搭載于AUV的海底石油管道溢油檢測裝置

聞心怡，陳杰睿，彭曉鈞

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064；2.華中師范大學第一附屬中學，湖北武漢 430223)

搭載于AUV的海底石油管道溢油檢測裝置

聞心怡1，陳杰睿2，彭曉鈞1

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064；2.華中師范大學第一附屬中學，湖北武漢 430223)

針對海底輸油管道的泄漏檢測需求，本文研制了可以外掛在AUV上的溢油檢測裝置。介紹該裝置的工作模式、檢測原理和定量標定試驗結果，詳細描述了所研制裝置的結構、系統軟硬件組成，以及所開發數據分析軟件。所研制的裝置配合AUV的自主巡航能力可實現快速溢油檢測，具備長時間可靠工作的能力。

熒光效應；溢油檢測；AUV

0 引 言

海底輸油管道是海上油田開發生產系統的主要組成部分，它是連續地輸送大量原油最快捷、最安全和經濟可靠的運輸方式。隨著管道運行時間的延長，管道老化和腐蝕造成的穿孔經常發生，不僅損失大量的原油，而且還對環境造成污染，人身安全造成威脅，給國家和企業帶來嚴重的經濟損失[1–2]。因此，管道發生泄漏時及時報警提示，采取措施減少損失，盡可能避免海洋污染，具有重要的現實意義。

海底輸油管道檢測的主要目的是獲知管道在海底的實際運行狀況，找出已經發生或潛在的泄漏點。根據檢測位置不同，可分為管外檢測法和管內檢測法。管外檢測法主要包括沿管巡視法、流量差法、壓力差法和負壓波法等，檢測費用較低，速度快；內部檢測法主要包括基于磁通、超聲、渦流、錄像等的探測球法，檢測較準確，但只適用于較大口徑管道，易發生堵塞、停運等事故，費用高[3–5]。

現階段，管內檢測法在陸地油氣泄漏檢測應用較多，而在海底輸油管道方面，因堵塞而帶來的高風險以及經濟性因素影響該方法的應用而業績較少。目前，海底輸油管道泄漏檢測較多采用管外檢測法，但我國還不具備成熟的技術[6–7]。歐美發達國家在此方面技術壟斷，相關公司一般只提供昂貴的技術服務而不單獨提供設備，如意大利Co.L.Mar公司的水下聲波泄漏檢測系統業績突出，該公司不允許客戶接觸其設備，須指派專人操作并解釋檢測結果。因此，為適應我國海洋能源安全生產的需要，有必要自主開發海底輸油管道泄漏檢測系統。

為填補此項空白，武漢第二船舶設計研究所依托武漢市黃鶴英才項目資助，開展了“基于水下無人航行器的海底輸油管道泄漏檢測系統”的研制[8]。本文所涉及的“溢油檢測裝置”即為服務于該項目的重要子系統之一。

1 海底石油管道溢油檢測工作模式

AUV搭載海底石油管道溢油檢測裝置結構如圖1所示。溢油檢測裝置包括熒傳感器、PC104主板蓄電池以及密封件1、密封件2，它采用外掛方式搭載在AUV的下方。參考圖2，海底管道溢油檢測作業可以分為以下幾個步驟：

1）輸入輸油管道位置：將已知石油管道的位置坐標信息輸入到AUV控制單元等信息。

2）檢測輸油管道泄漏：AUV搭載溢油檢測裝置，沿海底石油管道自主航行。溢油檢測裝置及AUV測量和記錄管道沿線海水中的石油濃度、位置等信息。

3）鎖定泄漏位置：當在管線某處測得的石油濃度大于預定閾值時，AUV在泄漏處布放水聲應答器。

4）繼續巡航檢測：AUV繼續沿管線巡航、檢漏、記錄檢測數據，并在作業完成后返回水面支援平臺。

5）回收及后續處理：AUV回收后，通過連接數據分析軟件連接溢油檢測裝置，分析發生泄漏的大致位置。后續將派出水下作業機器人根據之前布防的聲信標精確定位、補漏和處理。

基于上述工作流程，溢油檢測裝置的主要功能劃分描述如圖3所示。

2 溢油檢測傳感器

溢油檢測裝置通過熒光效應來檢測海水中的泄漏原油濃度，其檢測原理參考圖4。說明如下：

采用脈沖長度2 m s、觸發頻率4 Hz的紫外激光（a）作為激發光源。當光源被觸發時，激發光穿過透鏡組（b）變為平行光，并通過360 nm的濾光鏡（c）變為單色光。從濾光鏡（c）出來的單色光被分光鏡（d）分為2路，一路直接被光電二極管（e）采集，作為參考光強X。另一路通過棱鏡（f）反射，直接照射在待測海水上。

