CC BY
272
Комплексные системы мониторинга нефтепроводов на базе лазерных и пленочных технологий
Предлагается комплексная система непрерывного мониторинга территории прилегающей к нефте-газопроводу с целью обнаружения нештатной ситуации. Система позволяет: классифицировать нарушителя (одиночный, группа, транспортное средство, крупное Ключевые слова: Нефтепроводы, мониторинг, животное и т.п.), подключать дополнительные средства обнаружения. Современные технологии
лазерные и пленочные технологии, сейсмические позволяют не только снизить стоимость охранной системы, но и повысить качество
дастшы охраны. мониторинга.
Жумагулов Б.Т.,
академик НАН РК,
министр образования и науки РК
Калимолдаев М.Н.,
д.ф.-м.н., генеральный директор Института проблем информатики и управления МОН РК, [email protected]
Попков В.К.,
профессор, главнй научный сотрудник, [email protected]
Поллер Б.В.,
дт.н., директор ЗАО СКБ, [email protected]
Бритвин А.В.,
к.т.н., начальник отдела ЗАО СКБ, [email protected]
Кузьмин А.М.,
главный конструктор ТСО ФГУП ПО"Север", [email protected]
Щетинин Ю.И,
к.т.н., доирнт НПУ, [email protected]
Введение
В ближайшие полвека нефть и газ, как и прежде, будут основными источниками энергии для народного хозяйства России и Казахстана. Географические условия наших стран схожи с точки зрения протяженности трубопроводов, которые необходимо контролировать и предупреждать возможные повреждения и утечки в трубопроводах, а также попытки несанкционированного подключения к нефтепроводу.
В своей статье А. Баянов (^аЬд.кг, 24 сентября) рассмотрел важнейшую проблему борьбы с хищениями нефти в Казахстане. Автор отмечает, что по статистике АО "Казтрансойл" в
период с 2001 по 2004 гг. не было зарегистрировано ни одного случая хищения нефти из углеводородных магистралей, но уже в 2005 г. были совершены 43 незаконные врезки, а в 2007г. — 74. В 2008 г. зафиксировано 148 случаев нелегальных подключений к трубопроводам. В 2009 г. ситуация не улучшилась — на начало года компания зафиксировала 84 подобных факта. В 2010 г. было возбуждено 59 уголовных дел. Хищения нефти путем врезок в трубопроводы стали основным видом преступного посягательства на нефть. Они наносят не только огромный материальный ущерб, но и значимый урон окружающей среде, что, в свою очередь, несет потенциальную опасность для жизни и здоровья людей. На нефтепроводе "Жанажол — Кенкияк", проходящем по территории Актюбинской области, где совершается наибольшее число незаконных врезок, ввели в строй систему охраны нефтепроводов О1пеЮ Сразепзе (Англия). Метод определения вторжения в нефтепровод по этой системе основан на технологии виброакустического мониторинга. В Российской Федерации, где за несколько лет число незаконных врезок в нефтепроводы перевалило за 3000, ущерб для экологии и нефтяных компаний составил миллионы долларов.
В связи с этим нефтедобывающие компании вынуждены тратить огромные средства на новые зарубежные системы охраны трубопроводов.
Особенность наших углеводородных магистралей заключается в их значительной протяженности и в том, что они проложены в безлюдной местности и как следствие — отсутствие источников питания и линий связи.
В настоящее время разрабатываются и применяются различные методы мониторинга состояния нефте- и газопроводов, в том числе для исключения несанкционированного доступа. Применяются методы визуального контроля нефтепроводов с помощью перемещения опе-
раторов на вездеходах и вертолетах. Используются методы аэрофотосъемки, съемок и дистанционного зондирования из космоса. Начаты эксперименты по применению беспилотных летательных аппаратов для мониторинга нефтепроводов. Холдингом "Оптические системы и технологии" рекомендованы вертолетные теп-ловизионные приборы для контроля состояния нефтепроводов, в том числе подземных.
Развиваются аппаратурные методы мониторинга на основе использования различных физических сигналов — инфразвука, магнитных полей и т.п. Компанией "Периметральные системы безопасности" предлагается проводная аппаратура охраны на основе размещения пьезодатчиков через 1 км вдоль трубопроводов.
Большие перспективы по увеличению эффективности мониторинга открывают лазерные технологии. Разработаны лазерные самолетные лидары для контроля утечки газа на расстоянии около 500 м от лидара. Известны лазерные системы для дистанционного контроля разлива нефти [1].
Большой интерес представляет анализ возможности использования лазерных периметральных систем для контроля несанкционированного доступа к нефтепроводам. В настоящее время в связи с развитием оптоволоконной техники создана большая гамма недорогих лазерных излучателей и приемников, пригодных для длительной работы в сложных погодных условиях.
