海洋平台外部安防技术现状及展望

张庆国,刘春跃,罗 松,王水利,刘 庆

(昆明船舶设备研究试验中心,云南 昆明 650051)

0 引 言

随着当前海洋开发需求的不断提升,海洋工程技术及装备的持续发展,与之相关的保卫海洋设施的技术水平也得到快速提高[1、 2]。海上油气开发平台、钻井施工平台,以及国家海洋基础设施等海洋平台的安防技术与装备,成为了当前海洋开发技术研究中尤为重要的一部分。海洋平台除常规生产安防外,还面临水下、水面及空中各种外部威胁,如水下蛙人、水下航行体、水面船只、空中无人机等。上述外部因素,对海洋平台的安全构成日益迫切的现实威胁,各国加快了海洋平台安防技术与装备的研究与建设。

海上油气平台相较于陆地油气平台,具有更高的区域孤立性[3]、资源空间有限性和技术交织复杂性等特点。同时,由于海洋环境的恶劣性、时变性和复杂性,海上平台与陆地平台相比,环境适应性要求及设计专业度均较高,总体造价昂贵,系统施工难度大,实时检验维护困难。对应的海洋平台安防要求也存在防护空间大、区域广,系统集成度高、难度大,技术融合要求高、跨度大等特点。

众所周知,常规海洋平台内大多设有红外及热成像视频监控、毒害气体及物质检测报警、火灾自动报警、平台人员定位等常规安防系统,可满足海洋平台内部常规安全防护需求,对海洋平台生产作业提供安全保障。但由于海洋平台所处位置及环境的特殊性,除了上述常规安全风险外,还存在船只碰撞、自然侵蚀,以及人为侵扰与破坏(含水下、水面和空中)等风险。因此,为了保证海洋平台的作业安全性和工作可靠性,需针对海洋平台空中、水面及水下全域进行系统性的安全防护。

1 海洋平台分类

通常情况下,海洋平台归纳为在海上为钻井、采油、集运、存储、勘察、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物[4]。考虑到岛屿(含无人值守岛礁、人工岛屿等)在经济生产、资源开发,以及国家安全上的重要性,这里将岛屿也归入海洋平台范畴。

海洋平台按其结构和状态,一般可分为固定、活动和半固定3种类型[5]。固定式平台由基座或其他结构直接支撑,固定在海底,不能移动。比如,近海固定钻井平台,以及岛屿等。活动式平台又称为移动平台,浮于海面,可移动至不同位置,按照支撑结构又可分为着底式和浮动式两类。我国在北部湾投产的“海洋石油163”平台,是为我国自主研制的首座海上移动自升式井口平台。半固定式海洋平台适合深海使用,经济性较好,如新型Spar平台等。海洋平台基本分类如图1所示。

图1 海洋平台分类示意图Fig.1 Schematic diagram of offshore platform classification

2 海洋平台安防重要性

海洋平台附近的来往船只无序航行,以及起抛锚和拖网捕鱼等行为,都容易造成海洋平台相关设备的破损,甚至造成停产、海洋环境污染和城市油气供应中断等问题,给国家基础安全、生产经营和国民生活造成重大危害和恶劣影响。比如,我国南东部海域的油气田已发生多起水下设备被渔船损坏的实际案例,事故造成的危害和损失巨大[6],对海洋平台的作业和生产造成极大影响。

除了非法船舶靠近平台以及非法人员登陆平台危险外,海洋平台还会受到空中无人机的侵扰,尤其是不易探测和识别的低慢小飞行器。海洋平台最不易察觉的危险来自水下,比如水下蛙人、水下航行器等。最为典型的事件是,2014年中国海洋981钻井平台遭受侵扰和袭击事件,如图2(a)所示。981钻井平台在西沙群岛南端的中建岛附近海域实施正常钻井作业,无故遭到外方多艘水面船只,以及伪装式水下蛙人等恶劣手段的持续骚扰和破坏[7],违反了联合国相关议定书,破坏了相关海域航行安全环境,造成严重影响。此后,世界各国对海洋平台应对水下蛙人等不易察觉目标的实时防范技术尤为重视,加快了相关装备研制和工程应用。

