近岸段海底管道立体安防系统的研究与应用

李永宇+王佐强+孙奇伟+常世君+刘极莉

摘 要：面对日益突显的海底管道水下安防新课题，目前主要采用的沿海底管道路由布放警示浮标的方法无法对需保护区域进行全方位的监测，并缺少相关驱离措施，保护效果不显著。因此需研究建立一套水下、水面全方位立体监测的海底管道安防新系统。本文以南海某项目为分析明近岸段海底管道立体安防系统的组成、功能及关键技术。

关键词：近岸段海底管道；立体安防系统；水声监测；雷达监测；视频监测

中图分类号：TE88 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0156-02

1 引言

近年来，国内外海洋油气资源开发步伐日益加快，兴建了一大批海上油气田，开采出来的油气资源通过铺设的海底管道送至陆上终端。但海底管道在近岸段易受到船舶抛锚、水下作业、挖沙等威胁，会对海底管道的安全造成不容忽视的影响[1]。面对日益突显的海底管道水下安防新课题，近年来国内外对近岸段海底管道保护的安防措施主要是沿管道路径布放警示浮标，但缺乏对需保护区域的全方位实时监测和有效的驱离措施，保护效果不显著。为预防与应对上述事故的发生及对海底管道进行立体全方位的监控防护，建立一套水下、水面全方位立体监测的近岸段海底管道立体安防系统已势在必行。

2 对于近岸段海底管道立体安防系统的研究

2.1 近岸段海底管道立体安防系统的設计原则及技术方针

为对海底管道进行立体实时安全监测，降低管道被外部不明船只在附近施工、作业或抛锚等危险行为造成破坏的风险，近岸段海底管道立体安防系统应按照主动防御、准确测报、防范未然、规避事故的原则方针开展设计，以达到全天候自动监测、自动预警，并对目标位置及状态进行精确测量，甚至采用防卫机制将目标驱离限定水域，为管道的安全增添一份切实保障。近岸段海底管道立体安防系统应按照无人值守的要求进行设计，但为保证系统可靠性，工作模式应有自动和人工两种模式。

2.2 近岸段海底管道立体安防系统的基本构成

为实现上述功能，近岸段海底管道立体安防系统可采用水下声学测量并结合岸上雷达和视频测量的联合自动监测方法，综合利用水声、电磁波和光学测量技术，实现海底管道近岸段水面船只活动及作业情况的实时监测，并对出现的危险现象及时报警，降低海底管道的安全风险。整个系统可由水声监测系统、雷达监测系统、视频监测系统以及站控中心控制系统组成。近岸段海底管道立体安防系统组成示意图1所示。

2.3 近岸段海底管道立体安防系统的工作流程

近岸段海底管道立体安防系统采用水声与雷达、视频联合自动监测方案，其工作流程描述如下：首先利用水声被动测量可长期工作的特点，实现对海底管道沿线水面、水下目标的前期声学预警，再利用岸基雷达的短期主动扫描，获取水面可疑目标的准确参数，视频监测设备用于雷达近端监测盲区的补充测量。在管道沿线布放的警示浮标上加装水声监测设备，多个浮标节点联合就可以覆盖海底管道沿线区域。工作模式应有自动和人工两种模式，雷达和视频可随时人工控制开启。立体安防系统总体工作流程图图2所示。

2.4 需要突破的关键技术

为实现对海底管道进行立体实时安全监测的目标，前文中提到的近岸段海底管道立体安防系统需要突破以下关键技术。

（1）海面雷达杂波抑制抗干扰技术。由于海上风浪、界面反射等因素影响，海面杂波抑制与陆地杂波抑制存在极大的差异，海面杂波因不同海况而异，其处理方法更为复杂，需采用海面杂波抑制抗干扰技术，以提高海上运动目标的信杂比和信噪比，完成对目标信号的检测及对目标距离、幅度等信息的有效提取。（2）目标水声检测与识别技术。声纳被动目标检测与识别是水声界的前沿技术之一，包括低频线谱检测、特征提取和目标分类识别三大步骤，需针对系统的实际使用条件和检测要求，研究适宜的目标识别算法，并开展实际环境下的验证，对目标识别算法和判决门限进行优化，以达到理想的目标识别效果。（3）浮标结构改造及设备安装技术。水声设备是依托浮标进行安装的，必须对浮标进行改造，改造方案既要符合海事部门的规范，又要充分考虑海上装卸的方便性、浮标的稳定性、可维修性等因素，并要保证水听器的最佳接收性能。（4）多系统数据融合及综合显控技术。系统综合显控软件对声纳、雷达、视频、定位等多套设备进行监视、控制及数据的综合处理、显示，功能复杂，其设计的好坏将直接关系到系统的可操作性、可视性、可维修性及系统的总体性能。

