光纤周界安防系统输油场站应用方案

何志强

（国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

光纤传感技术探测距离长、探测范围广、现场无电探测、报警准确度高、可精确定位、易于维护，是目前公认的针对长距离大范围周界安全监测的有效技术解决方案。针对光纤安防系统的高灵敏度与低误报率不能同时兼顾的问题，本文采用将探测光缆在监测周界的围栏区域和埋地区域组合布设的方式，将围栏探测信号和与其对应的地埋探测信号进行同时分析判断，可以有效抑制风雨天气引起的误报输出，使得系统仅对非法入侵人员的攀爬翻越等入侵行为敏感，既保证光纤周界系统的高灵敏度特性，又极大地降低系统的误报率。并结合视频联动，使相关人员可以及时对报警事件进行复核，有效提升周界安防系统的运行效果。

1 系统简介

1.1 传感原理

将一条数公里长单模光缆布设于待测空间，利用相干光时域反射技术，将光脉冲从光纤的一端注入传感光纤，由于所用光源线宽很窄，注入光纤中的光是高度相干的，因此该传感系统的输出就是脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。系统通过探测激光在光纤介质中传输时产生的背向瑞利散射信号，连续测量、准确定位整条光纤所处空间各点的振动信息，通过光纤上的光参数的变化来检测出光纤所处环境变化，并结合OTDR 空间定位技术确定入侵信号的振动信号以及侵入位置，系统的空间定位精度可达到4 m。

1.2 系统构成

光纤周界监测系统架构可从感知传感层、数据监测层和远程监控层三个层面解析：

（1）探测感知层，位于监测系统最底层，主要负责监测光纤线路上的外部扰动信息，并将其转化为可分辨的光学参量。包括振动探测主机和传感光缆。

（2）数据监测层，通过传输光缆将感知传感层所获得的入侵信息首先传给光电探测器；再由仪表将光电信号数据通过采集卡采集，传送到监控计算机，以实现在线监测，提取并分析信号特征，通过模式识别，可提供各种形式的告警。

（3）管理监控层，将中间层监测到的数据整理后打包通过网络传给管理监控中心，实现远程智能监控。在线周界安防监测平台具备工程配置、网络拓扑、数据实时显示、数据存储、报警查询、报表输出等功能，为设防区域的安全运营管理提供决策依据。

2 系统实施

2.1 光缆布设

本文采用将探测光缆在监测周界的围栏区域和埋地区域组合布设的方式，使用一根探测光缆，先后分别在监测周界的围栏区域和埋地区域，各布设一周。

围栏铺设方式，利用围墙现有网片，直接将探测光缆采取S 型敷设，绑扎在网片上，每隔约30 cm～ 50 cm 设置一个绑扎点。

地埋铺设方式，将探测光缆采取S 型敷设直接埋入砾石之中，埋设深度在10 cm～ 20 cm，安装时需要对地表进行适当的处理，平整地基。

围栏和地埋区域的光缆，均采用S 型敷设的方式，是为了增大振动感测长度，提升对外界振动信号的有效采集率。

2.2 数据分析

对于输油场站的周界，需要监测的入侵行为主要有：翻越围墙、冲击围墙。输油场站一般地处偏僻，引起振动探测系统发生误报的干扰源，主要为来自于自然环境中的干扰源，如大风、降雨、鸟类活动、树枝拍打等。风雨和动植物产生的振动主要作用于围栏网片，而对于埋设于土壤中的光缆，由于土壤介质的屏蔽作用，风雨和动植物产生的振动无法传导到埋地部分的光缆，而对于直接作用于地表的振动源，如人员行走，车辆经过等等，此类振动源均会产生直接作用于地表的振动，由于土壤介质的传导作用，此类直接作用于地表的振动源则可以被埋地光缆清晰的感知。

当真正的入侵行为发生时，由于入侵主体一般是人员或车辆，必然会对埋地区域光缆和围栏区域光缆在邻近的时间范围内都存在有激励振动作用，而风雨干扰则不会对埋地区域光缆形成激励，其振动激励只作用于围栏区域光缆。因此，我们设计了对埋地区域光缆和围栏区域光缆信号进行同步分析的方法，当围栏区域光缆探测到符合围栏入侵特征的外界振动激励时，系统应当同时调取其对应地埋区域光缆的振动探测信号，只有在邻近时间范围内，其对应地埋区域光缆也探测到符合地埋入侵特征的振动激励，系统才会发出对应位置的入侵报警信息，同时进行视频联动，以帮助现场值班人员及时地了解周界安全状况，可以有效提高光纤周界监测系统的报警准确率。

