输油场站周界光纤监测系统报警算法研究和应用

李大光 董晓琪 刘媛

1中国石油天然气管道工程有限公司

2廊坊中油龙慧科技有限公司

为保障输油场站的安全运营，避免外来闲杂人员的无意闯入或恶意入侵，必须在输油场站周界布设入侵报警系统，对输油场站的周界安全进行实时监控[1]。周界报警系统通常采用的技术方案有振动光纤、振动电缆、红外对射、激光对射、微波探测等，其中，光纤传感技术与电类传感技术相比，具有现场无需供电、抗电磁干扰、布设灵活、灵敏度高等优势，正成为周界安防技术方案的主流趋势[2-5]。因光纤传感技术的高灵敏度特点，使得系统在现实复杂的安装环境下运行时极易发生误报，例如：大风、降雨、车辆经过、轨道交通运行等干扰因素都极易触发系统产生误报，从而降低了系统的实际使用效果。因此，如何在充分利用光纤传感系统高灵敏度优势的同时，在众多外界因素干扰之下正确地识别区分入侵行为和环境干扰，降低系统误报率，保证系统的运行效果，都是实际工程中需要重点解决的问题。

1 干扰源分析

输油场站所处地理位置一般较为偏僻，所占空间面积较大，周界长度大约为1～5 km。对于测振光纤系统而言，除了自然环境中的干扰源，如大风、降雨等，工作车辆经过产生的振动也是出现较为频繁的干扰源，尤其是在输油场站的出入口，工作车辆频繁出入更容易引起光纤测振系统的误报。因此，需要找到合适的特征区分方法对风雨干扰、车辆干扰、入侵行为进行区分判断，保证系统对真正的周界入侵行为作出判断，对人员攀爬行为进行有效识别，在保证光纤测振系统能够有效准确报警的同时，降低光纤测振系统在随机变化的运行环境中的误报率。

通过频率在1 000 Hz时对大量模拟攀爬测试以及触发报警自动录制的数据归类分析，得出入侵攀爬、风雨干扰和车辆经过这三类振动信号，并通过时频图谱来进行区分。对于入侵攀爬、风雨干扰和车辆经过这三类振动信号，分别引起的频带增长范围具有一定的差异性，通过对不同范围的频带能量进行提取和计算特征，可以作为区分干扰信号和入侵信号的有效特征依据。

图1 为入侵攀爬信号的典型波形和时频图谱。在此段信号中，可见存在3次入侵攀爬所产生的振动激励。从时频图谱中可见当入侵攀爬产生的振动激励触碰到围栏介质时，信号频谱从低频带到中频带大约1～200 Hz 时，均会出现较为明显的频带能量提升。而攀爬过程中引起的围栏介质晃动，会引起低频带频率大约1～50 Hz时频带能量增长，但高于50 Hz的频带部分没有出现明显的能量增长。

图1 入侵攀爬信号典型波形和时频图谱Fig.1 Typical waveform and time-frequency spectrum of intrusion climbing signals

图2 为风雨干扰信号的典型波形和时频图谱。风雨干扰引起围栏介质晃动，会引起低频带频率大约1～50 Hz 时的能量增长，但50 Hz 以上的能量提升不明显，此种信号特性与入侵攀爬信号样本中，围栏介质晃动的信号段较为相近，对于中低频带1～200 Hz 时，即使在部分时刻频带能量有少量增长，但也可以看出明显低于入侵攀爬信号在1～200 Hz频带内的能量增长。由此可以看出，风雨干扰信号和入侵攀爬信号在时频图谱中存在较为明显的区别。

图2 风雨干扰信号典型波形和时频图谱Fig.2 Typical waveform and time-frequency spectrum of wind and rain interference signals

图3 为车辆干扰信号的典型波形和时频图谱。车辆干扰引起围栏介质晃动，会引起低频带频率大约1～50 Hz时的能量增长，当车辆经过产生较强振动时，也会引起中频带频率大约50～200 Hz 时的能量提升，其中，频率80～120 Hz 时的频带提升更为明显。

