海洋平臺(tái)外部安防技術(shù)現(xiàn)狀及展望

張慶國(guó),劉春躍,羅 松,王水利,劉 慶

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心,云南 昆明 650051)

0 引 言

隨著當(dāng)前海洋開發(fā)需求的不斷提升,海洋工程技術(shù)及裝備的持續(xù)發(fā)展,與之相關(guān)的保衛(wèi)海洋設(shè)施的技術(shù)水平也得到快速提高[1、 2]。海上油氣開發(fā)平臺(tái)、鉆井施工平臺(tái),以及國(guó)家海洋基礎(chǔ)設(shè)施等海洋平臺(tái)的安防技術(shù)與裝備,成為了當(dāng)前海洋開發(fā)技術(shù)研究中尤為重要的一部分。海洋平臺(tái)除常規(guī)生產(chǎn)安防外,還面臨水下、水面及空中各種外部威脅,如水下蛙人、水下航行體、水面船只、空中無人機(jī)等。上述外部因素,對(duì)海洋平臺(tái)的安全構(gòu)成日益迫切的現(xiàn)實(shí)威脅,各國(guó)加快了海洋平臺(tái)安防技術(shù)與裝備的研究與建設(shè)。

海上油氣平臺(tái)相較于陸地油氣平臺(tái),具有更高的區(qū)域孤立性[3]、資源空間有限性和技術(shù)交織復(fù)雜性等特點(diǎn)。同時(shí),由于海洋環(huán)境的惡劣性、時(shí)變性和復(fù)雜性,海上平臺(tái)與陸地平臺(tái)相比,環(huán)境適應(yīng)性要求及設(shè)計(jì)專業(yè)度均較高,總體造價(jià)昂貴,系統(tǒng)施工難度大,實(shí)時(shí)檢驗(yàn)維護(hù)困難。對(duì)應(yīng)的海洋平臺(tái)安防要求也存在防護(hù)空間大、區(qū)域廣,系統(tǒng)集成度高、難度大,技術(shù)融合要求高、跨度大等特點(diǎn)。

眾所周知,常規(guī)海洋平臺(tái)內(nèi)大多設(shè)有紅外及熱成像視頻監(jiān)控、毒害氣體及物質(zhì)檢測(cè)報(bào)警、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、平臺(tái)人員定位等常規(guī)安防系統(tǒng),可滿足海洋平臺(tái)內(nèi)部常規(guī)安全防護(hù)需求,對(duì)海洋平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)提供安全保障。但由于海洋平臺(tái)所處位置及環(huán)境的特殊性,除了上述常規(guī)安全風(fēng)險(xiǎn)外,還存在船只碰撞、自然侵蝕,以及人為侵?jǐn)_與破壞(含水下、水面和空中)等風(fēng)險(xiǎn)。因此,為了保證海洋平臺(tái)的作業(yè)安全性和工作可靠性,需針對(duì)海洋平臺(tái)空中、水面及水下全域進(jìn)行系統(tǒng)性的安全防護(hù)。

1 海洋平臺(tái)分類

通常情況下,海洋平臺(tái)歸納為在海上為鉆井、采油、集運(yùn)、存儲(chǔ)、勘察、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物[4]?？紤]到島嶼(含無人值守島礁、人工島嶼等)在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、資源開發(fā),以及國(guó)家安全上的重要性,這里將島嶼也歸入海洋平臺(tái)范疇。

海洋平臺(tái)按其結(jié)構(gòu)和狀態(tài),一般可分為固定、活動(dòng)和半固定3種類型[5]。固定式平臺(tái)由基座或其他結(jié)構(gòu)直接支撐,固定在海底,不能移動(dòng)。比如,近海固定鉆井平臺(tái),以及島嶼等?；顒?dòng)式平臺(tái)又稱為移動(dòng)平臺(tái),浮于海面,可移動(dòng)至不同位置,按照支撐結(jié)構(gòu)又可分為著底式和浮動(dòng)式兩類。我國(guó)在北部灣投產(chǎn)的“海洋石油163”平臺(tái),是為我國(guó)自主研制的首座海上移動(dòng)自升式井口平臺(tái)。半固定式海洋平臺(tái)適合深海使用,經(jīng)濟(jì)性較好,如新型Spar平臺(tái)等。海洋平臺(tái)基本分類如圖1所示。

