海底管線防護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王 杰， 肖 菲， 王愛民(中海油信息科技有限公司 天津分公司， 天津 300452)

海底管線防護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王 杰， 肖 菲， 王愛民
(中海油信息科技有限公司 天津分公司， 天津 300452)

為提高海上平臺指揮調(diào)度效率、保障海上生產(chǎn)作業(yè)設施及人員生命財產(chǎn)安全、加快海上石油生產(chǎn)信息化建設，提出海上生產(chǎn)設施主動防護理念，并結(jié)合近年海上主要事故分析總結(jié)情況研發(fā)出一套海底管線防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電子海圖為平臺，利用船載自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)及雷達技術對監(jiān)控點周圍一定范圍內(nèi)的過往船舶進行實時監(jiān)控，當船舶在海底管線上方一定范圍內(nèi)且有拋錨趨勢時，系統(tǒng)將發(fā)出聲光預警，值班人員通過相關手段通知該船舶不準拋錨，從而達到防護海底管線的目的。當船舶在海上平臺一定范圍內(nèi)行駛且有沖撞平臺的趨勢，或違規(guī)駛?cè)腭偝鎏囟▍^(qū)域時，該系統(tǒng)亦能發(fā)出預警，從而達到保護海上生產(chǎn)作業(yè)設施及人員生命財產(chǎn)的目的。

海底管線防護系統(tǒng)；自動識別系統(tǒng)；雷達；船舶；電子海圖

海底管線包括海底石油、天然氣和油氣混合體的輸送管道，干線管道，以及管道與平臺連接的主管道等。其作用是把從海上油田、氣田開采出來的石油或天然氣匯集起來，輸往系泊油船的單點(如浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置)或陸上石油、天然氣處理終端。[1]隨著石油戰(zhàn)略逐漸向海洋領域轉(zhuǎn)移，海上建造的平臺日益增多，海底油氣管線更是越來越交錯復雜。[2]近年來，隨著海洋漁業(yè)、工業(yè)蓬勃發(fā)展，大量船舶投入到海洋資源的開發(fā)浪潮中，導致船舶刮斷海底管線事故頻繁發(fā)生，不僅嚴重影響海上石油平臺的正常生產(chǎn)，而且由此引發(fā)的漏油事故給海洋環(huán)境帶來巨大危害。[3]在此背景下，海底管線主動防護理念應運而生。這里結(jié)合相關科研項目成果及其應用情況，對海底管線防護系統(tǒng)中的關鍵技術及其設計與實現(xiàn)進行詳細論述。

1 海底管線主動防護的迫切性分析

1.1海底管線泄漏事故統(tǒng)計

據(jù)統(tǒng)計，全球50%～60%的海底油氣管道破裂事故是由第三方破壞造成的。[4]1967—2012年，墨西哥灣共發(fā)生海底管線泄漏事故184起，其中由自身設備故障導致的事故僅占34.3%；1998—2012年，我國公開發(fā)布和報道的海底管線泄漏事故有19起，其中已查明原因的15起事故中，由第三方破壞導致的事故多達7起。[5]由此可見，第三方破壞已成為威脅海底管線安全的重要因素。

1.2海底管線泄漏后果分析

海洋石油污染會給環(huán)境、漁業(yè)生產(chǎn)、旅游和自然生態(tài)帶來破壞性影響，而海底管道泄漏是海洋石油污染的主要方式之一。石油中含有多種化合物，其化學毒性可迅速導致海岸植物枝葉枯萎、海水中大量動植物急性中毒死亡；其物理分解會消耗水中溶解氧，造成海水缺氧[6]，引起海洋中大量藻類和微生物死亡、厭氧生物大量繁衍，使得海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈遭到破壞，從而導致整個海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡。

海底管線一旦發(fā)生泄漏，石油平臺需立即停產(chǎn)，并組織工程船搶修。以2001年某海底管線被刮斷為例，該事故導致石油平臺停產(chǎn)40 d，直接損失上億元,由此造成的海洋漁業(yè)生產(chǎn)、海水養(yǎng)殖和環(huán)境治理等方面的間接損失更是無法估量。

1.3海底管線泄漏法律責任

第三方破壞主要來自于近海工程施工、船舶起拋錨作業(yè)、拖網(wǎng)捕魚和其他海洋開發(fā)等。船舶在海底管線上方從事上述作業(yè)時，極易對其造成誤傷。尤其是在我國渤海水域，海底管線密布，進出各港灣的航道、魚汛期作業(yè)的船舶較多，刮斷海底管線的風險大大增加。

