海上油田群安防系统简述

(中海石油(中国)有限公司，天津 300461)

0 引言

随着中国经济的快速发展，石油天然气等能源产业在国家经济中的地位愈加显著。近年来，国家大力倡导国家能源安全与能源储备，客观上对中国的能源产业提出了更高的要求，同时也提供了更多的发展空间。实现高效安全生产，实行数字化远程管理，有效控制生产过程中的关键技术环节，以及大规模生产所要求的统一、协调、高效、远程调度指挥、监管、控制是目前众多大型企业所企盼的。但是海上油田特殊的地理位置及较陆地油田狭窄且高度集中的设备区域，使得海上平台间的海底运输管线和海底电缆基本处于无监控、无人看管状态，面临人为或自然因素破坏的风险，其对安全防范的要求越来越高。本文探讨的是海上油田群内、各平台间、海面及海底的安全防范系统的设计原则、系统构成及工作原理。

1 设计原则

1.1 海上油田安全环境分析

影响海上油田安全的环境要素主要包括以下三个方面。

① 自然不可抗力因素。如风、浪、流、地震、腐蚀、海冰、海生物等引起基础冲刷、基础动力软化、位移、材料老化、机械疲劳和损伤累积等现象。

② 人为因素。随着人类对海洋的开发，渔船、游轮、大型施工作业船等船舶在浅海、近海来往频繁，海管、海缆、导管架等设施的安全受到很大威胁，如船舶对海上平台导管架主结构的冲击、海底施工作业限制、挖沟船对海底管缆的刮碰等。

③ 故意破坏。受巨额经济利益驱使，浅海油田打卡盗油现象屡禁不绝；深水远海油田，国际形势复杂，周边国家觊觎。为了某些不可告人的目的而故意破坏，成为海上油田另一个重大安全隐患。

1.2 海上油田安全环境设计构想

一般而言，安全防范系统有效性的首要指标是“时间”，即提前预警或及时警报；第二指标是“正确”，系统并不是越灵敏越好，而应以减少误报又不漏报为设计依据。

通过为海上油田安装安防系统，实时监测油田管/线路附近海域水中目标的活动情况，如获取船只与油田管/线路间的距离、船只的航速、航向、航行轨迹等特征参数。特别是发现水面船只在油田重要区域有停船的迹象或水下目标靠近时，安防系统发出报警信号，采取驱离等措施消除不安全因素，以避免危害的发生，达到主动对外预防的目的。

2 安防系统的组成及工作原理

2.1 安防系统的组成

油田安防系统采取模块化设计，总体配置如图1所示。统一各种安防技术，以水面/水下传感系列模块的形式，通过通信链路(无线、电缆或光缆)接口，接入平台(或岸基)安防监控中心。其中，水下传感设备包括被动监测声纳、光纤水听器监测声纳、彩色图像识别声纳，水面传感设备包括水面定位雷达、红外成像监视仪，多功能水下电视、外部数据包括船舶自动识别系统(automatic identification system, AIS)等。最后经系统数据综合判断输出预警信息。采取声光方式报警，形成闭环处理。监控中心对接收到的数据进行融合和集中处理，做出综合预警判决信息，进一步降低虚警概率，提高系统可靠性。

图1 海上油田安防系统构成

2.2 安防系统的工作原理

(1) 被动监测声纳

被动监测声纳的任务主要是水面和水下的大范围初步监测。被动监测声纳在油田区域布设水听器基阵，能实时跟踪监测油田区域5 km范围内的目标(春冬季节可达10 km以上)。被动监测声纳含有水下基阵部分和水面干端部分。被动监测声纳组成如图2所示。

图2 被动监测声纳组成结构

水下部分主要为四线阵或水听器线缆阵，水面干端部分主要为电子设备机柜。例如在油田平台附近埋设一线缆阵，进一步探测油田及周边水面目标并监控，并在油田平台边缘布设多个四线阵，能实时跟踪监测四线阵3 km范围内的目标。通过在油田区域合理布设水听器基阵，实现油田区域水中目标的实时跟踪和定位，及时输出提示信息给监控中心，由监控中心确认目标并给出警告信号等，以避免危害的发生，达到主动防御的目的。