圖1 海洋平臺(tái)分類示意圖Fig.1 Schematic diagram of offshore platform classification

2 海洋平臺(tái)安防重要性

海洋平臺(tái)附近的來往船只無序航行,以及起拋錨和拖網(wǎng)捕魚等行為,都容易造成海洋平臺(tái)相關(guān)設(shè)備的破損,甚至造成停產(chǎn)、海洋環(huán)境污染和城市油氣供應(yīng)中斷等問題,給國(guó)家基礎(chǔ)安全、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和國(guó)民生活造成重大危害和惡劣影響。比如,我國(guó)南東部海域的油氣田已發(fā)生多起水下設(shè)備被漁船損壞的實(shí)際案例,事故造成的危害和損失巨大[6],對(duì)海洋平臺(tái)的作業(yè)和生產(chǎn)造成極大影響。

除了非法船舶靠近平臺(tái)以及非法人員登陸平臺(tái)危險(xiǎn)外,海洋平臺(tái)還會(huì)受到空中無人機(jī)的侵?jǐn)_,尤其是不易探測(cè)和識(shí)別的低慢小飛行器。海洋平臺(tái)最不易察覺的危險(xiǎn)來自水下,比如水下蛙人、水下航行器等。最為典型的事件是,2014年中國(guó)海洋981鉆井平臺(tái)遭受侵?jǐn)_和襲擊事件,如圖2(a)所示。981鉆井平臺(tái)在西沙群島南端的中建島附近海域?qū)嵤┱ｃ@井作業(yè),無故遭到外方多艘水面船只,以及偽裝式水下蛙人等惡劣手段的持續(xù)騷擾和破壞[7],違反了聯(lián)合國(guó)相關(guān)議定書,破壞了相關(guān)海域航行安全環(huán)境,造成嚴(yán)重影響。此后,世界各國(guó)對(duì)海洋平臺(tái)應(yīng)對(duì)水下蛙人等不易察覺目標(biāo)的實(shí)時(shí)防范技術(shù)尤為重視,加快了相關(guān)裝備研制和工程應(yīng)用。

(a) 海洋981鉆井平臺(tái)遭受侵?jǐn)_ (b) “北溪”管道遭受水下爆炸破壞圖2 海洋平臺(tái)和管道被破壞Fig.2 Off shore platform and pipeline was destroyed

近年來,國(guó)際層面海上各種襲擊事件頻發(fā),以水下入侵破壞為主的恐襲事件呈上升趨勢(shì),造成海洋環(huán)境的嚴(yán)重污染和重大經(jīng)濟(jì)損失。2022年9月26日,俄羅斯向歐洲供應(yīng)天然氣的“北溪”管道遭受水下爆炸破壞[8],如圖2(b)所示?！氨毕碧烊粴夤艿辣ㄊ录饑?guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。天然氣管道等國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞后,修復(fù)難度大、成本高,造成不可估量的直接或間接損失。

由此可見,水面船只及水下蛙人、航行器等外部人為破壞風(fēng)險(xiǎn)對(duì)海洋平臺(tái)安全造成極大威脅,不僅會(huì)影響海洋平臺(tái)的正常作業(yè),還會(huì)帶來嚴(yán)重環(huán)境污染、重大經(jīng)濟(jì)危害,甚至造成人員傷亡,帶來極為不良的政治影響和極為惡劣的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。而海洋平臺(tái)常規(guī)安防系統(tǒng)無法對(duì)外部人為破壞進(jìn)行防護(hù)。因此,海洋平臺(tái)安防技術(shù)及裝備的研究建設(shè)意義極為重要,特別是重大跨國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施和能源運(yùn)輸動(dòng)脈,需充分考慮海洋平臺(tái)的特殊性和實(shí)用性,進(jìn)行針對(duì)性安防設(shè)計(jì)與建設(shè)。

3 海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)

3.1 安防目的

海洋平臺(tái)安防的目的,主要是針對(duì)其主要危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)、準(zhǔn)備和保護(hù),從而使海洋平臺(tái)處于低風(fēng)險(xiǎn)、不受侵害、不出現(xiàn)事故的安全狀態(tài)。