雖然海底管線所有者對由第三方損害造成的海底管線泄漏不負主要責任，但也與其有一定關系。我國在海底油氣管道鋪設方面有嚴格的工業(yè)標準，在符合標準的基礎上，海底管線所有者還應會同主管部門在管線集中的海底走廊設立醒目的標志，或利用其他技術手段提醒其他用海者不要對海底管線誤操作。[7]

2 海底管線防護系統(tǒng)關鍵技術

2.1船載自動識別系統(tǒng)技術簡介

船載自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)配合全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)將船舶靜態(tài)信息、動態(tài)信息和航行數(shù)據(jù)通過甚高頻(Very High Frequency，VHF)頻道向附近水域的其他船舶和岸臺廣播，使鄰近船舶和岸臺及時掌握附近海面所有船舶的動、靜態(tài)信息，以便迅速進行通話協(xié)調(diào)，采取必要的避讓行動。AIS的出現(xiàn)極大地降低了船舶航行的安全保衛(wèi)風險。[8]

AIS廣播和接收的消息分為以下3類。

1) 船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，如船名、呼號、國籍、海上移動通信業(yè)務標識(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)、船舶類型、船長和船寬等。

2) 船舶動態(tài)數(shù)據(jù)，如經(jīng)度、緯度、艏向、航向和航速等。

3) 船舶航行數(shù)據(jù)，如船舶狀態(tài)、吃水、目的地和預計到港時間等。

中華人民共和國海事局《關于國內(nèi)航行船舶配備電子海圖系統(tǒng)和B級自動識別系統(tǒng)的管理規(guī)定》第九條和第十條明確要求中國籍200 t以上作業(yè)船舶要于2010年12月31日前安裝完成符合標準的B級AIS設備。因此，只要該類船舶進入AIS覆蓋區(qū)域，就一定能被監(jiān)測到。

2.2雷達技術簡介

若船舶人為關閉AIS設備、AIS設備出現(xiàn)故障或未安裝標準AIS設備，AIS將無法接收到該船舶的位置信息，當其在海底管線附近作業(yè)時就會對海底管線的安全造成嚴重威脅。因此，需引入雷達設備對該類船舶進行主動探測。

雷達是利用電磁波探測目標的電子設備，其通過發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收目標回波，由此獲得目標與電磁波發(fā)射點之間的距離、距離變化率(徑向速度)、方位和高度等信息。[9]

船用雷達又稱航海雷達，最初安裝于船上進行航行避讓、船舶定位和狹水道引航等航?；顒?。將船用雷達引入到海底管線防護系統(tǒng)中的主要原因是其具有主動探測物體的能力，對于AIS無法識別的船舶，可作為補充識別設備；雷達可根據(jù)探測到的物體與自身的方位、距離和距離變化率(徑向速度)，結(jié)合自身經(jīng)緯度，計算出目標物體的經(jīng)緯度和實際速度。

2.3電子海圖系統(tǒng)

“電子海圖”沒有明確的定義，一般把各種數(shù)字格式的海圖統(tǒng)稱為電子海圖。電子海圖顯示與信息系統(tǒng)被認為是繼雷達之后船舶導航方面的又一項偉大技術革命。目前電子海圖系統(tǒng)已發(fā)展成為一種新型船舶導航系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)，其結(jié)合GPS，不僅能精確給出船位，而且能提供和綜合與航海相關的各種信息，有效防范各種險情。[10-11]

海底管線防護系統(tǒng)是基于電子海圖開發(fā)的，首先在電子海圖上進行個性化標繪(如標繪平臺位置信息、管線路由信息等)，隨后疊加AIS和雷達系統(tǒng)收到的船舶位置信息，最終形成內(nèi)容豐富的電子海圖(見圖1)。

3 系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)架構(gòu)設計

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，在地理信息系統(tǒng)(Geo-graphic Information System，GIS)平臺的基礎上搭建數(shù)據(jù)庫，實時存儲AIS和雷達采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合電子海圖功能，展現(xiàn)船舶的動態(tài)、平臺和海底管線的信息，實時判斷船速與標繪區(qū)域的關系，在符合報警條件的情況下觸發(fā)報警。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖見圖2。