(2) 光纤水听器监测声纳

光纤水听器监测声纳的任务主要是海底长输管线的预警和初步监测。基于光纤水听器水声监测技术建立的海管监测子系统，通过沿海管布放的光纤水听器组网的监测线缆，接收附近的水中噪声，由平台监控中心的处理设备和监控计算机，对海管沿线两侧1 000 m范围内的水中和水面目标进行全天候实时被动监测识别。通过对一段时间内接收噪声的时域和频域联合分析，判断是否有船只在警戒区长时间停泊。同时，可对危险目标所在的区域进行判断，并发出报警信息，降低船只在附近停留或作业等危险行为对海管造成损坏的风险。

(3) 彩色图像识别声纳

彩色图像识别声纳的任务主要是浮式储油缷油装置(floating production storage and offloading,FPSO)的水下重点(要地)防范，对半径为100～200 m范围内的各种水下无人航行器(unmanned under-water vehicle，UUV)、自主式无人水下航行器(autonomous under-water vehicle,AUV)、蛙人进行准确识别和精确定位。图像数据通过无线数传电台传送至安防监控中心，监控中心根据图像可判断目标类型。彩色图像识别声纳是油田安防系统有效的水下取证手段。

(4) 多功能水下电视功能

可移动、收放，适用于20～30 m水深的多功能水下电视，主要用于导管架监视以及海底管缆的视频检测及水下取证。

(5) 海面预警定位雷达

海面预警定位雷达的任务主要是海面目标的监测和精确定位。其作用是监视油田半径10 km区域的水面目标，配合海底管缆的位置海图，对处于海底管线上方警戒区域的船只进行精确定位并判断其意图，及时进行警告；或对过于靠近海上平台及设施的船只，尤其对滞留于海底管线禁区的船只须采取管制措施，以避免危害的进一步发生，达到主动防御的效果。

(6) 红外成像监视仪

红外成像监视仪的任务主要是对水面目标进行确认与监视。红外成像监视仪具有夜视观测及目标探测功能，可以保证平台附近海域360°全向观测。视频图像等信息可通过电缆传送到监控中心，由监控中心进行综合处理。

(7) 安防监控中心

监控中心的作用是为被动监测声纳、光纤水听器监测声纳、彩色图像识别声纳、多功能水下电视、海面预警定位雷达、红外成像、AIS等设备提供一个集中传输(无线或有线)、处理和联合监控的场所，通过分析各种设备获取的不同信息和数据挖掘，进行相互验证和确认，降低虚警概率。如水下声纳探测目标，监控中心通知水面雷达、红外成像监视仪等进行重点确认(反之亦然)，配合油田设施位置数据，在此基础上做出联合预警判决。再对监控数据进行记录，建立监控数据库，并集数据获取、处理、记录、监控、取证、识别、警戒和通信指挥等功能于一体。

监控中心通过整合水下、水面和水上的各传感技术，构成点、线、面相结合，远、中、近各种距离兼顾，(初步)监测、(精确)定位、(准确)识别、(有效)管制(含取证、记录)等过程相互衔接的梯级防护网络，最终融合三维视景显示，构成一个完整可观的数字化油田安防系统。

3 安防系统的主要技术指标

(1)油田水下安防系统总体技术指标

① 子系统个数：8个(被动监测声纳、光纤水听器监测声纳、彩色图像识别声纳、多功能水下电视、海面预警定位雷达、红外成像监视仪、监控中心、联合监控软件及安防数据库)。

② 工作方式：梯级防御、联合监控。

③ 监控范围：75 km2。

④ 监控对象：水面、水下目标。

⑤ 报警方式：三维图像和声音、文字信息，安全距离及对应的报警等级可由用户设定。

⑥ 系统连续工作时间：大于90 d。

⑦ 适用环境：适用于海上油田高低温、振动、盐雾、海况、海洋生物等环境要求。

(2) 被动监测声纳主要技术指标

① 线缆阵中心5 km以上范围(三级海况下，在150 Hz～2 kHz频段内声源谱级不小于120 dB时, 相当于500 t的船在水面以18.52 km/h船速行驶)。