(a) 海洋981钻井平台遭受侵扰 (b) “北溪”管道遭受水下爆炸破坏图2 海洋平台和管道被破坏Fig.2 Off shore platform and pipeline was destroyed

近年来,国际层面海上各种袭击事件频发,以水下入侵破坏为主的恐袭事件呈上升趋势,造成海洋环境的严重污染和重大经济损失。2022年9月26日,俄罗斯向欧洲供应天然气的“北溪”管道遭受水下爆炸破坏[8],如图2(b)所示。“北溪”天然气管道爆炸事件引起国际社会的广泛关注。天然气管道等国家关键基础设施遭到破坏后,修复难度大、成本高,造成不可估量的直接或间接损失。

由此可见,水面船只及水下蛙人、航行器等外部人为破坏风险对海洋平台安全造成极大威胁,不仅会影响海洋平台的正常作业,还会带来严重环境污染、重大经济危害,甚至造成人员伤亡,带来极为不良的政治影响和极为恶劣的生态环境效应。而海洋平台常规安防系统无法对外部人为破坏进行防护。因此,海洋平台安防技术及装备的研究建设意义极为重要,特别是重大跨国基础设施和能源运输动脉,需充分考虑海洋平台的特殊性和实用性,进行针对性安防设计与建设。

3 海洋平台安防系统

3.1 安防目的

海洋平台安防的目的,主要是针对其主要危险进行预测、准备和保护,从而使海洋平台处于低风险、不受侵害、不出现事故的安全状态。

常规安防主要是针对海洋平台内部的安全生产,而外部安防主要是针对海洋平台外部危险因素的安全防护,如恶劣的自然海洋环境和蓄意人为的破坏等。因此,海洋平台安防应包含两部分:一是针对海洋作业危害和环境破坏的常规性安全防护,二是针对海洋平台外部蓄意人为破坏的安全防护。常规安全防护体系建设较为完善,而海洋平台外部安全防护涉及空中与水下侦测、识别等对环境较为敏感的声光电技术,对应技术装备和系统相对欠缺。

在平时,海洋平台的安全由业主(公司)通过技术装备手段自行保护,而在特殊时期,重要海洋平台安全多由国家力量保护,以免造成重大经济损失和海洋环境污染。因此,这里海洋平台安防主要是指针对海洋平台的蓄意人为破坏危险,通过专业技术与装备使平台不受侵害的综合式立体安全防护。由此可见,海洋平台安防系统的目的是警戒、取证和防护,其反制手段是驱离、非致命损伤,最终目的是保护海洋平台基础设施不受外来人为破坏,保障平台上生命、财产不受侵害,维护生产、生活秩序。

3.2 安防定义

海洋平台安防系统主要是指针对外部人为侵扰和破坏危险,集成高分卫星影像、雷达、射频、声谱、光电系统,船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)、视频图像处理(video image processing,VIP)系统,声呐、图像处理(scilab image processing,SIP),以及数据融合处理、实时多维可视化显控等相关技术的综合安全防护系统/装备。主要用于保护海洋平台的不受外部人为破坏,确保平台人员、设备安全,以及海上作业施工的运营安全。

3.3 安防系统架构

海洋平台安防系统是典型的多源异构与多维数据融合处理系统[9]。探测传感信息来自卫星图像、雷达、光电、声呐、AIS等多种系统/设备,具有信息量大、相互关系复杂、探测精度差异大、数据格式不同等特点。防护及反制类设备多样,涉及空中、水面及水下跨介质区域,存在信息处理实时性和相互时序要求均不同等特点。

海洋平台安防系统总体架构主要由内部和外部两部分组成。内部架构主要是指单个海洋平台的外部安防系统,通常由网络传输分系统、多源信息融合处理分系统、空中与水面信息融合处理分系统、综合数据处理与预判分系统,以及水下信息融合处理分系统5部分组成。网络传输分系统用于内部信息传输,多采用有线、蓝牙、WiFi(Wireless Fidelity)、ZigBee等方式实现;多源信息融合处理分系统将空中与水面信息融合处理分系统和水下信息融合处理分系统,以及综合数据处理与预判分系统处理后的数据,再次进行大数据分析、深度学习及人工智能处理,获得安防结果信息,送至显控端。外部架构是基于互联网/企业网/其他专网组成的远程实时监测与控制系统,如油气分公司到总部集成式一体安防体系。其中,专网可以根据实际情况采用Ethernet、 EtherCAT(control automation technology)、企业网,或者采用4G、 5G等网络层技术手段实现。以海上油气平台的安防系统为例,给出常规安防系统总体构架,如图3所示。