常規(guī)安防主要是針對(duì)海洋平臺(tái)內(nèi)部的安全生產(chǎn),而外部安防主要是針對(duì)海洋平臺(tái)外部危險(xiǎn)因素的安全防護(hù),如惡劣的自然海洋環(huán)境和蓄意人為的破壞等。因此,海洋平臺(tái)安防應(yīng)包含兩部分:一是針對(duì)海洋作業(yè)危害和環(huán)境破壞的常規(guī)性安全防護(hù),二是針對(duì)海洋平臺(tái)外部蓄意人為破壞的安全防護(hù)。常規(guī)安全防護(hù)體系建設(shè)較為完善,而海洋平臺(tái)外部安全防護(hù)涉及空中與水下偵測(cè)、識(shí)別等對(duì)環(huán)境較為敏感的聲光電技術(shù),對(duì)應(yīng)技術(shù)裝備和系統(tǒng)相對(duì)欠缺。

在平時(shí),海洋平臺(tái)的安全由業(yè)主(公司)通過技術(shù)裝備手段自行保護(hù),而在特殊時(shí)期,重要海洋平臺(tái)安全多由國(guó)家力量保護(hù),以免造成重大經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境污染。因此,這里海洋平臺(tái)安防主要是指針對(duì)海洋平臺(tái)的蓄意人為破壞危險(xiǎn),通過專業(yè)技術(shù)與裝備使平臺(tái)不受侵害的綜合式立體安全防護(hù)。由此可見,海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)的目的是警戒、取證和防護(hù),其反制手段是驅(qū)離、非致命損傷,最終目的是保護(hù)海洋平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施不受外來人為破壞,保障平臺(tái)上生命、財(cái)產(chǎn)不受侵害,維護(hù)生產(chǎn)、生活秩序。

3.2 安防定義

海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)主要是指針對(duì)外部人為侵?jǐn)_和破壞危險(xiǎn),集成高分衛(wèi)星影像、雷達(dá)、射頻、聲譜、光電系統(tǒng),船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)、視頻圖像處理(video image processing,VIP)系統(tǒng),聲吶、圖像處理(scilab image processing,SIP),以及數(shù)據(jù)融合處理、實(shí)時(shí)多維可視化顯控等相關(guān)技術(shù)的綜合安全防護(hù)系統(tǒng)/裝備。主要用于保護(hù)海洋平臺(tái)的不受外部人為破壞,確保平臺(tái)人員、設(shè)備安全,以及海上作業(yè)施工的運(yùn)營(yíng)安全。

3.3 安防系統(tǒng)架構(gòu)

海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)是典型的多源異構(gòu)與多維數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)[9]。探測(cè)傳感信息來自衛(wèi)星圖像、雷達(dá)、光電、聲吶、AIS等多種系統(tǒng)/設(shè)備,具有信息量大、相互關(guān)系復(fù)雜、探測(cè)精度差異大、數(shù)據(jù)格式不同等特點(diǎn)。防護(hù)及反制類設(shè)備多樣,涉及空中、水面及水下跨介質(zhì)區(qū)域,存在信息處理實(shí)時(shí)性和相互時(shí)序要求均不同等特點(diǎn)。

海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由內(nèi)部和外部?jī)刹糠纸M成。內(nèi)部架構(gòu)主要是指單個(gè)海洋平臺(tái)的外部安防系統(tǒng),通常由網(wǎng)絡(luò)傳輸分系統(tǒng)、多源信息融合處理分系統(tǒng)、空中與水面信息融合處理分系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)處理與預(yù)判分系統(tǒng),以及水下信息融合處理分系統(tǒng)5部分組成。網(wǎng)絡(luò)傳輸分系統(tǒng)用于內(nèi)部信息傳輸,多采用有線、藍(lán)牙、WiFi(Wireless Fidelity)、ZigBee等方式實(shí)現(xiàn);多源信息融合處理分系統(tǒng)將空中與水面信息融合處理分系統(tǒng)和水下信息融合處理分系統(tǒng),以及綜合數(shù)據(jù)處理與預(yù)判分系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù),再次進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)及人工智能處理,獲得安防結(jié)果信息,送至顯控端。外部架構(gòu)是基于互聯(lián)網(wǎng)/企業(yè)網(wǎng)/其他專網(wǎng)組成的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),如油氣分公司到總部集成式一體安防體系。其中,專網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況采用Ethernet、 EtherCAT(control automation technology)、企業(yè)網(wǎng),或者采用4G、 5G等網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。以海上油氣平臺(tái)的安防系統(tǒng)為例,給出常規(guī)安防系統(tǒng)總體構(gòu)架,如圖3所示。