3 海底管道近岸段立体安防体系的应用实例

南海某项目应用了海底管道近岸段立体安防系统的设计，采用水声与雷达、视频联合自动监测方案对海底管道近岸段水面船只活动及作业情况进行立体、实时监测，并对出现的危险现象及时报警，降低海底管道的安全风险。此系统首先利用沿海底管道近岸段路径布置的浮标以及布置在浮标上的水声设备对海底管道沿线水面、水下目标进行前期声学预警；然后再利用布置在终端场地的CY1013中近程对海监视雷达进行短期主动扫描，获取水面可疑目标的准确参数，例如精确距离、方位、速度、反射强度等信息，并跟踪目标的航行轨迹；并用视频监测设备（含可见光CCD和红外热像仪）用于雷达近端监测盲区的补充测量；站控中心综合监测显控软件接收水声数据、雷达目标和环境数据、目标船只数据及近区（2公里内）视频报警数据等进行综合分析处理后，实时显示目标运动轨迹及状态信息，并给出危险目标报警提示。整个系统由基于浮标的水声监测分系统和雷达、视频监测分系统以及站控中心的系统监测显控设备四大部分组成。

3.1 水声监测分系统

根据相关规范要求[2-3]，沿近岸段海底管道路由布置浮标12对浮标，其中实体浮标含改造装设水听器设备的有10座。浮标布置间距为1km～1.5km，而每个浮标的监测半径为1km，监测范围为阴影部分区域。水声探测设备安装在管道沿途的警示浮标上，海底管道附近水中目标发出的噪声，经过水中传播被浮标上的水听器接收到，噪声信号经过放大、滤波等处理后、由数字处理系统进行噪声幅度、频谱特性等分析，并通过一定时间的累计和比较，评估是否存在可疑目标，一旦判断有可疑目标，自动开启预警功能，将相关信息结果通过无线方式传送给站控中心设备。站控中心主机对回传数据进一步分析，自动判决是否需要开启雷达，进行进一步监测。endprint

3.2 雷达监测分系统

根据项目要求及相关规范[4]，选定CY1013中近程对海监视雷达（以下简称CY1013雷达）布置在陆地终端海底管道登陆点附近，其利用水面目标的电磁波反射特性，在去除海面反射杂波等影响后，通过对目标反射的电磁波信号进行处理，得到目标的精确距离、方位、速度、反射强度等信息，并跟踪目标的航行轨迹。同时CY1013雷达自动报警软件根据判决条件进行初步报警级别的判别，并将有关信息数据传送至站控中心机房，进行综合集成处理。CY1013雷达设备既可单独工作，也可由综合显控计算机控制下工作。

3.3 视频监测分系统

视频监测设备布置在陆地终端海底管道登陆点附近，由前端传感器（含可见光CCD和红外热像仪）、一体化转台、防雷装置、光纤传输设备、终端计算机及配套器件等组成。其采用分区域自动巡航模式：依托视频一体化转台，采用多区域定时依次扫描监视技术，将所需监视的海底管道长度分为多个固定区域，通过一体化转台每次转动一定角度（可设定）依次进行扫描监视，确定巡航路线后，系统将自动进入循环巡航状态，从而实现近岸端海底管道路由的无人值守的全程监视。视频数据传送至信息处理中心后，信息处理中心将视频画面还原，利用专业的图像自动报警软件，根据接收的不同帧图像的像素差以及船只在管道附近停留时间进行判决，实现视频监控自动报警。

3.4 站控中心设备

站控中心设备包括监测报警显控设备及接口、北斗无线数据传送中心站、光通信设备、机柜、UPS等，其中北斗无线数据传送中心站用于与浮标上北斗设备进行数据通信。站控中心软件共分为综合监控和三维视景两大部分。

综合监测显控软件接收水声数据、雷达目标和环境数据、目标船只数据及近区（2公里内）视频报警数据等进行综合分析处理后，实时显示目标运动轨迹及状态信息，并给出危险目标报警提示。三维视景软件运行于站控中心主处理机上，計算机接收站控中心主处理机软件其他功能模块传来的雷达探测数据、目标船只数据、报警信息和软件界面操作信息；以三维动画的形式，显示监控海域浮标的分布情况、水面船只的航行状况以及报警画面等。

4 实施效果及应用前景

南海某项目近岸段海底管道立体安防系统的建成投用，为此项目近岸段海底管道提供了切实的保护，将大大降低海底管道受破坏的风险，加快推进了安防系统在海洋工程领域的应用，将提升海洋油田的综合安全防卫水平，防止不法分子、组织对油气的偷采盗掠和各种破坏，降低引进国外安防系统潜藏的隐患。在填补我国技术空白，推动行业发展，带来经济效益的同时，减少海底设备被破坏而引起的海洋环境污染，也可为我国的生态文明建设贡献一份力量，产生可观的社会效益。

参考文献

[1]谭箭，李恒志，田博.关于事故性抛锚对海底管线损害的讨论[J].航海工程，2008，（1）：142-144.

[2]GB4696-1999.中国海区水上助航标志[S].国家质量技术监督局，1999-05-31.

[3]GB16161-1996.中国海区水上助航标志形状显示规定[S].中国标准出版社，1996.

[4]GJB/Z 87-1997.雷达电波传播折射与衰减手册[S].北京：国防科学技术工业委员会，1997.endprint