图3 海洋平台安防系统架构图Fig.3 Architecture diagram of offshore platform security system

由图3所示,海洋平台安防系统架构中存在大量的数据,在内部和外部之间进行传输,为了实现海洋平台(内部架构)与陆地监控中心(外部架构)之间的实时统筹管理,需采用合适的数据融合处理方案,构建完整的安防架构系统。内外部之间的数据融合处理,通常包括对各类型探测传感设备异构数据的实时融合处理、时序统调,以及探测结果与海洋平台基础信息(如平台位置、管缆路由、油田作业船只)的综合融合等多个方面。综合数据处理与预判分系统主要针对海洋平台安防系统探测/传感设备的类别及探测数据特定,通常采用多级融合模型结构,实现内外架构之间的数据融合与处理。典型海洋平台安防系统基本结构如图4所示,系统工作示意如图5所示。

图4 海洋平台外部安防系统基本结构框图Fig.4 Basic structure diagram of external security system for offshore platforms

图5 海洋平台外部安防系统工作示意图Fig.5 Schematic diagram of the external security system of the offshore platform

海洋平台安防系统具体属于海洋安全防护技术领域,近年来国内陆续开展了相关技术研究,在研制及工程实施过程中形成相关专利成果。海洋平台安防系统相关专利情况见表1所示。

表1 海洋平台安防相关部分专利列表Tab.1 List of patents related to offshore platform security

4 国内外现状

4.1 国外现状

在2001年美国9·11恐怖袭击,以及2010年墨西哥湾深水地平线深海钻油平台井喷漏油等事件影响下,美国为首的西方国家积极推动和倡导,要求海上平台采取措施防范海上人为破坏,使得各国对海洋平台安防问题更加重视,进一步促进了海洋平台安防技术和装备的快速发展。

美国海岸警卫队的港口水下安全防护系统(UPSS)[10]主要由水下侦察系统(UIS)和反蛙人系统(IAS)两部分组成。其中,UIS以SM2000反蛙人声呐系统为主,探测距离为800m,湿端缆长2km,配置形式灵活,易于实现多系统组网探测。美国Klein公司的HarbourGuard-pro安防系统(EWDSS)集成了安防所需的Klein S2000系列小目标探测雷达、光电/红外、AIS、反蛙人声呐和声学喊话器等设备,可用于海洋平台及停泊状舰船安防,如水下抵近目标告警、水下水雷等爆炸物探测。UPSS及EWDSS安防系统如图6所示。

图6 美国UPSS及EWDSS安防系统示意图Fig.6 Schematic diagram of UPS and EWDSS security systems in the United States

英国QinetiQ公司设计的基于多层传感器的纵深防御系统[11],主要用于海洋平台应对海上恐怖袭击及特种部队侵扰与袭击,保护海洋平台及港口和停泊舰艇。系统主要由被动岸基警戒声呐、反蛙人声呐、声磁复合栅栏、图像声呐、雷达、光电、信息处理和显示中心组成。日本东京大学和Hitachi公司等多家机构共同参与了水下安防声呐系统的开发,该系统主要用于港口、滨海机场、电站、油气储存设施的水下反恐警戒,也可用于水下防走私和偷渡等治安用途。水面监测设备主要有雷达、光电和红外摄像仪等,水下设备包括扇面扫描反蛙人声呐,以及与丹麦Reson公司联合研制的两型高分辨声学成像声呐等。详见图7所示。

图7 英国及日本码头安防系统示意图Fig.7 Schematic diagram of dock security systems in the UK and Japan