圖3 海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of offshore platform security system

由圖3所示,海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)架構(gòu)中存在大量的數(shù)據(jù),在內(nèi)部和外部之間進(jìn)行傳輸,為了實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)(內(nèi)部架構(gòu))與陸地監(jiān)控中心(外部架構(gòu))之間的實(shí)時(shí)統(tǒng)籌管理,需采用合適的數(shù)據(jù)融合處理方案,構(gòu)建完整的安防架構(gòu)系統(tǒng)。內(nèi)外部之間的數(shù)據(jù)融合處理,通常包括對(duì)各類型探測(cè)傳感設(shè)備異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)融合處理、時(shí)序統(tǒng)調(diào),以及探測(cè)結(jié)果與海洋平臺(tái)基礎(chǔ)信息(如平臺(tái)位置、管纜路由、油田作業(yè)船只)的綜合融合等多個(gè)方面。綜合數(shù)據(jù)處理與預(yù)判分系統(tǒng)主要針對(duì)海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)探測(cè)/傳感設(shè)備的類別及探測(cè)數(shù)據(jù)特定,通常采用多級(jí)融合模型結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)內(nèi)外架構(gòu)之間的數(shù)據(jù)融合與處理。典型海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,系統(tǒng)工作示意如圖5所示。

圖4 海洋平臺(tái)外部安防系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Basic structure diagram of external security system for offshore platforms

圖5 海洋平臺(tái)外部安防系統(tǒng)工作示意圖Fig.5 Schematic diagram of the external security system of the offshore platform

海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)具體屬于海洋安全防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域,近年來國(guó)內(nèi)陸續(xù)開展了相關(guān)技術(shù)研究,在研制及工程實(shí)施過程中形成相關(guān)專利成果。海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)相關(guān)專利情況見表1所示。

表1 海洋平臺(tái)安防相關(guān)部分專利列表Tab.1 List of patents related to offshore platform security

4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

4.1 國(guó)外現(xiàn)狀

在2001年美國(guó)9·11恐怖襲擊,以及2010年墨西哥灣深水地平線深海鉆油平臺(tái)井噴漏油等事件影響下,美國(guó)為首的西方國(guó)家積極推動(dòng)和倡導(dǎo),要求海上平臺(tái)采取措施防范海上人為破壞,使得各國(guó)對(duì)海洋平臺(tái)安防問題更加重視,進(jìn)一步促進(jìn)了海洋平臺(tái)安防技術(shù)和裝備的快速發(fā)展。

美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)的港口水下安全防護(hù)系統(tǒng)(UPSS)[10]主要由水下偵察系統(tǒng)(UIS)和反蛙人系統(tǒng)(IAS)兩部分組成。其中,UIS以SM2000反蛙人聲吶系統(tǒng)為主,探測(cè)距離為800m,濕端纜長(zhǎng)2km,配置形式靈活,易于實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)組網(wǎng)探測(cè)。美國(guó)Klein公司的HarbourGuard-pro安防系統(tǒng)(EWDSS)集成了安防所需的Klein S2000系列小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)、光電/紅外、AIS、反蛙人聲吶和聲學(xué)喊話器等設(shè)備,可用于海洋平臺(tái)及停泊狀艦船安防,如水下抵近目標(biāo)告警、水下水雷等爆炸物探測(cè)。UPSS及EWDSS安防系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 美國(guó)UPSS及EWDSS安防系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of UPS and EWDSS security systems in the United States

英國(guó)QinetiQ公司設(shè)計(jì)的基于多層傳感器的縱深防御系統(tǒng)[11],主要用于海洋平臺(tái)應(yīng)對(duì)海上恐怖襲擊及特種部隊(duì)侵?jǐn)_與襲擊,保護(hù)海洋平臺(tái)及港口和停泊艦艇。系統(tǒng)主要由被動(dòng)岸基警戒聲吶、反蛙人聲吶、聲磁復(fù)合柵欄、圖像聲吶、雷達(dá)、光電、信息處理和顯示中心組成。日本東京大學(xué)和Hitachi公司等多家機(jī)構(gòu)共同參與了水下安防聲吶系統(tǒng)的開發(fā),該系統(tǒng)主要用于港口、濱海機(jī)場(chǎng)、電站、油氣儲(chǔ)存設(shè)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。水面監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有雷達(dá)、光電和紅外攝像儀等,水下設(shè)備包括扇面掃描反蛙人聲吶,以及與丹麥Reson公司聯(lián)合研制的兩型高分辨聲學(xué)成像聲吶等。詳見圖7所示。

