定范围内的过往船舶进行实时监控，当船舶在海底管线上方一定范围内且有抛锚趋势时，系统将发出声光预警，值班人员通过相关手段通知该船舶不准抛锚，从而达到防护海底管线的目的。当船舶在海上平台一定范围内行驶且有冲撞平台的趋势，或违规驶入驶出特定区域时，该系统亦能发出预警，从而达到保护海上生产作业设施及人员生命财产的目的。

海底管线防护系统；自动识别系统；雷达；船舶；电子海图

海底管线包括海底石油、天然气和油气混合体的输送管道，干线管道，以及管道与平台连接的主管道等。其作用是把从海上油田、气田开采出来的石油或天然气汇集起来，输往系泊油船的单点(如浮式生产储油卸油装置)或陆上石油、天然气处理终端。[1]随着石油战略逐渐向海洋领域转移，海上建造的平台日益增多，海底油气管线更是越来越交错复杂。[2]近年来，随着海洋渔业、工业蓬勃发展，大量船舶投入到海洋资源的开发浪潮中，导致船舶刮断海底管线事故频繁发生，不仅严重影响海上石油平台的正常生产，而且由此引发的漏油事故给海洋环境带来巨大危害。[3]在此背景下，海底管线主动防护理念应运而生。这里结合相关科研项目成果及其应用情况，对海底管线防护系统中的关键技术及其设计与实现进行详细论述。

1 海底管线主动防护的迫切性分析

1.1海底管线泄漏事故统计

据统计，全球50%～60%的海底油气管道破裂事故是由第三方破坏造成的。[4]1967—2012年，墨西哥湾共发生海底管线泄漏事故184起，其中由自身设备故障导致的事故仅占34.3%；1998—2012年，我国公开发布和报道的海底管线泄漏事故有19起，其中已查明原因的15起事故中，由第三方破坏导致的事故多达7起。[5]由此可见，第三方破坏已成为威胁海底管线安全的重要因素。

1.2海底管线泄漏后果分析

海洋石油污染会给环境、渔业生产、旅游和自然生态带来破坏性影响，而海底管道泄漏是海洋石油污染的主要方式之一。石油中含有多种化合物，其化学毒性可迅速导致海岸植物枝叶枯萎、海水中大量动植物急性中毒死亡；其物理分解会消耗水中溶解氧，造成海水缺氧[6]，引起海洋中大量藻类和微生物死亡、厌氧生物大量繁衍，使得海洋生态系统的食物链遭到破坏，从而导致整个海洋生态系统失衡。

海底管线一旦发生泄漏，石油平台需立即停产，并组织工程船抢修。以2001年某海底管线被刮断为例，该事故导致石油平台停产40 d，直接损失上亿元,由此造成的海洋渔业生产、海水养殖和环境治理等方面的间接损失更是无法估量。

1.3海底管线泄漏法律责任

第三方破坏主要来自于近海工程施工、船舶起抛锚作业、拖网捕鱼和其他海洋开发等。船舶在海底管线上方从事上述作业时，极易对其造成误伤。尤其是在我国渤海水域，海底管线密布，进出各港湾的航道、鱼汛期作业的船舶较多，刮断海底管线的风险大大增加。

虽然海底管线所有者对由第三方损害造成的海底管线泄漏不负主要责任，但也与其有一定关系。我国在海底油气管道铺设方面有严格的工业标准，在符合标准的基础上，海底管线所有者还应会同主管部门在管线集中的海底走廊设立醒目的标志，或利用其他技术手段提醒其他用海者不要对海底管线误操作。[7]

2 海底管线防护系统关键技术

2.1船载自动识别系统技术简介

船载自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)配合全球定位系统(Global Positioning System,GPS)将船舶静态信息、动态信息和航行数据通过甚高频(Very High Frequency，VHF)频道向附近水域的其他船舶和岸台广播，使邻近船舶和岸台及时掌握附近海面所有船舶的动、静态信息，以便迅速进行通话协调，采取必要的避让行动。AIS的出现极大地降低了船舶航行的安全保卫风险。[8]

AIS广播和接收的消息分为以下3类。

1) 船舶静态数据，如船名、呼号、国籍、海上移动通信业务标识(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)、船舶类型、船长和船宽等。