另外,英国Sonardyne公司研制的Sentinel IDS水下防御系统包含Sentinel声呐和Scylla声学喊话器。该系统可舰载或岸基安装使用,具备良好的港口混响环境适应性,对水下蛙人探测距离最远可达900m,支持多声呐组网探测模式。每台岸基工作站最多可控制10台Sentinel声呐,易于实现多声呐联网探测或与其他信息系统集成。系统探测到水下蛙人后,岸基工作站可控制水声喊话器进行水下的警示喊话,水下喊话距离可达600m,被多国应用于水下蛙人防御。

以色列的DSIT公司主要研发了3种用于水下安防的蛙人探测声呐(Diver Detection Sonar,DDS),包括“水盾”DDS(AquaShield DDS)、“尖盾”便携式DDS(PointShield portable DDS)和港口监视系统(Harbor Surveillance System,HSS)[11]。HSS系统由DDS、探测雷达、光电信息设备及数据融合处理中心构成,系统工作区域覆盖浅水和深水,且可全天候24h连续工作。可见,HSS系统主要用于水下蛙人、潜水器及水面船只等外部安全防护,可对其进行中远程的探测、识别与定位跟踪,未见有对空中无人机的安防能力。

加拿大C-Tech公司研制的CSDS-85型海港安全监测声呐系统(Water-side Security Sonar,WSS),其中心工作频率为80kHz,基础工作带宽为3kHz,最大探测距离为2000m。在常规扇面区域探测的基础上,还可进行360°的全方位监测。该系统可以单独工作,亦可组网联合构建大区域监控系统。以色列和加拿大部分水下安防设备实物如图8所示。

(a) 以色列“尖盾”DDS (b) 以色列“尖盾”DDS (c) 加拿大CSDS-85型WSS图8 以色列及加拿大的水下安防设备实物图Fig.8 Physical images of underwater security equipment in Israel and Canada

如图8所示,“水盾”DDS主要是针对水下蛙人、蛙人运载器、水面船只、水下无人航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)等外部威胁的安防监测。对于噪声较大的蛙人运载器探测距离可达3500m,对开式蛙人的探测距离可达1800m,对噪声较小的闭式蛙人探测距离亦可到1200m。“尖盾”DDS采用便携式结构,主要用于港口船只免受外部水下侵扰,可提供360°全方位的实时监测,对常规的开式呼吸蛙人探测距离为700m,相对噪声较小的闭式蛙人探测距离为500m。

4.2 国内现状

众所周知,我国的海洋资源开发利用过程较为艰难,相关海洋工程技术研究起步较晚,早期自主技术和装备应对恶劣海洋环境能力不足。在当前海洋资源开发中,不仅要应对日益繁荣的海洋运输业持续增长影响,以及随时可能的外部人为破坏干扰,甚至还要面对敌特等恐怖威胁[12]。因此,我国在海洋工程与海洋平台安防建设上投入了大量的精力,特别是在应对随机性更强的外部安防上,研制了多种工程设备/系统,并进行了工程实施,取得了一定的进展。

虽然相比其他发达国家而言,我国在海洋平台安防方面起步较晚,但是也取得了一定的工程研制成果,并得到实际的工程应用,积累了丰富的工程经验。中国科学院声学自主研制了独立自主知识产权的DDS,如图9所示。系统工作中心频率为100kHz,工作带宽为10kHz,具备单频信号(continuous wave,CW)和线性调频(linear frequency modulation,LFM)、伪随机码以及双曲调频等几种脉冲式工作模式。该系统在2008年的北京奥运会青岛帆船比赛(青岛奥帆赛),以及上海世博会等重大活动中得到了成功应用。

图9 中国科学院声学所安防系统结构示意图Fig.9 Schematic diagram of the security system structure of the Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences

中国和乌克兰共同研制的TRONKA安防系统,如图10所示,主要由水声换能器、声速剖面仪、绞车、供电电源和综合显示等部分组成。该系统方位探测精度为2°,测距相对精度为1.5%,系统典型工作深度为100m。TRONKA安防系统主要用于水下潜航器、UUV和蛙人等水下活动目标和潜伏目标的探测与预警,以及水下爆炸物、预制破坏物等固定目标的监测,可实时将监测结果传入综合数据处理装置。经融合数据处理、综合目标识别与判定,结果信息传送至岸基,即系统安全控制中心,从而形成水下安全防护监测综合系统,以防御水下袭击,保护港口、舰船等海洋平台的安全。