圖7 英國(guó)及日本碼頭安防系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of dock security systems in the UK and Japan

另外,英國(guó)Sonardyne公司研制的Sentinel IDS水下防御系統(tǒng)包含Sentinel聲吶和Scylla聲學(xué)喊話器。該系統(tǒng)可艦載或岸基安裝使用,具備良好的港口混響環(huán)境適應(yīng)性,對(duì)水下蛙人探測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)900m,支持多聲吶組網(wǎng)探測(cè)模式。每臺(tái)岸基工作站最多可控制10臺(tái)Sentinel聲吶,易于實(shí)現(xiàn)多聲吶聯(lián)網(wǎng)探測(cè)或與其他信息系統(tǒng)集成。系統(tǒng)探測(cè)到水下蛙人后,岸基工作站可控制水聲喊話器進(jìn)行水下的警示喊話,水下喊話距離可達(dá)600m,被多國(guó)應(yīng)用于水下蛙人防御。

以色列的DSIT公司主要研發(fā)了3種用于水下安防的蛙人探測(cè)聲吶(Diver Detection Sonar,DDS),包括“水盾”DDS(AquaShield DDS)、“尖盾”便攜式DDS(PointShield portable DDS)和港口監(jiān)視系統(tǒng)(Harbor Surveillance System,HSS)[11]。HSS系統(tǒng)由DDS、探測(cè)雷達(dá)、光電信息設(shè)備及數(shù)據(jù)融合處理中心構(gòu)成,系統(tǒng)工作區(qū)域覆蓋淺水和深水,且可全天候24h連續(xù)工作?？梢?HSS系統(tǒng)主要用于水下蛙人、潛水器及水面船只等外部安全防護(hù),可對(duì)其進(jìn)行中遠(yuǎn)程的探測(cè)、識(shí)別與定位跟蹤,未見有對(duì)空中無人機(jī)的安防能力。

加拿大C-Tech公司研制的CSDS-85型海港安全監(jiān)測(cè)聲吶系統(tǒng)(Water-side Security Sonar,WSS),其中心工作頻率為80kHz,基礎(chǔ)工作帶寬為3kHz,最大探測(cè)距離為2000m。在常規(guī)扇面區(qū)域探測(cè)的基礎(chǔ)上,還可進(jìn)行360°的全方位監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以單獨(dú)工作,亦可組網(wǎng)聯(lián)合構(gòu)建大區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)。以色列和加拿大部分水下安防設(shè)備實(shí)物如圖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圖8 以色列及加拿大的水下安防設(shè)備實(shí)物圖Fig.8 Physical images of underwater security equipment in Israel and Canada

如圖8所示,“水盾”DDS主要是針對(duì)水下蛙人、蛙人運(yùn)載器、水面船只、水下無人航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)等外部威脅的安防監(jiān)測(cè)。對(duì)于噪聲較大的蛙人運(yùn)載器探測(cè)距離可達(dá)3500m,對(duì)開式蛙人的探測(cè)距離可達(dá)1800m,對(duì)噪聲較小的閉式蛙人探測(cè)距離亦可到1200m?！凹舛堋盌DS采用便攜式結(jié)構(gòu),主要用于港口船只免受外部水下侵?jǐn)_,可提供360°全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)常規(guī)的開式呼吸蛙人探測(cè)距離為700m,相對(duì)噪聲較小的閉式蛙人探測(cè)距離為500m。