2) 船舶动态数据，如经度、纬度、艏向、航向和航速等。

3) 船舶航行数据，如船舶状态、吃水、目的地和预计到港时间等。

中华人民共和国海事局《关于国内航行船舶配备电子海图系统和B级自动识别系统的管理规定》第九条和第十条明确要求中国籍200 t以上作业船舶要于2010年12月31日前安装完成符合标准的B级AIS设备。因此，只要该类船舶进入AIS覆盖区域，就一定能被监测到。

2.2雷达技术简介

若船舶人为关闭AIS设备、AIS设备出现故障或未安装标准AIS设备，AIS将无法接收到该船舶的位置信息，当其在海底管线附近作业时就会对海底管线的安全造成严重威胁。因此，需引入雷达设备对该类船舶进行主动探测。

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，其通过发射电磁波对目标进行照射并接收目标回波，由此获得目标与电磁波发射点之间的距离、距离变化率(径向速度)、方位和高度等信息。[9]

船用雷达又称航海雷达，最初安装于船上进行航行避让、船舶定位和狭水道引航等航海活动。将船用雷达引入到海底管线防护系统中的主要原因是其具有主动探测物体的能力，对于AIS无法识别的船舶，可作为补充识别设备；雷达可根据探测到的物体与自身的方位、距离和距离变化率(径向速度)，结合自身经纬度，计算出目标物体的经纬度和实际速度。

2.3电子海图系统

“电子海图”没有明确的定义，一般把各种数字格式的海图统称为电子海图。电子海图显示与信息系统被认为是继雷达之后船舶导航方面的又一项伟大技术革命。目前电子海图系统已发展成为一种新型船舶导航系统和辅助决策系统，其结合GPS，不仅能精确给出船位，而且能提供和综合与航海相关的各种信息，有效防范各种险情。[10-11]

海底管线防护系统是基于电子海图开发的，首先在电子海图上进行个性化标绘(如标绘平台位置信息、管线路由信息等)，随后叠加AIS和雷达系统收到的船舶位置信息，最终形成内容丰富的电子海图(见图1)。

3 系统设计

3.1系统架构设计

系统采用C/S架构，在地理信息系统(Geo-graphic Information System，GIS)平台的基础上搭建数据库，实时存储AIS和雷达采集的数据，结合电子海图功能，展现船舶的动态、平台和海底管线的信息，实时判断船速与标绘区域的关系，在符合报警条件的情况下触发报警。系统逻辑架构图见图2。

图1 综合电子海图信息的海底管线防护系统

图2 系统逻辑架构图

3.2系统功能设计

系统旨在以电子海图为平台，通过集成AIS设备收集的信息和雷达设备扫描的信息生成船舶动态信息图，结合标绘的海上平台、海底管线和油船等目标的信息，实时监控和管理一定范围内的船舶，当危险情况将要发生时，及时进行预警。对此，在设计该系统时要重点考虑海图显示与基本操作，海图标绘(点、线、面、文字等)与管理，船舶动态信息显示、查询与静态资料管理，通信接口功能(雷达、罗经、AIS等)，历史信息存储与查询，船队、区域与船速相结合的报警方式等功能。

4 系统工作原理

4.1系统拓扑结构

海底管线防护系统由AIS设备、雷达设备、系统主机、系统服务器、串口服务器及相关网络外设构成，其拓扑结构见图3。

1) 串口服务器1和串口服务器3工作在虚拟串口通信模式下，在该模式下可与一台电脑(海底管线防护系统主机)建立连接，支持数据的双向透明传输。由海底管线防护系统主机上的虚拟串口软件管理该串口服务器；该软件可在主机上生成虚拟串口；在该虚拟串口上读取的数据与AIS设备(雷达设备)输出的RS232数据完全一致。[12]

图3 系统拓扑结构图

2) 串口服务器2和串口服务器4工作在TCP/UDP通信模式下，在该模式下作为client端，可与远端服务器通过IP地址和端口建立连接，实现数据的双向透明传输；数据可直接入库。