當海水中含有原油等碳氫化合物時，碳氫分子吸收360 nm光子產生電子躍遷并發出255 nm受激熒光。因此從海水中返回的光，實際上包含了360 nm的散射光和255 nm的受激熒光。返回光線通過透鏡組（g）整形成平行光后，再由255 nm的濾光鏡（h）濾去散射光。使用光電倍增管（i）精確測量從濾光鏡（h）出來的受激熒光，將所測得的受激熒光強度Y和前述參考光強X做除法得到受激熒光相對光強Y/X。在一個脈沖周期內，對相對光強Y/X進行積分，該積分值即對應于待測樣品中原油濃度。

配置不同濃度咔唑乙醇溶液，并對上述熒光傳感器進行標定試驗。不難發現，在一定濃度范圍類（等效咔唑濃度0–200 ug/L），所測得的光強比Y/X和待測海水中原油濃度呈現線性關系。表1歸納了對光電倍增管施加不同高壓條件下，熒光傳感器的主要標定數據。

表1 熒光傳感器增益標定主要結果Tab.1 The calibration results of fluorescence sensor

基于表1數據，通過線性擬合可以計算出傳感器響應斜率和截距如表2所示，擬合效果如圖5所示。

表2 熒光傳感器標定實驗擬合結果Tab.2 Fitting parameters of fluorescence sensor calibration

進一步，相應校正斜率和校正截距如表3所示。

綜合考慮測量精度和量程，選擇光電倍增管高壓為450 V，因此熒光計輸出的光強比Y/X（Signal）與等效咔唑濃度（Carbazole）的轉換關系可以用如下式表示：

表3 熒光傳感器校正斜率和截距Tab.3 Slope and intercept of fluorescence sensor calibration

其中等效咔唑濃度（Carbazole）的單位為ug/L。

3 溢油檢測裝置研制

3.1 軟硬件設計

針對圖2所示的功能需求，選用深圳博盛電子公司研制的SCM 9022主板作為溢油檢測裝置的嵌入式控制平臺。該主板為搭載intel atom D 525雙核CPU的PC104主板，板載64 Gb固態硬盤存儲器，配合Diamond System s Corp.的 JMM-512 穩壓模組，能夠實現7～30 V的寬幅直流供電。

圖6為溢油檢測裝置硬件系統結構框圖。詳細說明如下：

1）蓄電池。蓄電池為定制的24 V聚合物鋰離子電池，容量為10 Ah，經估算能支持整個裝置持續工作 24 h 以上。

2）JMM-512穩壓模組。穩壓模組將蓄電池提供的2 4 V直流電轉換為穩定的5V的直流電，供PC104主板使用。穩壓模塊能夠在7～30 V寬幅電壓下工作，并能抵御1 500W以下的瞬態電壓沖擊，能確保溢油檢測裝置在惡劣環境下持續穩定工作。

3）熒光傳感器。使用24 V直流供電，通過串口將檢測數據、傳感器溫度和儀器內部狀態信息不間斷的傳至PC104主板解析和存儲。

4）PC104主板。主板運行了專門為本項目進行裁剪、優化和重新編譯的Linux操作系統。在應用層面上，控制程序針對每一個任務使用單個線程，最大程度地保障溢油檢測裝置長時間持續工作時的實時性和可靠性。板載的VGA接口和鍵盤接口主要用作在板調試，即在裸板上編譯操作系統和系統網絡服務時連接顯示器、鍵盤使用。在編譯好操作系統和網絡基礎服務后，可以使用以太網接口1通過遠程登錄服務ssh服務進行遠程調試，或者通過ftp服務訪問主板板載的SSD硬盤。

PC104主板通過以太網2接口使用交叉網線和AUV上的以太網接口連接，以便實時接收視頻文件。以太網2接口和上述以太網1分屬2個不同網段。PC104主板通過串口2和AUV實時指令接口相連接，用來接收慣導坐標信息和操作指令。

3.2 Linux操作系統的裁剪和編譯

作為目前最流行開源操作系統，Linux系統具有功能完善、結構清晰的優點，但主流桌面版本的Linux系統占用系統的存儲資源較大，而且有許多多余的功能，極大地影響了系統的執行速度。溢油檢測裝置功能相對比較單一、硬件資源相對緊張，需要針對既定的硬件平臺對原有的操作系統進行裁剪，剔除不需要的模塊并重新編譯。