4.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

眾所周知,我國(guó)的海洋資源開發(fā)利用過程較為艱難,相關(guān)海洋工程技術(shù)研究起步較晚,早期自主技術(shù)和裝備應(yīng)對(duì)惡劣海洋環(huán)境能力不足。在當(dāng)前海洋資源開發(fā)中,不僅要應(yīng)對(duì)日益繁榮的海洋運(yùn)輸業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)影響,以及隨時(shí)可能的外部人為破壞干擾,甚至還要面對(duì)敵特等恐怖威脅[12]。因此,我國(guó)在海洋工程與海洋平臺(tái)安防建設(shè)上投入了大量的精力,特別是在應(yīng)對(duì)隨機(jī)性更強(qiáng)的外部安防上,研制了多種工程設(shè)備/系統(tǒng),并進(jìn)行了工程實(shí)施,取得了一定的進(jìn)展。

雖然相比其他發(fā)達(dá)國(guó)家而言,我國(guó)在海洋平臺(tái)安防方面起步較晚,但是也取得了一定的工程研制成果,并得到實(shí)際的工程應(yīng)用,積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)自主研制了獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DDS,如圖9所示。系統(tǒng)工作中心頻率為100kHz,工作帶寬為10kHz,具備單頻信號(hào)(continuous wave,CW)和線性調(diào)頻(linear frequency modulation,LFM)、偽隨機(jī)碼以及雙曲調(diào)頻等幾種脈沖式工作模式。該系統(tǒng)在2008年的北京奧運(yùn)會(huì)青島帆船比賽(青島奧帆賽),以及上海世博會(huì)等重大活動(dòng)中得到了成功應(yīng)用。

圖9 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the security system structure of the Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences

中國(guó)和烏克蘭共同研制的TRONKA安防系統(tǒng),如圖10所示,主要由水聲換能器、聲速剖面儀、絞車、供電電源和綜合顯示等部分組成。該系統(tǒng)方位探測(cè)精度為2°,測(cè)距相對(duì)精度為1.5%,系統(tǒng)典型工作深度為100m。TRONKA安防系統(tǒng)主要用于水下潛航器、UUV和蛙人等水下活動(dòng)目標(biāo)和潛伏目標(biāo)的探測(cè)與預(yù)警,以及水下爆炸物、預(yù)制破壞物等固定目標(biāo)的監(jiān)測(cè),可實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳入綜合數(shù)據(jù)處理裝置。經(jīng)融合數(shù)據(jù)處理、綜合目標(biāo)識(shí)別與判定,結(jié)果信息傳送至岸基,即系統(tǒng)安全控制中心,從而形成水下安全防護(hù)監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng),以防御水下襲擊,保護(hù)港口、艦船等海洋平臺(tái)的安全。

圖10 中烏合作安防系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of the security system composition for China Ukraine cooperation

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司某研究所研制的島嶼水下安防系統(tǒng),如圖11所示,具備對(duì)水面和水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)警戒、識(shí)別、跟蹤和報(bào)警等功能?？刹挤旁趰u嶼周圍,通過對(duì)水中聲信號(hào)的采集和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下及水面目標(biāo)的警戒、跟蹤和定位,同時(shí)兼顧海洋噪聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)采用光纖水聽器組陣技術(shù),50km范圍內(nèi)水下聲學(xué)基陣無需供電(光纖水聽器特點(diǎn)),大大提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí),采用陣列水聲信號(hào)處理技術(shù),可以在無人值守的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)水面艦船、水下航行器、水下蛙人等目標(biāo)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跟蹤、定位、聲特征提取和記錄以及報(bào)警。監(jiān)測(cè)信息可以通過以太網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸,實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控。該系統(tǒng)主要用于小型島嶼或有限區(qū)域的水下安全防護(hù),兼顧水聲信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),未見相應(yīng)的水下反制手段,對(duì)水面及空中的目標(biāo)安防能力有限。但該系統(tǒng)采用光纖水聽器陣列結(jié)構(gòu),可以方便組成更大孔徑、更復(fù)雜陣型結(jié)構(gòu)的水聲探測(cè)基陣,具有覆蓋面積大、探測(cè)距離遠(yuǎn),且功耗較低等優(yōu)點(diǎn)。

圖11 島嶼水下安防系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of island underwater security system