综上所述，入侵攀爬、风雨干扰和车辆经过这三类振动信号，由于均会引起围栏介质的晃动，在时频图谱的低频部分频率50 Hz 以内时，均会引起频带能量的增长。而入侵攀爬和车辆经过引起的振动信号，都会引起中频带频率大约50～200 Hz 时的能量提升，但在80～120 Hz 时的频带，车辆经过引起的能量提升更为显著，且持续时间较长，而入侵攀爬激励对于这个频段的影响则较小。因此，通过分析时频图谱中不同频段的能量增长，可以实现对入侵攀爬、风雨干扰和车辆经过这三类振动信号的有效区分。

2 算法设计

2.1 频带能量判断方法

对于轨道交通车辆段停车场的周界监测系统，在需要准确探测识别入侵攀爬信号的同时也需要抑制风雨和车辆干扰引起的误报警，由上文的分析结果可以看出，利用时频分析算法工具，对入侵攀爬、风雨、车辆经过这三类激励信号振动频谱的不同变化规律，对这三类激励信号进行区分。通过入侵攀爬、风雨干扰、车辆经过这三类振动信号在1～50 Hz频带、80～120 Hz频带、50～200 Hz频带的不同响应特征，对风雨干扰进行过滤，对车辆经过干扰进行区分。报警判断方法如下：

（1）将振动光纤探测光缆各个探测单元所采集的振动数据进行分帧处理。每帧时长为0.5 s，相邻帧的重合长度为0.1 s。

（2）计算每帧的频谱，分别累加1～50 Hz 频带能量、80～120 Hz 频带能量、50～200 Hz 频带能量，与系统实时的频带能量阈值进行比较，根据当前帧所在区域的灵敏度等级读取对应的报警阈值，超过阈值则此帧得到标记1，没有超过阈值则此帧得到标记0。创建3 个先进先出数据队列，将所得频带能量标记结果分别存入这3个数据队列，其中不同灵敏度等级所对应报警阈值配置见表1。

表1 报警阈值配置Tab.1 Alarm threshold configuration

（3）对于每个探测单元1～50 Hz 频带能量标记队列，判断是否存在标记1，若存在则进入激励判断步骤。

（4）当进入激励判断步骤，查找50～200 Hz 频带能量标记队列出现1 的帧号，若不存在标记1 则认为探测到的振动为风雨干扰，若队列中存在标记1 则根据对应帧号，提取80～120 Hz 频带能量标记队列中的对应片段，提取范围包括对应帧及其±5帧。

（5）若在提取80～120 Hz 频带能量标记队列参考片段中，标记1 的数量大于等于5，则认为探测到的振动为车辆干扰，若标记1 的数量小于5，则认为探测到的振动为攀爬入侵激励。

2.2 报警策略自动调整

考虑到场站周界的干扰源并不是持续存在的，为了充分发挥振动光纤传感技术高灵敏的优势，系统的报警策略应能够根据环境的变化自动调整，以适应不同的环境，提高报警准确率。通过设计一种根据各个探测单元探测信号前一段时间的扰动状态，自动为当前探测单元配置报警策略的机制，能够在安静的环境中实现高灵敏度的报警，在大风、降雨、车辆频繁经过等干扰较大的环境中提高报警判断严格程度。报警策略自动调整方法设计如下：

（1）在系统中设置各个监测单元的触发信号强度阈值。

（2）初始化各探测单元的触发次数记录变量。

（3）实时采集所监测周界各个监测单元的外界振动激励信号。

（4）若在某一时刻，某传感单元的信号波动范围超过阈值即被触发，在触发次数记录变量中记录对应信息。通过对触发次数记录变量中读取这个传感单元上次被触发的时刻，与本次触发时刻进行比较，若本次触发与上次触发的时间间隔小于时长阈值，则这个传感单元对应的触发次数置1，若本次触发与上次触发的时间间隔大于或等于时长阈值，则这个传感单元对应的触发次数置0。同时记录这个传感单元本次的触发时刻。

（5）对于被触发的传感单元，根据触发次数记录变量中这个传感单元在前一段时间内的触发次数，自动为其分配对应严格程度的报警策略，目前系统中报警灵敏度分为5个等级，若经计算后符合对应的报警条件则输出报警信息。