В работе [2] проанализировано влияние атмосферы на надежность и дальность работы лазерных периметральных систем на примере разработанной периметральной аппаратуры "ПИК-1М" с первоначальной дальностью действия до 300 м и с возможностью увеличения дальности до нескольких километров.
Применение лазерной аппаратуры с дальностью до нескольких км особенно целесообразно для нефтепроводов Казахстана, так
сд
лм
лл
Нефтепровод
Рис. 1. Схема мониторинга нефтепровода с помощью лазерной аппаратуры и сейсмических датчиков; ЛМ — лазерные модули, ЛЛ — лазерные лучи, СД — сейсмические датчики, НС — насосная станция
как во многих случаях они проложены в степях, где наблюдается большое расстояние прямой видимости (до десятков км.). В этом случае контроль доступа может осуществляться небольшим количеством лазерных модулей (2-4 шт на 2-3 км.), установленных вдоль нефтепровода. При этом для передачи собственных сигналов и сигналов с дополнительных датчиков (сейсмических) может использоваться та же лазерная аппаратура. Через определенное расстояние, в местах установки насосных станций, сообщения от лазерной аппаратуры могут вводиться в оптоволоконный канал связи или в радиосеть связи. Возможная схема размещения лазерных модулей вдоль нефтепровода представлена на рис. 1.
Актуальным является вопрос энергопитания лазерных модулей. Для этих целей проводятся исследования по созданию полимерных пленочных технологий для накопления и преобразования солнечной энергии [3-5] и гибридных солнечных батарей высокой эффективности.
Следует также отметить, что в рамках пленочных технологий проводятся исследования по созданию полимерных пленочных сенсоров физических полей (оптических, акустических, магнитных и т.п.) [4-5], которые могут использоваться совместно с лазерными модулями для мониторинга нефтепровода.
Далее рассмотрим вопросы применения сейсмической аппаратуры на объектах нефтепроводов.
Из всего перечня возможных угроз наиболее важной (как с точки зрения экономики, так и экологии) являются несанкционированные врезки в трубопровод с целью хищения нефтепродуктов. Причем, при определении модели нарушителя необходимо отнести его к хорошо подготовленному, квалифицированному нарушителю, имея в виду его техническую оснащенность и осведомленность о действиях персонала службы безопасности. Часто нарушитель действует в сговоре с работниками службы безопасности, поэтому выбирая систему охраны
трубопровода, необходимо учитывать, что потенциальный нарушитель осведомлен не только о наличии системы охраны на данном участке, но и знает о точном месте ее установки, принципе действия и времени реагирования службы безопасности. Желательно также, чтобы система охраны не была привлекательна для случайных людей с точки зрения хищения ее составных частей (кабель, видеокамеры, приемопередатчики, цветные металлы и т. п.) находящихся на виду. То есть, система охраны должна быть маскируемой, трудно преодолимой для подготовленного и осведомленного нарушителя и "охранять сама себя".
Всем этим требованиям отвечают сейсмические системы охраны (ССО). Данный тип систем известен достаточно давно. Он характеризуется очень большой обнаруживающей способностью (что связано с высокой чувствительностью), но при этом велика вероятность ложной тревоги.
Поиск разумного компромисса между этими характеристиками в итоге привел к серьезному усложнению и удорожанию ССО. Поэтому только сейчас, с появлением цифровой фильтрации сигналов и сложных алгоритмов их обработки, стали появляться ССО с высокой
вероятностью обнаружения, при низком уровне ложных тревог.
ССО могу быть либо стационарными, либо быстро развертываемыми, однако, учитывая возможность сговора нарушителя с персоналом службы безопасности, использование последних едва ли можно считать целесообразным. Стационарные ССО могут быть с дискретными (геофоны, пьезодатчики) или распределенными (кабель) чувствительными элементами (ЧЭ). В ССО с чувствительными элементами может использоваться микрофонный, трибоэлектрический или оптоволоконный кабель.
Схема установки ССО с дискретными ЧЭ приведена на рис. 2.
Сейсмодатчики сгруппированы в четыре антенны (по две на каждый фланг), которые уложены в грунт на глубину ~ 0,5 м параллельно друг другу со сдвигом, равным половине расстояния между датчиками в антенне. Такой сдвиг необходим для того, чтобы (в плане) получить равнобедренные треугольники из датчиков двух антенн одного фланга и с их помощью решать триангуляционную задачу по определению текущих координат нарушителя. Сигналы с датчиков поступают на блок обработки, и в соответствии с заложенными алгоритмами обрабатываются, после чего результаты передаются на монитор службы безопасности. Учитывая незначительный объем передаваемых данных, канал связи может быть различным. Возможно использование технологического канала, по которому идет телеметрия, либо радиоканала. Система имеет следующие отличительные особенности.