② 定位误差：不大于6%。

③ 系统具有水中目标运动跟踪及运动参数测量功能。

(3) 光纤水听器监测声纳技术指标

① 系统监测海管长度：2 km(可扩展)。

② 水声监测节点间距：约500 m。

③ 监测范围：海管(监测缆线沿海管路由布放)两侧约1 km条状区域。

④ 水声监测的目标谱级:不小于140 dB(80 Hz～10 kHz)。

⑤ 监测性能：对监测范围内的航行船只(谱级不小于140 dB)进行监听，当船只进入警戒区域内(距海管约500 m以内)停留时系统给出报警。

⑥ 监测海域深度：海深8～30 m。

⑦ 监测周期：2 s，可按倍数设定。

(4) 彩色图像识别声纳主要技术指标

① 水平波束开角：1.7°/655 kHz、3°/400 kHz。

② 垂直波束宽度：40°/655 kHz、30°/400 kHz。

③ 扫描范围：水平360°或设定。

④ 扫描步距角:0.225°(最小)。

⑤ 扫描方式：连续扫描或扇扫。

(5) 多功能水下电视主要技术指标

浑水水下摄像机阵列：灵敏度1 lux；分辨率470线；镜头标准F2.0；水下视场角≥50°；几何失真≤5%；水下工作深度≥60 m。

SXDS-103型水下摄像机：灵敏度0.1 Lux；分辨率460线；镜头标准F1.4～3.0,f=4.1～73.8 mm 自动光圈；水下视场角≥50°(对角线)；几何失真≤5%；信号制式采用逐行倒相(phase alternating line,PAL)制式；深度测量精度3‰。

(6) 海面定位雷达主要技术指标

① 作用距离：最远10 000 m(视距条件下)。

② 测距精度：优于15 m。

③ 测向精度：优于0.2°(10 km处对应弧长约35 m)。

④ 方位探测范围： 360°。

(7) 红外成像监视仪主要技术指标

① 观测角度： 360°电控旋转。

② 作用距离：≥10 km(无雾天气，10 m×10 m以上目标)，≥2 km(对人)。

③ 视场：2级, 小视场3.1°(水平)× 2.5°(垂直)，大视场6.2°(水平)× 5.0°(垂直)。

④ 有效像元(面阵规模)：640 × 512。

⑤ 测距误差：不大于8%(10 km)。

(8) 监控中心主要技术指标

无线数传电台：组网方式，无线局域网(802.11)；覆盖范围，最大10 km(视距条件下)；工作频段2.4 GHz或5.8 GHz；数据传输速率11 Mbit/s或54 Mbit/s。

RTK DGPS差分基站：水平差分定位精度0.2 m(三级海况条件下)；高程差分定位精度0.5 m(三级海况条件下)；差分覆盖范围，最大10 km(视距条件下，由无线数传电台配合)。

4 安防系统应用特点

4.1 主动防御

利用声纳、雷达等探测设备，主动发现油田区域内目标，包括船只、大型漂浮物、水下航行体等，并对其进行准确跟踪和定位,实现主动防御。

4.2 立体防御

整合包括空中、水面、水上、水下的各种传感技术，构建点、线、面相结合的立体时空防御网，可靠监视油田区域空中、水面及水下目标。

4.3 全面防御

声纳、雷达及红外监控技术的应用，使其具备不受海域、天气等环境因素制约的特点，可全天候24 h不间断的连续监控，尤其适应风、雨、雾、冰等恶劣气候，实现全面防御。

4.4 精确定位

系统数据率高达0.5 (脉冲数/秒)、定位精度优于0.2°/15 m(RMS)；雷达子系统可同时监测约90个目标。基于双圆柱形基阵的被动声纳定位属国内首次应用，被动多目标定位技术达到国内领先。