3 测试运行

某输油场站周界长度约3.6 km，墙体上方安装有硬质网片，振动光纤探测光缆采用S型敷设，在监测周界墙体上方网片上进行绑扎安装，如图4所示。振动光纤探测光缆敷设到安装载体之前，冗余预留不少于5 m，当振动光纤探测光缆穿越阻碍物进行穿管敷设时，管体两端冗余预留不少于5 m。在振动光纤探测光缆完成敷设处，尾端预留不少于10 m。接续盒放置于围墙附近手井内，振动光纤探测光缆利用保护管保护引至传输光缆处，在接续盒内熔接，接续盒固定在井壁上，确保接续盒位置隐蔽美观。传输光缆从控制室至围墙可用已有路由布设多根传输光缆，振动光纤传感光缆占用1芯传输光缆，剩余芯数留作备用。在机房设置19 寸标准机柜，信号处理器放置在机柜中。背面光通道与光缆终端盒接口之间用跳线连接。信号处理器用网线连接至光纤收发器。机架式光缆终端盒放置在机柜中，通过跳线与信号处理器光通道连接。管理终端作为主控端，安装振动光缆周界入侵报警系统专用软件，并提供操作台放置接220 V AC 电源。通过网线连接至交换机，音箱接入计算机系统配合客户端软件，经系统联合调试后实现入侵报警、视频联动等设计功能。

图4 监测周界光纤振动探测光缆敷设方式Fig.4 Laying mode of fiber optic vibration detection optical cables for monitoring perimeter

分别选择无风、微风、大风、雨天，进行模拟攀爬激励测试。实验测试步骤如下：

（1）实验人员确保系统正常运行。

（2）场外实验人员到达测试地点后通知场内系统操作人员。

（3）场外实验人员在实验地点听从实验数据录制人员的指挥，在光缆上方采用连续5次敲击，每次间隔3 s 进行实验点位的确认；直到实验录制人员确认并反馈光纤点位后，此实验地点确定；系统操作人员记录测试地点的光纤点位和对应的地理点位信息。

（4）场外实验人员在确认和处理完实验前期准备工作后，向系统操作人员报告准备完毕，可以开始测试工作；系统操作人员开始进行数据录制并对现场人员下达操作指令。

（5）场外实验人员在收到指令后开始在标记点处进行激励，激励方式为模拟攀爬入侵行为，对实验区段的围栏进行激励，并随时等候系统操作员反馈的报警信息情况，系统操作人员对现场情况进行报警结果反馈，并作好记录工作。

经过一段时间的实验测试和信号采集，共收集整理无风天气状态下模拟攀爬入侵样本150组，微风天气状态下模拟攀爬入侵样本200组，大风天气状态下模拟攀爬入侵样本100组，雨天状态下模拟攀爬入侵样本100 组。统计报警率如表2 所示，报警正确率达到100%。

在常规运行状态下，统计每月的误报数量，在确定无人员活动的时间段，如夜晚系统在此时间段内出现的报警信息进行复核，如复核确定无人员入侵情况，则判定为误报[6-10]。系统经过一年运行，误报频次≤3次/月，误报次数统计如图5所示。

图5 系统误报次数统计Fig.5 Statistics of system false alarms

4 结束语

由于振动光纤传感技术测量的高灵敏度特点，使得周界光纤监测系统在现实中复杂环境下运行时极易发生误报。本文对输油管道场站周界主要存在的干扰源进行了分析，经过大量的比对和分析，发现入侵攀爬、风雨干扰和车辆经过这三类振动信号，可以通过时频图谱来进行区分，通过对不同范围的频带能量进行提取和计算特征，可以作为区分干扰信号和入侵信号的有效特征依据。本文设计并实现了频带能量判断方法，并且设计了一种根据环境状态自动调整各探测单元报警策略的机制。系统的报警策略应能够根据环境的变化自动调整，以适应不同的环境，并充分发挥光纤振动传感技术高灵敏的优势。根据各个探测单元探测信号前一段时间的扰动状态，自动为当前探测单元配置报警策略，使得周界光纤监测系统能够在安静的环境中实现高灵敏度的报警，在大风、降雨、车辆频繁经过等干扰较大的环境中提高报警判断严格程度，提高报警准确率，降低误报率。

系统经过一年运行观察，经过复核统计，误报频次≤3 次/月。并且在此期间进行了多次模拟攀爬激励测试，报警正确率达到100%。该系统在充分发挥振动光纤传感技术高灵敏度优势的同时，在大风、降雨、车辆经过等众多的外界因素干扰之下，能够正确地识别和区分入侵行为和环境干扰，有效降低系统的误报率，保证系统的报警正确率，具有良好的工程应用价值，为输油场站的周界安全提供了可靠保障。