對Linux操作系統的裁剪包括對內核的裁剪和對函數庫的裁剪。

針對內核的裁剪是一種粗粒度的裁剪，可以利用系統本身提供的配置工具來重新配置和編譯內核。在編譯時，僅選擇最小所需的內核模塊，刪除不需要的模塊。在編譯時，選擇系統所需要的功能模塊，刪除不需要的模塊，例如Linux支持很多種外圍硬件設備，所以驅動程序所占的空間也非常大，但是溢油檢測并不需要像是顯卡、聲卡驅動這樣一類外圍設備。在選擇配置選項時，只留下具體硬件平臺上的硬件設備驅動模塊，其他驅動模塊則不選。這樣編譯出來的內核所占的體積會小很多，滿足了嵌入式系統對系統資源的要求。這種裁剪方法的優點非常方便，通過配置命令進入配置界面，比較直觀，裁剪起來也比較簡單，對各個模塊的功能弄清楚了就可以直接裁剪。

針對函數庫的裁剪是一種細粒度的裁剪，通過深入分析Linux層次代碼、借助現成的源代碼分析工具找出應用程序與函數庫之間的調用關系，能夠比較清晰地找出操作系統中沒有使用的庫函數以便加以剝離。分別構建應用程序、庫函數、內核函數調用圖，然后根據這3個圖，構建一個混合調用圖，刪除圖中沒有調用到的庫函數和內核函數。

經過上述2個層次的裁剪，本項目為前述PC104主板編譯了精簡的Linux版本。包括軟件編譯和鏈接包在內，裁剪后的操作系統體積不到100M b，運行時占用內存僅32Mb左右，遠遠低于主板所能提供的硬件資源（64Gb 硬盤、2Gb 內存）。

3.3 軟件系統設計與實現

在上述定制Linux基礎上，采用標準的POX IS兼容C++語言編制了溢油檢測裝置的軟件程序。溢油檢測系統軟件系統為Linux下多線程程序，程序主體主要由實時指令任務、熒光檢測任務、數據記錄任務和實時視頻任務4個任務構成，這4個任務并行執行并通過1個由互斥機制保護的公共緩存堆棧來交換數據。圖7顯示了控制系統的流程圖。

實時指令任務：系統啟動后實時指令任務按照一定頻率讀入AUV發來的操作指令和慣導坐標數據，并將指令幀不加解析的壓入公共緩存堆棧。

熒光檢測任務：系統啟動后熒光檢測任務按照一定頻率讀入溢油檢測數據幀，包括檢測值、時間戳和輸入偏壓、PMT高壓、設備溫度等設備信息。讀取的數據幀不加解析的壓入公共緩存堆棧。

實時視頻任務：系統啟動后，實時視頻任務按照一定頻率通過ftp服務從以太網2接口獲取AUV發來的視頻數據。視頻數據自帶時間幀并被分割成1 m in的短片段，每一個片段是一個文件。所獲取的視頻文件被直接轉存到板載SSD硬盤上。

數據記錄任務：系統啟動后，數據記錄任務按照操作系統的任務調度頻率從公共緩存堆棧獲取數據幀。所獲取的數據幀包含指令幀和熒光檢測幀亂序排放。從熒光檢測數據幀解析處溢油濃度測量值、時間戳等測量數據和輸入偏壓、PMT高壓、設備溫度的設備狀態數據。從指令幀解析處時間戳、慣導坐標以及操作指令。將慣導坐標和熒光檢測數據依據時間戳進行匹配，并寫入文件。將操作指令通過進程間信號機制發往采樣控制任務。

采樣控制任務：系統啟動后，采樣控制任務處于進程阻塞狀態。直到該任務接收到數據記錄任務發來的操作指令信號后，依據指令內容調整熒光計的工作模式和采樣頻率。

圖8是溢油檢測裝置軟件系統的結構框架圖，它進一步描述了軟件系統的實現方式。

各個進程的詳細描述如下：

1）初始化進程（SysInit）。程序開始時生成的第1個進程，負責讀取系統配置文件PAH.Conf，配置文件包含所有的串口信息、網口配置信息、采樣參數。SysInit打開所需端口并分配程序所需的數據結構后，轉入后臺進入睡眠模式。M ain函數在確認所有的初始化完成后，生成其他線程。

2）串口通信進程（包括AUV指令傳輸AUVComm Rec和熒光檢測數據傳輸PAHData Rec）。這些進程負責不同通道的串口通信。所有通道讀取的數據都被放入一個有互斥機制保護的公共緩存區域內，以便其他進程進一步處理。