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司某單位通過“綏中36-1海洋油氣田安防系統(tǒng)”“秦皇島32-6油田水下安防系統(tǒng)”“渤中28/34油田群區(qū)域水下安防系統(tǒng)”,以及“陵水17-2氣田水下安防系統(tǒng)”等項(xiàng)目的工程研制與應(yīng)用,將水下聲吶、空中雷達(dá)、水面AIS及空外探測(cè)等信息融合處理,采用三維場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行綜合顯控。上述安防系統(tǒng)基本覆蓋了空中、水面及水下的外部安全防護(hù),側(cè)重水下安防。SZ36-1油田安防系統(tǒng)及秦皇島32-6油田水下安防系統(tǒng)工程項(xiàng)目情況詳見圖12所示,陵水17-2氣田水下安防系統(tǒng)如圖13所示。

(a) 36-1油田安防系統(tǒng)三維顯控界面

(b) 36-1油田安防系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

(c) 32-6油田安防系統(tǒng)三維顯控界面

(d) 32-6油田安防系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖圖12 海上平臺(tái)安防系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.12 Physical diagram of offshore platform security system

(a) “深海一號(hào)”平臺(tái)

(b) 陵水17-2氣田安防系統(tǒng)三維視景圖

(c) 水下探測(cè)定位結(jié)果圖

(d) 現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試圖圖13 陵水17-2氣田安防系統(tǒng)圖Fig.13 Security system diagram of Lingshui 17-2 gas field

陵水17-2氣田水下安防系統(tǒng)集成雷達(dá)、紅外、聲吶等設(shè)備,形成空中、水面、水下,遠(yuǎn)中近程三維空間立體化探測(cè),可自動(dòng)探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、預(yù)警和反制。該系統(tǒng)在我國(guó)自主研發(fā)建造的全球首座10萬噸級(jí)深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)——“深海一號(hào)”上進(jìn)行了海上工程應(yīng)用,取得較好效果,為保障深海油氣開發(fā)中涉及的海管、立管、系泊錨鏈/聚酯纜等關(guān)鍵水下設(shè)備設(shè)施的安防提供技術(shù)手段。

上述安防系統(tǒng)采用水聲探測(cè)識(shí)別技術(shù),結(jié)合虛擬三維視景生成技術(shù),形成水下目標(biāo)、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、水中采油管線以及水面船只的相對(duì)分布關(guān)系,并基于水面船只、水中目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤,繪制連續(xù)三維軌跡,為海洋平臺(tái)安放區(qū)域內(nèi)水面船只停靠、水下蛙人侵?jǐn)_等外部安全防護(hù)提供了一種綜合式立體解決方案。秦皇島32-6安防系統(tǒng)在自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中,發(fā)現(xiàn)可疑船只在保護(hù)區(qū)域有拋錨意圖,觸發(fā)安全防護(hù)機(jī)制,系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 油田安防系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測(cè)效果圖Fig.14 Actual monitoring effect diagram of oilfield security system

如圖14所示,非注冊(cè)船只(編號(hào)27)?？吭贑EPJ至WHPG電纜附近40.9m處(東經(jīng)119.198367°,北緯39.116431°)。安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)該船只狀態(tài)后,自動(dòng)給出報(bào)警提示及現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)離警告,避免了船只拋錨導(dǎo)致海洋平臺(tái)附近的水下電纜被船只拋錨破壞風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)以中船、中電科、中國(guó)科學(xué)院,以及哈工程、西工大等科研院所為主,針對(duì)海洋平臺(tái)外部侵?jǐn)_風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,從單一的安防系統(tǒng)/裝備,到包含空中、水面和水下的立體式安防系統(tǒng)構(gòu)建方面,取得了較好的成果,并已經(jīng)在多個(gè)海洋油氣類海洋平臺(tái)完成工程應(yīng)用實(shí)踐。通過上述安防系統(tǒng)工程實(shí)施,獲得了海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),積累了豐富工程經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)海洋平臺(tái)安防技術(shù)與裝備的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用與展望

隨著小目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、水下主被動(dòng)聲吶技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)、目標(biāo)特征識(shí)別技術(shù)、數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理技術(shù),以及新材料傳感、新型水下航行體、海洋平臺(tái)等相關(guān)技術(shù)的日益成熟[13～16],未來,海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)將會(huì)由單一功能逐步完善,形成集偵測(cè)、識(shí)別,以及提醒警告、反制打擊多功能、多系統(tǒng)集合的安防系統(tǒng)。例如,結(jié)合島礁等海洋平臺(tái)的無人值守需求下的智能化特點(diǎn),展望其海洋平臺(tái)安防系統(tǒng),如圖15所示。