图10 中乌合作安防系统组成结构图Fig.10 Structure diagram of the security system composition for China Ukraine cooperation

中国船舶集团有限公司某研究所研制的岛屿水下安防系统,如图11所示,具备对水面和水下目标的实时警戒、识别、跟踪和报警等功能。可布放在岛屿周围,通过对水中声信号的采集和处理,实现对水下及水面目标的警戒、跟踪和定位,同时兼顾海洋噪声信号的监测。该系统采用光纤水听器组阵技术,50km范围内水下声学基阵无需供电(光纤水听器特点),大大提高系统可靠性。同时,采用阵列水声信号处理技术,可以在无人值守的情况下实现对水面舰船、水下航行器、水下蛙人等目标的连续实时监测、跟踪、定位、声特征提取和记录以及报警。监测信息可以通过以太网或卫星传输,实现异地监控。该系统主要用于小型岛屿或有限区域的水下安全防护,兼顾水声信号的实时监测,未见相应的水下反制手段,对水面及空中的目标安防能力有限。但该系统采用光纤水听器阵列结构,可以方便组成更大孔径、更复杂阵型结构的水声探测基阵,具有覆盖面积大、探测距离远,且功耗较低等优点。

图11 岛屿水下安防系统示意图Fig.11 Schematic diagram of island underwater security system

中国船舶集团有限公司某单位通过“绥中36-1海洋油气田安防系统”“秦皇岛32-6油田水下安防系统”“渤中28/34油田群区域水下安防系统”,以及“陵水17-2气田水下安防系统”等项目的工程研制与应用,将水下声呐、空中雷达、水面AIS及空外探测等信息融合处理,采用三维场景构建技术进行综合显控。上述安防系统基本覆盖了空中、水面及水下的外部安全防护,侧重水下安防。SZ36-1油田安防系统及秦皇岛32-6油田水下安防系统工程项目情况详见图12所示,陵水17-2气田水下安防系统如图13所示。

(a) 36-1油田安防系统三维显控界面

(b) 36-1油田安防系统现场实物图

(c) 32-6油田安防系统三维显控界面

(d) 32-6油田安防系统现场实物图图12 海上平台安防系统实物图Fig.12 Physical diagram of offshore platform security system

(a) “深海一号”平台

(b) 陵水17-2气田安防系统三维视景图

(c) 水下探测定位结果图

(d) 现场安装调试图图13 陵水17-2气田安防系统图Fig.13 Security system diagram of Lingshui 17-2 gas field

陵水17-2气田水下安防系统集成雷达、红外、声呐等设备,形成空中、水面、水下,远中近程三维空间立体化探测,可自动探测、跟踪、识别、预警和反制。该系统在我国自主研发建造的全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台——“深海一号”上进行了海上工程应用,取得较好效果,为保障深海油气开发中涉及的海管、立管、系泊锚链/聚酯缆等关键水下设备设施的安防提供技术手段。

上述安防系统采用水声探测识别技术,结合虚拟三维视景生成技术,形成水下目标、浮式生产系统、水中采油管线以及水面船只的相对分布关系,并基于水面船只、水中目标进行实时定位跟踪,绘制连续三维轨迹,为海洋平台安放区域内水面船只停靠、水下蛙人侵扰等外部安全防护提供了一种综合式立体解决方案。秦皇岛32-6安防系统在自动监测过程中,发现可疑船只在保护区域有抛锚意图,触发安全防护机制,系统自动报警。现场监测结果如图14所示。

图14 油田安防系统实际监测效果图Fig.14 Actual monitoring effect diagram of oilfield security system

如图14所示,非注册船只(编号27)停靠在CEPJ至WHPG电缆附近40.9m处(东经119.198367°,北纬39.116431°)。安防系统监测该船只状态后,自动给出报警提示及现场驱离警告,避免了船只抛锚导致海洋平台附近的水下电缆被船只抛锚破坏风险。