4.2系统工作流程

首先由AIS设备接收附近船舶的AIS信息，通过RS232串口格式输出，通过串口服务器1转换成虚拟串口数据，通过海底管线防护系统主机虚拟串口1与该串口服务器传输的数据绑定；系统通过虚拟串口1接收附近船舶的AIS数据，并在海图上显示(见图4)。

图4 系统接收附近船舶的AIS数据

同理，雷达设备扫描的船舶信息转换成矢量数据通过RS232串口格式输出，通过串口服务器3转换成虚拟串口数据，通过海底管线防护系统主机虚拟串口3与该串口服务器传输的数据绑定；系统通过虚拟串口3接收附近船舶雷达扫描的数据，并在海图上显示。若某船既发射AIS信息又被雷达扫描到，则经航迹关联检验算法确定为同一目标的航迹可进行航迹融合处理，得到目标状态，生成新的图标进行区分。[13-17]

串口服务器2和串口服务器4把AIS数据和雷达数据转换成TCP/IP数据发往陆地服务器，形成船舶航行历史数据，事故发生后可通过查询这些数据进行事故追责。而服务器可对海图进行全局标绘，当客户端启动时自动加载新的标绘数据。

4.3海底管线主动防护原理

大量船舶工作在海底管线敷设区域，若船舶正常航行，则海底管线的安全并不会受到威胁；但若船舶进行抛锚、挖沙和撒网等作业，则很容易刮断海底管线。因此，首先在海图中对海线管线的位置进行精确标绘，然后在海底管线两侧一定范围内(如500 m)设置报警区域(见图5)。

图5 海底管线主动防护报警触发条件设置

当非本公司船队船舶进入上述标绘区域，且系统根据其位置变化情况或AIS信息中的速度信息(如速度<1 kn)判断其有抛锚趋势时，系统触发报警。此时值班人员要利用一切可行性手段通知目标船舶不能在该区域抛锚。相关流程见图6。

图6 海底管线主动防护报警触发流程

系统亦支持点物标和面物标报警设置，均受区域、速度和船队的限制。对于点物标，如防止目标船舶误撞平台，可设置以平台为中心、半径为1 n mile的报警区域，当非本公司船队的船舶进入该区域且速度>3 kn时进行报警。对于面物标，如设置某作业区为服务区，要求某船在该区域进行24 h职守，当其驶离该区域时进行报警。点物标和面物标的报警原理、设置、报警流程与线物标(海底管线)类似，在此不再赘述。

5 结束语

针对中海油作业区域海底管线经常被刮碰的现状，设计研发出海底管线防护系统；巧妙结合雷达、电子海图、AIS和GIS等现有的成熟技术，有效实现对海上作业设施和海底管线的主动防护与预警，海底管线面临的风险大大降低；在有效保护公司作业设施、保证安全生产的同时，降低油气泄漏事故发生率，实现保障生产和保护环境的双丰收。

目前系统已在渤海作业区域43个平台和陆地处理厂推广使用，收效明显。虽然东海和南海的海油作业水域较深，离岸较远，一般工程船较少靠近，海底管线不易被刮碰，但在海底管线各登陆点仍面临较大风险，若能应用该系统对登陆管线进行主动防护，则可大大降低各管线被第三方破坏的风险。

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DesignandImplementationofSubmarinePipelineProtectionSystemwithAISandRadarSensors

WANGJie，XIAOFei，WANGAimin
(CNOOC Information Technology Co., Ltd. Tianjin Branch, Tianjin 300452, China)

The concept of active protection of offshore production facilities is introduced and a submarine pipeline protective system is developed to improve the safety and operation efficiency of offshore platforms. The submarine pipeline protection system, which is built based on the platform of electronic chart, uses Automatic Identification System (AIS) and radar technology for real-time monitoring of passing ships within the interesting area, and provides sound-light alarm of anchoring in protected area to alert the operator on duty to stop such action. This system can also give an alarm when a ship entering or exiting a specified region or runs into the offshore platform.

submarine pipeline protection system; AIS; radar; ship; electronic chart

2015-05-04

王 杰(1986—), 男, 河北保定人，工程师，主要从事数字船舶及通信技术的研究工作。 E-mail:wangjie7@cnooc.com.cn

1000-4653(2015)03-0075-04

TE973.92;TP311

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