2.3 计算步骤

围栏和地埋区域的光缆，均是采用S 型敷设的方式，由于施工铺设操作是由人工进行，不可避免的存在一定的随机性，所以，围栏区域和地埋区域所铺设的光缆长度，并不是严格一致的，因而通过光缆距离来进行围栏区域和地埋区域的对应定位是不合适的，会导致围栏区域和地埋区域对应不准确的情况。因此，当围栏区域和地埋区域的振动探测光缆敷设施工完成后，必须在监测周界的沿线区域，进行人工敲击定位，记录监测周界各处的围栏光缆和地埋光缆对应点位信息并导入系统，以进行后续的计算判断步骤。通过图像处理方法，对所有作用于探测光缆的振动激励进行提取，以图像团块的形式进行标识，再判断提取到的振动激励团块是否符合预设的围栏/地埋入侵特征。之后，通过围栏区域和地埋区域的联合判断，当某处位置在邻近时间范围内同时存在围栏入侵激励信号和地埋入侵激励信号时，系统发出对应位置的报警信息。

实施和计算步骤为：

（1）在整条光纤链路上将光纤划分为多个长度4 m 的小段，每个小段作为一个监测单元；

（2）监测区域每隔一定距离进行敲击定位，记录围栏和地埋区域的探测单元对应关系；

（3）读取各个监测单元的振动探测信号，将每秒原始信号矩阵划分为个时间片段，每个时间片段的行数相同，对每个时间片段求每列的最大值，得到×的矩阵；

（4）将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，得到一段时间内的全段振动信号矩阵，根据该全段振动信号矩阵绘制光纤振动数据图像；

（5）使用OTSU 算法计算分割阈值，将全段振动信号矩阵进行二值化，得到二值化矩阵；

（6）对二值化矩阵中的明亮像素点聚类分析，提取图像中的每一个激励信号团块；

（7）围栏区段信号，判断某信号团块的激励时长和影响范围是否达到围栏策略门限值；

（8）若围栏区段信号的某激励信号团块达到围栏策略预设门限值，则根据围栏区域和地埋区域的探测单元对应记录，提取其对应的地埋区段信号数据，判断此段地埋信号数据是否存在激励信号团块，是否达到地埋策略预设门限值；

（9）当围栏区段信号的某激励信号团块达到围栏策略预设门限值，并且其对应的地埋区段信号在此一定时间范围内也存在激励信号团块达到地埋策略预设门限值，则系统发出入侵报警，报警包含时间、位置等信息。

2.4 视频联动

采用软件联动方式实现周界报警与视频监控的联动功能，流程如下：

（1）将摄像机预置位与周界监测区域进行一一对应。

（2）当安装有光纤周界防护系统的围栏或墙体发生破坏或攀爬等入侵行为发生时，光纤周界报警系统将快速响应并识别、定位入侵行为。

（3）光纤周界报警系统发出报警信号后，将联动附近摄像机快速调整至预置位，对入侵事件进行视频取证和复查。

3 测试运行

在某输油场站周界布设光纤预警系统，周界监测区域全长约2 km，围栏光缆和埋地光缆均采用S 型敷设，先在监测周界的地埋区域布设一周，再在监测周界的围栏区域布设一周。

测试统计方法：在监测区域，随机选择位置，每次以常规力度敲击围栏3 下模拟入侵行为，重复多次。统计每次测试的报警输出结果。

运行统计方法：统计没有测试时段的报警输出，经视频确认无异常情况，认为是误报。

3.1 测试统计

测试统计数据如表1所示。

表1 测试统计

第一天测试出现过1 次漏报，经过数据回放分析，对报警门限值进行了更新优化。在之后的测试过程中，系统对于每一次敲击激励，都能有效报警，并且定位正确，其余时间和位置无误报。部分测试信号如图1所示。

图1 部分测试信号

在图1中标注红框的区域，为识别探测到外界激励信号的区域，可见，系统对于地埋区域的激励信号和围栏区域的激励信号，均能够有效识别判断，并且能正确定位。当围栏某区段识别到达到围栏策略报警门限值的激励信号，并且其对应的地埋区段在此一定时间范围内也识别到达到地埋策略报警门限值的激励信号，则系统发出入侵报警，报警包含时间、位置等信息。

3.2 运行统计

对系统运行的误报情况进行统计，整理如图2所示。

图2 月度误报次数统计

当系统发出报警信息，工作人员通过视频联动和现场巡视，对系统输出的每一条报警事件进行核对，并及时反馈。在试运行初期，某次大风天气曾触发系统误报，经过报警参数优化，大风天气引起的误报被有效抑制。再次进行激励测试，系统对每一次敲击激励都能够有效报警。

4 结 论

为克服光纤安防系统的高灵敏度与低误报率不能同时兼顾的难题，本文采用将探测光缆在监测周界的围栏区域和埋地区域组合布设和联合判断的方式，将围栏探测信号和与其对应的地埋探测信号进行同时分析判断，可以有效抑制非人为活动引发的误报输出，使得系统仅对非法入侵人员的攀爬翻越等恶意入侵行为敏感，充分的发挥了光纤预警系统技术优势，既保证了光纤周界系统的高灵敏度特性，又极大地降低了系统的误报率，并且结合视频联动，使得相关人员可以及时对报警事件进行复核，有效提升了光纤周界安防系统的监测效果。