当前,国内以中船、中电科、中国科学院,以及哈工程、西工大等科研院所为主,针对海洋平台外部侵扰风险进行了系统性研究,从单一的安防系统/装备,到包含空中、水面和水下的立体式安防系统构建方面,取得了较好的成果,并已经在多个海洋油气类海洋平台完成工程应用实践。通过上述安防系统工程实施,获得了海量实测数据,积累了丰富工程经验,为后续海洋平台安防技术与装备的快速发展奠定了基础。

5 应用与展望

随着小目标探测技术、水下主被动声呐技术、多源异构数据融合处理技术、目标特征识别技术、数字信号实时处理技术,以及新材料传感、新型水下航行体、海洋平台等相关技术的日益成熟[13～16],未来,海洋平台安防系统将会由单一功能逐步完善,形成集侦测、识别,以及提醒警告、反制打击多功能、多系统集合的安防系统。例如,结合岛礁等海洋平台的无人值守需求下的智能化特点,展望其海洋平台安防系统,如图15所示。

图15 海洋平台安防系统展望示意图Fig.15 Schematic diagram of the outlook for the security system of offshore platforms

受“北溪”事件影响,针对天然气管道等关键基础设施的自主巡检机器人逐渐受到各国重视,如图16所示。水下管线自主巡检机器人主要用于海底油气管道、导管架、海底缆线,以及海洋油气平台海管、立管、系泊锚链/聚酯缆等关键水下设备设施的自动巡检和安全查验。通常采用母船布放回收使用方式,可与母船实时通信(如水声通信、水下等方式),且具有一定的搭载能力,如图像声呐、视频传感、电磁探测及多波束声呐等。利用上述搭载设备可实现海底管线悬跨高度、长度及埋设深度等相关参数测量,亦可实现相关的探测和安全风险故障点定位等功能。另外,结合搭载的电磁探测设备及相关信号处理算法,可实现掩埋在海底的油气管线、沉埋水下航行体探测和定位,具有广泛的工程应用市场。

图16 海底油气管线自主巡检机器人工作示意图Fig.16 Schematic diagram of the autonomous inspection robot for subsea oil and gas pipelines

因此,结合当前现状,需针对水下油气管线探测、识别与定位,复杂海况下航行体精准控制,自主巡航路径规划等关键技术进行研究。

大数据、物联网、混合孪生、数字孪生[17]、元宇宙[18]等新理论和新算法的不断验证与应用,也给海洋平台安防系统带来新的发展机遇。比如,利用数字孪生技术将大量实际数据与模型结合,形成数字实体,经反复迭代,可为实际工程提供更优判断,进一步推动海洋平台安防系统级设计,优化整个海洋平台的总体设计。结合多种数据融合处理技术的安防系统展望结构如图17所示。

图17 海洋平台安防系统扩展结构图Fig.17 Expansion structure diagram of offshore platform security system

由于海洋平台外部安防系统种类众多,针对安全风险的侧重点也不同,并且同一类海洋平台工作环境也不尽相同,现场安装与使用的侧重点存在较大差异。目前,国内尚未形成针对外部威胁的统一指导海洋平台安防系统设计、研制,以及试验验证等相关系列标准。因此,未来海洋平台外部安防系统将逐渐向多域智能化、体系化、标准化和制度化等方向发展。

6 结 论

本文着重从外部人为蓄意破坏的海洋平台安防系统视角,阐述其系统构成、总体配置、功能参数、关键性能等部分,梳理国内外相关安防系统/装备和工程应用情况。在分析当前现状和实际发展需求的基础上,展望了海洋平台外部安防系统的未来发展,为相关领域的技术研究和系统/设备研制提供技术参考。具体建议如下:

(1) 加强海洋平台与配套外部安防系统/装备之间的匹配设计。将海洋平台安防系统/装备纳入新建海洋平台总体设计中,形成布局合理、性能优良的整体安防效应。

(2) 加快海洋平台外部安防行业的标准体系建设。从模块化、系列化和标准化等实用需求出发,参照《海洋环境安全保障平台标准体系》[19]构建海洋平台外部安防标准体系,促进行业规范、健康、快速发展。