圖15 海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)展望示意圖Fig.15 Schematic diagram of the outlook for the security system of offshore platforms

受“北溪”事件影響,針對(duì)天然氣管道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的自主巡檢機(jī)器人逐漸受到各國(guó)重視,如圖16所示。水下管線自主巡檢機(jī)器人主要用于海底油氣管道、導(dǎo)管架、海底纜線,以及海洋油氣平臺(tái)海管、立管、系泊錨鏈/聚酯纜等關(guān)鍵水下設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)巡檢和安全查驗(yàn)。通常采用母船布放回收使用方式,可與母船實(shí)時(shí)通信(如水聲通信、水下等方式),且具有一定的搭載能力,如圖像聲吶、視頻傳感、電磁探測(cè)及多波束聲吶等。利用上述搭載設(shè)備可實(shí)現(xiàn)海底管線懸跨高度、長(zhǎng)度及埋設(shè)深度等相關(guān)參數(shù)測(cè)量,亦可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的探測(cè)和安全風(fēng)險(xiǎn)故障點(diǎn)定位等功能。另外,結(jié)合搭載的電磁探測(cè)設(shè)備及相關(guān)信號(hào)處理算法,可實(shí)現(xiàn)掩埋在海底的油氣管線、沉埋水下航行體探測(cè)和定位,具有廣泛的工程應(yīng)用市場(chǎng)。

圖16 海底油氣管線自主巡檢機(jī)器人工作示意圖Fig.16 Schematic diagram of the autonomous inspection robot for subsea oil and gas pipelines

因此,結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀,需針對(duì)水下油氣管線探測(cè)、識(shí)別與定位,復(fù)雜海況下航行體精準(zhǔn)控制,自主巡航路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、混合孿生、數(shù)字孿生[17]、元宇宙[18]等新理論和新算法的不斷驗(yàn)證與應(yīng)用,也給海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。比如,利用數(shù)字孿生技術(shù)將大量實(shí)際數(shù)據(jù)與模型結(jié)合,形成數(shù)字實(shí)體,經(jīng)反復(fù)迭代,可為實(shí)際工程提供更優(yōu)判斷,進(jìn)一步推動(dòng)海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì),優(yōu)化整個(gè)海洋平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)。結(jié)合多種數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的安防系統(tǒng)展望結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Expansion structure diagram of offshore platform security system

由于海洋平臺(tái)外部安防系統(tǒng)種類眾多,針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的側(cè)重點(diǎn)也不同,并且同一類海洋平臺(tái)工作環(huán)境也不盡相同,現(xiàn)場(chǎng)安裝與使用的側(cè)重點(diǎn)存在較大差異。目前,國(guó)內(nèi)尚未形成針對(duì)外部威脅的統(tǒng)一指導(dǎo)海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制,以及試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)。因此,未來海洋平臺(tái)外部安防系統(tǒng)將逐漸向多域智能化、體系化、標(biāo)準(zhǔn)化和制度化等方向發(fā)展。

6 結(jié) 論

本文著重從外部人為蓄意破壞的海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)視角,闡述其系統(tǒng)構(gòu)成、總體配置、功能參數(shù)、關(guān)鍵性能等部分,梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)安防系統(tǒng)/裝備和工程應(yīng)用情況。在分析當(dāng)前現(xiàn)狀和實(shí)際發(fā)展需求的基礎(chǔ)上,展望了海洋平臺(tái)外部安防系統(tǒng)的未來發(fā)展,為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和系統(tǒng)/設(shè)備研制提供技術(shù)參考。具體建議如下:

(1) 加強(qiáng)海洋平臺(tái)與配套外部安防系統(tǒng)/裝備之間的匹配設(shè)計(jì)。將海洋平臺(tái)安防系統(tǒng)/裝備納入新建海洋平臺(tái)總體設(shè)計(jì)中,形成布局合理、性能優(yōu)良的整體安防效應(yīng)。

(2) 加快海洋平臺(tái)外部安防行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。從模塊化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等實(shí)用需求出發(fā),參照《海洋環(huán)境安全保障平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系》[19]構(gòu)建海洋平臺(tái)外部安防標(biāo)準(zhǔn)體系,促進(jìn)行業(yè)規(guī)范、健康、快速發(fā)展。