圖1 綜合電子海圖信息的海底管線防護系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

3.2系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)旨在以電子海圖為平臺，通過集成AIS設備收集的信息和雷達設備掃描的信息生成船舶動態(tài)信息圖，結(jié)合標繪的海上平臺、海底管線和油船等目標的信息，實時監(jiān)控和管理一定范圍內(nèi)的船舶，當危險情況將要發(fā)生時，及時進行預警。對此，在設計該系統(tǒng)時要重點考慮海圖顯示與基本操作，海圖標繪(點、線、面、文字等)與管理，船舶動態(tài)信息顯示、查詢與靜態(tài)資料管理，通信接口功能(雷達、羅經(jīng)、AIS等)，歷史信息存儲與查詢，船隊、區(qū)域與船速相結(jié)合的報警方式等功能。

4 系統(tǒng)工作原理

4.1系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

海底管線防護系統(tǒng)由AIS設備、雷達設備、系統(tǒng)主機、系統(tǒng)服務器、串口服務器及相關網(wǎng)絡外設構(gòu)成，其拓撲結(jié)構(gòu)見圖3。

1) 串口服務器1和串口服務器3工作在虛擬串口通信模式下，在該模式下可與一臺電腦(海底管線防護系統(tǒng)主機)建立連接，支持數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。由海底管線防護系統(tǒng)主機上的虛擬串口軟件管理該串口服務器；該軟件可在主機上生成虛擬串口；在該虛擬串口上讀取的數(shù)據(jù)與AIS設備(雷達設備)輸出的RS232數(shù)據(jù)完全一致。[12]

圖3 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2) 串口服務器2和串口服務器4工作在TCP/UDP通信模式下，在該模式下作為client端，可與遠端服務器通過IP地址和端口建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸；數(shù)據(jù)可直接入庫。

4.2系統(tǒng)工作流程

首先由AIS設備接收附近船舶的AIS信息，通過RS232串口格式輸出，通過串口服務器1轉(zhuǎn)換成虛擬串口數(shù)據(jù)，通過海底管線防護系統(tǒng)主機虛擬串口1與該串口服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)綁定；系統(tǒng)通過虛擬串口1接收附近船舶的AIS數(shù)據(jù)，并在海圖上顯示(見圖4)。

圖4 系統(tǒng)接收附近船舶的AIS數(shù)據(jù)

同理，雷達設備掃描的船舶信息轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)通過RS232串口格式輸出，通過串口服務器3轉(zhuǎn)換成虛擬串口數(shù)據(jù)，通過海底管線防護系統(tǒng)主機虛擬串口3與該串口服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)綁定；系統(tǒng)通過虛擬串口3接收附近船舶雷達掃描的數(shù)據(jù)，并在海圖上顯示。若某船既發(fā)射AIS信息又被雷達掃描到，則經(jīng)航跡關聯(lián)檢驗算法確定為同一目標的航跡可進行航跡融合處理，得到目標狀態(tài)，生成新的圖標進行區(qū)分。[13-17]

串口服務器2和串口服務器4把AIS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)發(fā)往陸地服務器，形成船舶航行歷史數(shù)據(jù)，事故發(fā)生后可通過查詢這些數(shù)據(jù)進行事故追責。而服務器可對海圖進行全局標繪，當客戶端啟動時自動加載新的標繪數(shù)據(jù)。

4.3海底管線主動防護原理

大量船舶工作在海底管線敷設區(qū)域，若船舶正常航行，則海底管線的安全并不會受到威脅；但若船舶進行拋錨、挖沙和撒網(wǎng)等作業(yè)，則很容易刮斷海底管線。因此，首先在海圖中對海線管線的位置進行精確標繪，然后在海底管線兩側(cè)一定范圍內(nèi)(如500 m)設置報警區(qū)域(見圖5)。

圖5 海底管線主動防護報警觸發(fā)條件設置

當非本公司船隊船舶進入上述標繪區(qū)域，且系統(tǒng)根據(jù)其位置變化情況或AIS信息中的速度信息(如速度<1 kn)判斷其有拋錨趨勢時，系統(tǒng)觸發(fā)報警。此時值班人員要利用一切可行性手段通知目標船舶不能在該區(qū)域拋錨。相關流程見圖6。

圖6 海底管線主動防護報警觸發(fā)流程

系統(tǒng)亦支持點物標和面物標報警設置，均受區(qū)域、速度和船隊的限制。對于點物標，如防止目標船舶誤撞平臺，可設置以平臺為中心、半徑為1 n mile的報警區(qū)域，當非本公司船隊的船舶進入該區(qū)域且速度>3 kn時進行報警。對于面物標，如設置某作業(yè)區(qū)為服務區(qū)，要求某船在該區(qū)域進行24 h職守，當其駛離該區(qū)域時進行報警。點物標和面物標的報警原理、設置、報警流程與線物標(海底管線)類似，在此不再贅述。