4.5 三维视景运用

以三维视景动画的方式显示监控目标在三维场景中的运动过程，提高整个系统的直观性和反应时间。

4.6 信息集中处理

通过融合及挖掘声纳、雷达和AIS的各种数据信息，以联合、互补、印证等技术手段，监控中心自动判断目标的威胁程度，及时在监控画面给出相关预警信息。通过AIS系统自动对进入油田区域的目标发送预警信息。

5 案例说明

5.1 特点

被动监测声纳利用水中目标运动时产生的噪声，实时对目标进行测向和定位跟踪。被动监测声纳具有作用距离远、监测范围大等特点。本安防系统采用了四线阵与线缆阵两种基阵相结合的方案，特点如下。

① 四线阵结构形式简单，布放在海床上，维修方便；

② 线缆阵采用埋设方式，可组合多个节点扩大监控范围，工程量较小，利于海上施工；

③ 系统有逐级信号检查措施及定时全系统自检功能，能及时判定系统是否工作正常，并判断故障组成部分，给出有关系统的工作状态信息；

④ 水下基阵具有综合防护措施，能较好地防止海洋生物附着在基阵表面；

⑤ 水下电路具有冷备份措施。

5.2 组成

被动监测声纳为安防系统最主要的组成部分，系统采用三点定位与四点定位相结合的方法。三点定位原理和四点定位原理如图3所示。

图3 三点定位及四点定位原理

三点定位时，只依靠一个节点的水听器检测信号进行目标定位。四点定位时，需要利用多个节点的测向数据为目标定位。由于节点间的跨度达500 m甚至上千米，因此采用四点定位原理的定位方法获得的目标定位误差较小。

以四点定位原理为例。每个节点通过接收目标辐射噪声估计目标方位，再经计算得到目标相对于节点1和节点2连线(X轴)的法线方向(Y轴)的夹角α和β。目标在该直角坐标系中的坐标(X、Y)由式(1)和式(2)计算。

(1)

(2)

式(1)和式(2)的计算结果是以节点2为原点的坐标系统，需要经过坐标旋转及平移，将目标在该坐标系中的坐标值变换为以监控中心为原点、正北方向(或其他方向)为0°的极坐标系中的坐标值，即完成目标方位的解算。由于图3坐标系中的Y轴与正北方向有一夹角γ，因此，需要先将该坐标系旋转一γ角后才能进行平移。坐标变换公式如下。

坐标旋转变换公式：

(3)

(4)

X′=-Rcos(γ-θ)

(5)

Y′=Rsin(γ-θ)

(6)

坐标平移变换公式：

X″=X′+X0

(7)

Y″=Y′+Y0

(8)

式中：X0和Y0为节点2在以监控中心为原点、正南方向为X轴方向的直角坐标系中坐标值；X″和Y″为目标在该坐标系中坐标值。

直角坐标系变换为极坐标系的公式为：

(9)

(10)

式中：R′为目标与监控中心的距离值,m；θ′为目标和监控中心连线与正北方向的夹角，(°)。

经过坐标旋转及平移，将上述坐标系中的目标位置变换为以监控中心为原点、正北方向为0°的极坐标系，实现目标位置的坐标系转换，使测量结果和显示轨迹与监控中心其他监测系统所采用的坐标系一致。

6 安防系统的应用价值

6.1 海底石油泄漏预警

通过水下安防设备的应用，海上平台操作人员可在第一时间内接收到海底石油、天然气泄漏的警报，及时采取应对措施。

6.2 不受天气限制，避免船舶刮碰平台及管缆

通过海面雷达、夜间雾天红外图像显示、基阵报告，观察挖沟船、铺管船等大型作业船舶，以及渔船等小型作业船只，提前预警，避免船舶碰撞平台，或刮坏海底管道、海底电缆。

6.3 海损事故调查取证

通过红外追踪拍摄、雷达声纳轨迹、AIS注册信息、肇事船只航迹查询回放等记录数据，再现事件的历史过程，为海损事故分析提供参考依据。

7 结束语

海上油田安全防范系统是否有效，是由技防、人防的有机结合决定的。对一个安全防范系统设计进行精心设计、施工只是完善系统的一个方面，设备、管理制度和辅助措施等诸方面形成一个有机结合的运作模式，才能真正发挥系统的有效性。

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