3）數據解析進程（Parse）。來自不同串口的指令或者測量數據被隨機地放入到循環緩存中，每一種數據幀由固定的幀標識加以區別，Parse進程將這些數據分類，并解析出操作指令、時間戳、慣導坐標、熒光測量值以及各種設備的狀態信息，以便其他進程讀取。

4）時間匹配進程（Time Stamp Match）。讀取數據解析進程通過進程管道機制傳送來的各類數據，并按照時間戳進行匹配生成記錄條目。

5）視頻接收進程（Video Rec.）。按照操作系統調度的頻率持續的從AUV讀取視頻，并直接傳送給文件記錄進程。

6）文件記錄進程（Log）。處理底層的文件操作，記錄視頻接收進程（Video Rec.）和時間戳匹配（Time Stamp Match）進程傳來的各種數據。

7）采樣控制進程（Sampling Control）。采樣控制進程執行一個有限狀態機來控制溢油檢測裝置的運行狀態。設計狀態包括：連續測量模式、觸發測量模式、是否輸出溫度、偏壓誤差、參考電壓等數據和設置采樣頻率。采樣控制進程通常處于阻塞狀態，直到當數據解析進程發來指令信號時才根據指令執行采樣模式的轉換。控制器進程也負責記錄設備裝置模式轉換的輸出信息。

8）看門狗進程（Dog Watch）。看門狗進程以1Hz的頻率運行，檢測是否存在死進程。如發現進程沒有響應，它會中斷所有進程，執行軟件復位。

4 數據分析后處理軟件

存儲在溢油檢測裝置內的各類現場視頻、檢測數據以及裝置的狀態信息可以通過圖6中的以太網2接口使用ftp服務讀取。為了分析溢油檢測作業的數據，項目組開發了“溢油檢測數據分析與后處理軟件”，其操作界面如圖9所示。在開發該軟件過程中，為了實現快速開發，使用了Labview和Matlab混合編程的技術，其中Labview代碼主要用來實現各類圖形顯控控件和對網絡服務、通訊接口進行封裝，而Matlab代碼主要實現數據分析的邏輯計算。

溢油檢測數據分析和后處理軟件主要功能包括：

傳感器溫度統計。統計在整個檢測過程中，熒光傳感器的溫度。

1）偏壓誤差監測。監測溢油檢測裝置蓄電池供電和標準電壓的誤差值。

2）光電倍增管高壓監測。監測熒光傳感器內光電倍增管高壓，以便分析檢測裝置增益變化。

3）監測數據分析。將所導入的檢測數據按照時間軸作圖以便進一步分析。

4）數據總時長。統計溢油檢測裝置作業的總時長。

5）最大濃度、最小濃度、平均濃度。統計整個作業時長中，所測得的最大檢測濃度、最小檢測濃度和平均檢測濃度。

5 裝置可靠性驗證

溢油檢測裝置的軟硬件系統需要在封閉環境中長時間的工作，為了保證溢油檢測作業不被中斷，項目組對所研制的裝備進行了300 h不間斷運行可靠性的測試。在27℃的室溫環境中統計了該裝置各項指標如表4所示。由表中數據可知，各項指標都在系統允許范圍內，驗證了所研制裝置的可靠性。

表4 300 h不間斷運行試驗Tab.4 300 hours of continuous operation test

6 結 語

本文描述了一種能夠搭載于AUV上的溢油檢測裝置的技術細節。該裝置能夠和AUV無縫連接，實現高效的海底輸油管道泄漏巡檢。該裝置的成功研制，可打破西方技術壟斷，填補我國在該技術領域的空白，使我國海洋環境監測檢測能力以及海洋工程裝備研制能力大大提高，促進高端海洋工程裝備產業鏈的快速發展。

致謝 感謝武漢市黃鶴英才計劃對研制工作的資助。

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Leak detection device for submarine oil pipeline equipped w ith AUV

WEN Xin-yi1,CHEN Jie-rui2,PENG Xiao-jun1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China;2.No.1M iddle School Affiliated to Central China Normal University,Wuhan 430223,China)

Aim ing at the leakage detection requirement of the submarine oil pipeline,an oil spill detection device which can be equipped to the AUV is developed.The work flow,the detection principle and the quantitative calibration test result of the device are introduced.The structure of the developed device,the composition of the system hardware and software,and the data analysis software are described in detail.The developed device with AUV's autonomous cruise capability enables fast oil spill detection and long-term reliability.

fluorescence effect；oil leak detection；AUV

TN273

A

1672–7649(2017)12–0105–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.022

2017–08–01；

2017–09–25

聞心怡(1981–)，男，高級工程師，研究方向為無人自主航行器。