5 結(jié)束語

針對中海油作業(yè)區(qū)域海底管線經(jīng)常被刮碰的現(xiàn)狀，設計研發(fā)出海底管線防護系統(tǒng)；巧妙結(jié)合雷達、電子海圖、AIS和GIS等現(xiàn)有的成熟技術，有效實現(xiàn)對海上作業(yè)設施和海底管線的主動防護與預警，海底管線面臨的風險大大降低；在有效保護公司作業(yè)設施、保證安全生產(chǎn)的同時，降低油氣泄漏事故發(fā)生率，實現(xiàn)保障生產(chǎn)和保護環(huán)境的雙豐收。

目前系統(tǒng)已在渤海作業(yè)區(qū)域43個平臺和陸地處理廠推廣使用，收效明顯。雖然東海和南海的海油作業(yè)水域較深，離岸較遠，一般工程船較少靠近，海底管線不易被刮碰，但在海底管線各登陸點仍面臨較大風險，若能應用該系統(tǒng)對登陸管線進行主動防護，則可大大降低各管線被第三方破壞的風險。

[1] 周守為,金曉劍,曾恒一，等. 海洋石油裝備與設施—支撐起海洋石油工業(yè)的平臺[J]. 中國工程科學, 2010,12(4): 102-112.

[2] 朱未萍.世界石油態(tài)勢及中國能源戰(zhàn)略[J]. 國際經(jīng)濟合作, 2001(11): 31-36.

[3] 陳中濤. 海底輸油管道環(huán)境風險評價研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2010,36(8): 29-30.

[4] 趙華. 海底油氣管道的泄漏及預防[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2008(12)：31-33.

[5] 方娜,陳國明,朱紅衛(wèi)，等. 海底管道泄漏事故統(tǒng)計分析[J].油氣儲運,2014,33(1):99-103.

[6] 郭志平. 我國近海面臨的石油污染及其防治[J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2009，23(3)：269-272.

[7] 趙華. 海底油氣管道泄漏的原因及防范[J]. 環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟, 2014(5)：12-15.

[8] 馮燕爾, 沈曉群. 基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2009(17): 160-161.

[9] 郭建明,譚懷英.雷達技術發(fā)展綜述及第5代雷達初探[J].現(xiàn)代雷達, 2012,34(2): 1-3.

[10] 唐廣鳴,任立生,何義斌.海底管線GIS管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].測繪科學, 2010,35(5): 123-126.

[11] 孫慶祥,曲家波.電子海圖在海上油田安控系統(tǒng)中的應用[J].海洋測繪,2001,31(1): 54-56.

[12] 王雙慶,邢建春,王平,等.基于NPort串口服務器的人防工程智能設備集成[J].工業(yè)控制計算機, 2008,21(8): 8-10.

[13] 鄭佳春,張杏谷.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術在VTS中的應用研究[J].航海技術,2003(3):32-33.

[14] DANU D, SINHA A, KIRUBARAJAN T,etal. Fusion of Over-the-Horizon Radar and Automatic Identification Systems or Overall Maritime Picture [C]. 10th International Conference on Information Fusion, 2007.

[15] 李維運.VTS中雷達和AIS信息融合算法探討[J].中國水運:學術版,2006,6(7):116-118.

[16] 翟藝書.AIS與雷達數(shù)據(jù)融合的數(shù)學模型研究[D].大連:大連海事大學,2005.

[17] 王晨熙,王曉博, 朱靖,等. 雷達與AIS信息融合綜述[J]. 指揮控制與仿真,2009,31(2)：1-4.

DesignandImplementationofSubmarinePipelineProtectionSystemwithAISandRadarSensors

WANGJie，XIAOFei，WANGAimin
(CNOOC Information Technology Co., Ltd. Tianjin Branch, Tianjin 300452, China)

The concept of active protection of offshore production facilities is introduced and a submarine pipeline protective system is developed to improve the safety and operation efficiency of offshore platforms. The submarine pipeline protection system, which is built based on the platform of electronic chart, uses Automatic Identification System (AIS) and radar technology for real-time monitoring of passing ships within the interesting area, and provides sound-light alarm of anchoring in protected area to alert the operator on duty to stop such action. This system can also give an alarm when a ship entering or exiting a specified region or runs into the offshore platform.

submarine pipeline protection system; AIS; radar; ship; electronic chart

2015-05-04

王 杰(1986—), 男, 河北保定人，工程師，主要從事數(shù)字船舶及通信技術的研究工作。 E-mail:wangjie7@cnooc.com.cn

1000-4653(2015)03-0075-04

TE973.92;TP311

A