1. Полностью маскируемая (линейная часть заглубляется в грунт на глубину около 0,5 м).
2. Пассивный принцип действия делает систему незаметной для средств технической разведки подготовленного нарушителя.
3. Классифицирует нарушителя (одиноч-
Рис. 2. Схема установки ССО
Обнаружение нарушителя при его приближении к объекту предоставляет следующие возможности:
• Возможность проведения контрразведывательных действий.
• Возможность реагирования службы безопасности уже на стадии подготовки нарушения (когда нарушитель определяет наиболее удобное место для пересечения периметра, подготавливает место- разрушение ограждения или обезвреживание технических средств охраны и т.д.).
Определение класса нарушителя и его траектории движения (места нахождения) предоставляет следующие возможности:
• Правильно оценивать уровень угрозы. Например, различные ситуации — вторжение одиночного человека, группы людей или транспортного средства уже могут подразумевать различные, наиболее эффективные для конкретного случая, реакции службы безопасности.
• Различать ситуации, когда группа нарушителей пытается отвлечь ресурсы и внимание службы безопасности от основного места вторжения, имитируя ложное вторжение на определенном участке периметра.
Рис. 3. Пример разделения нарушителей на группу и одиночного
ный, группа, транспортное средство, крупное животное и т.п.). На рис. 3 приведен пример разделения нарушителей на группу и одиночного.
4. Строит траекторию движения нарушителя, что исключает незаметное разделение на группы и возможность устройства засады на группу реагирования.
5. Имеется возможность отключения и настройки каждого из датчиков.
6. Имеется возможность создания программируемой зоны обнаружения, без снижения чувствительности. Это важно при наличии вблизи системы источника сейсмопомех, который можно "выгородить".
7. К системе могут быть подключены дополнительные средства обнаружения для построения нескольких рубежей охраны. Срабатывание данных средств будет также отображаться на мониторе системы и архивироваться. На рис. 4 приведен пример схемы охраняемого объекта на мониторе оператора.
8. Имеется возможность управления внешними устройствами по вычисленным координатам. Это могут быть стационарные телекамеры, скоростные поворотные платформы с установленным оборудованием (тепловизор, оружие и т.п.), выносные табло для удаленных караулов, тревожное освещение и т.п.
Участок протяженностью около километра,
охраняется одной системой, потребляемая мощность которой 10-15 Вт. Питание ССО может осуществляться двумя способами:
— от станций катодной защиты, через отдельный блок питания;
— от автономного блока питания на базе топливных элементов с периодичностью замены картриджей около полугода.
Работы по созданию ССО, использующих в качестве чувствительного элемента оптоволокно, ведутся несколькими организациями. Несмотря на всю сложность в изготовлении и обработке сигнала, неоспоримым достоинством подобных систем, предназначенных для
Классификация обнаруживаемых объектов по типам:
• одиночный человек;
• группа людей;
• легкое транспортное средство;
• крупное транспортное средство;
• животное;
• вертолет или самолет.
Рис. 4. Пример схемы охраняемого объекта на мониторе оператора
т
охраны протяженных объектов, является отсутствие необходимости дополнительных линий связи и обеспечения питанием линейной части изделия. Однако в открытой печати не найдено достоверных (не носящих рекламный характер) данных об удовлетворительной работе подобных систем на протяженных (свыше 10 км) объектах. Кроме того стоимость источников когерентного излучения для данных систем, на сегодняшний день, очень высока.
Одной из альтернатив таких ССО является оптическая система с дискретными датчиками. Упрощенно датчик такой системы можно представить как геофон, у которого отсутствует катушка индуктивности, а подвижный элемент является зеркальным. Отраженный сигнал такого датчика будет пропорционален перемещению его подвижной массы. Получаемые с такого датчика сигналы будут аналогичны сигналам обычного геофона, т.е. возможно использование имеющихся библиотек сигналов и алгоритмов их обработки. Преимущества по связи и питанию полностью сохраняются. Имеется ряд патентов и авторских свидетельств на подобные системы, однако нет сведений даже об изготовлении опытных образцов.
Обычная система охраны просто выдала
бы тревогу по рубежу, группа захвата поймала бы одиночного нарушителя, а группа выполнила бы свою миссию.
Литература
1. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / Под. ред. В.Н. Рож-дествина. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. — 528 с.
2. Поллер Б.В., Щетинин Ю.И., Бритвин А.В., Ватин Н.Н., Кузьмин АМ Влияние атмосферы возможность функционирования оптических систем охраны периметра // Сб. трудов МНТК "Радиолокация, навигация, связь". — Воронеж , 2006. — Т. 3. — С. 2031-2036.
3. Поллер Б.В., Попков В.К., Поллер А.Б. О системе управления преобразователем солнечной энергии с использованием люминофорных устройств // Труды VI Азиатской международной школы-семинара "Проблемы оптимизации сложных систем". — Усть-Каменогорск, Казахстан, 2010.
4. Поллер Б.В., Попков В.К, Поллер А.Б. Перспективы применения наземно-космических пленочных систем накопления и передачи солнечного света для сельского хозяйства // Материалы МНПК "Электроэнергетика в сельском хозяйстве" 26-30 июня
2009 г. — Новосибирск: изд-во Россельхозакаде-мия, Сиб. регион. отделение, 2009.
5. Поллер Б.В., Поллер А.Б., Попков В.К., Бритвин А.В., Коломников ЮД, Трушенко ДЕ, Орлов С.Г. О характеристиках преобразователей солнечного света с полимерными волноводами // Сб. материалов III Международного Конгресса: Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника (ГЕО-СИБИРЬ-2007). — Новосибирск: СГГА, 2007.
6. Поллер Б.В, Коломников ЮД, Трушенко ДЕ Исследование планарных полимерных антенн с люминофорами для лазерных информационных систем // Сб. материалов Международного научного конгресса "ГЕО — Сибирь" "Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника", 24-28 апреля 2006. — Т.4. Новосибирск, 2006. — С. 176-180..
7. Батаев СН, Поллер Б.В., Бритвин А.В., Игнатович СМ, Чесноков В.В., Ярославцев АФ. Развитие лазерных информационно-сенсорных систем с планарными волноводами и элементами микрооптики для наземно-космических телекоммуникаций и локальных сетей связи и контроля // Материалы IX международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей", 31 июля — 3 августа 2006, Новосибирск. — С. 22-25.
OVERALL SYSTEM OF OIL PIPE-LINE MONITORING ON BASIS OF LAZER AND FILM TECHNOLOGY B. T. Zhumagulov, M. N. Kalimoldaev, V. K. Popkov, B. V. Poller, A. V. Britvin, A. M. Kuzmin, Yu. I. Schetinin
Abstract
Covert local area sensor on-line system for intruder classification for monitoring territory near the oil or gas pipe-line is discussed. The system allows complemental detecting devices attaching. The described technology is low-price and enhances the security system quality.
Keywords: oil pipe-line, monitoring, lazer technology, film technology.
References
1. Opto-electronic system of ecological monitoring of the environment / Under. Ed. VN Rozhdestvina. M., 2002. 528 p.
2. Poller B. V, Schetinin Yu.l., Britvin A V, Vagin N. N, Kuzmin A. M. The influence of the atmosphere on the ability to operate the optical systems of perimetr // Proc. works IRTC "Radar, navigation, communication." Voronezh, 2006. Vol. 3. Pp. 2031-2036.
3. PollerB. V, PopkovV. K, Poller A. B. A system of solar energy converter control using phosphor devices // Proceedings of the VI Asian International School-Seminar "Problems of optimization of complex systems." Ust Kamenogorsk, Kazakhstan, 2010.
4. Poller B. V, Popkov V. K, Poller A B. Prospects for the use of ground space film systems of accumulation and transfer of sunlight for agricultural of economy // Proceedings of the ISPC "Power in agriculture," 26 June 30, 2009. Novosibirsk: Publishing House of Russian Agricultural Academy, Sib. region. from division, in 2009.
5. Poller B. V, Poller A B, Popkov, V. K, Britvin A V, KolomnikovJ.D, Trushenko D.E., Orlov S. G. On the characteristics of converters of sunlight from to polymeric waveguides // Proc. materials of the III International Congress: Specialized instrumentation, metrology, thermal, microtechnology (GEO SIBERIA 2007). Novosibirsk: SSGA, 2007.
6. Poller B. V, KolomnikovJ. D, Trushenko D. E The study of planar antennas with polymer phosphors for laser information systems // Proc. Proceedings of the International Scientific Congress "GEO — Siberia" "Specialized instrumentation, metrology, thermal, microtechnology," 24 up 28 relational 2006. Vol.4. Novosibirsk, 2006. Pp. 176-180.
7. Bagayev S. N., Poller B. V, Britvin A. V, Ignatovitch S. M., Chesnokov V. V., Jaroslavtsev A. F The development of the laser sensor information systems with planar waveguides and micro elements for terrestrial and space telecommunications local networks and the control // Proceedings of the IX international convention Conference "Problems of Operation of Information Networks", July 31 — August 3, 2006, Novosibirsk, Russia. Pp. 22-25.
