光纤光栅周界入侵报警系统在石油罐区周界安防中的应用.pdf

谢 石油化 工安全环保技术 谢 P E T R O C H E M I C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 2年第 2 8卷第 6期 防 火 防 爆 光纤光栅周界入侵报警系统在石油罐区 周界安防中的应用 刘 利 中国石油天然气股份有限公司广东石化分公 司，广东 揭 阳 5 1 5 2 0 0 摘要 周界安全防范技术能够对重要能源设施进行保护 ，避免 出现盗窃和恶意破坏的行 为。介绍了一种基于光纤光栅振动传感技术的周界入侵报警 系统，它通过布设在防护网上的 振动光缆感知外界扰动信息，根据不同激励行 为下的时变波长信号的典型特征 ，采用时域信 号 包络分析技术，实现了对多种入侵行为的模 式识别。通过 多个周界安防工程案例表 明该入 侵报警系统具有入侵模式识别能力和较低的误报率，对环境中的风雨等气象因素不敏感。 关键词光纤光栅振动传感器 包络分析光纤周界 随着我国工业化进程 的高速发展 ，对能源的 需求越来越大，众多新建输油管线和储油输油站 点的防护安全问题越来越多地 引起政府相关部门 的重视。为了保证石油供 给线 的安全畅通 ，石油 部 门对各输油管线及油罐区域加强实施 了系列防 护措施 如布设 防护 网、新建护栏围墙等 ，实现 对油气管线及油罐 区域的隔离及防护。但 由于新 建的油气管线及储油输油站点数量巨大 ，分布区 域较为广 阔，尤其是处于边境线处 的设施极易受 到国际国内恐怖分子 的恶意破坏 ，由此诱发事故 的经济损失是巨大的，也容易造成恶劣的政治影 响。简单的物理防护手段 已成为当前危及能源安 全的一大隐患。因此有必要对涉及石油能源设施 的周界区域进行实时监测 “ 。 由于周界入侵报警系统所需要处理的防范对 象十分复杂 ，并且受地形 、气候、安装 等多方面 因素的制约，因此对技术水平 的要求很高 。目前 在周界入侵报警领域 内，虽然高压脉冲电网、视 频影像监控、微波振动电缆和激光红外对射等传 统技术 占据市场主流，但其均属于较低安全级别 的区域型周界入侵报警技 术 ，存在能源消耗高 、 误报率高、定位精度低、耐候能力差等诸多缺 点 ，难以满足重要能源设施 、政府机关核心部门 和机场、银行 、别墅等特殊场所较高级别安防的 需求 。由于传统周界入侵报警 系统受技术发展水 平限制，存在诸多功能缺陷，已难以满足信息时 代对周界入侵报警系统所提出的更高要求 J 。 文中提 出了一种基于光纤光栅振动传感器 ， 能够对石油罐 区及输油管线周界进行人侵报警的 智能化周界安 防系统。该系统采用时域包络信号 特征分析方法 ，对外界扰动信号进行有效 的模式 识别及报警 处理 ，从 而能够对 入侵行 为准确 报 警 ，而对风雨等 自然界的气象条件不敏感 ，受天 气因素影响小。 1 系统传感原理及构成 光纤光栅周界人侵报警系统基于光纤光栅传 感原理 ，利用光纤光栅当受到外界振动或应力 作用 ，其反射波长随之发生变化的特性 ，确定待 测外界振动或应力的变化。当光信号输送进光纤 时，外界的各种扰动会引起光纤光栅 的特征反射 波长发生变化 ，后端的光纤光栅信号处理器接收 到光信号的变化 ，对其进行解调 ，系统软件进行 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 2 。 作者简 介 刘 利，男，1 9 9 3毕 业于华北 石油 学校 自 动化仪表专业，2 0 0 9年毕业于北京科技大学远程教 育计算机专业，长期从事储运码头专业 D C S 、储运调 和及储运移动控制、罐 区仪表控制、火车和汽车装 车、码头装卸船等工作，工程师。E m a i l l i u l g d p e t r o c h i n a ． c o rn． c n 2 0 1 2年第2 8卷第6期 谢 刘 利 ．光纤光栅周界入侵报警系统在石油罐区周界安防中的应用 案 识别判断，并发出入侵报警信号。光纤光栅振动 传感器的结构如图 1所示 。 单模光纤 光纤光栅 蓐锤 会属外壳 模光纤 图1 光纤光栅振动传感器结构示意 设重锤质量为 IT I ，光纤 光栅 特征波 长为 入 ， 外界振动加速度为 a ，则光纤光栅特征波长的变 化量 △ 入与外界振动加速度信号的关系为 AXK1T I a 1 根据公式 1 可知 ，重锤 的质量越大 ，振 动 加速度越大 ，则光栅 的特征波长变化量越大。式 中K为传感器灵敏度系数，该系数与传感器的结 构常数有关。 在实际应用 中，需要将上述的各个光栅振动 传感器进行串联 ，形成一根根的振动光缆 ，再将 振动光缆布设于周界 围栏上 。典型的光纤光栅周 界入侵报警系统构成如图 2所示。 l 安装于周界护 t l _ _ 凋 仪表吲 J ＼ ．1 报警软件界面及I I 的多条振动光缆 l 号 处理 f l 各辅助功能模块l 图 2 光纤 光栅 周界 入侵报警 系统 结构 2 系统软件报警策略及时域包络信号处理算法 在运行中光纤光栅周界入侵报警 系统需要对 采集到的传感器网络振动信号进行分析，通过信 号处理器输出准确的报警信息。在执行时 ，周界 系统的报警策略按 图 3所示 的逻辑关系进行。信 号处理单元首先求解波长信 息的包络 ，再提取各 种包络参量以及对包络信号奇异性分析 ，通过 比 较环境因素和人为入侵引起光纤光栅 的振动模式 的各种特征参量，进行振动模式识别，过滤风雨 环境 因素所造 成 的系统误报 ，并 准确输 出报 警 信息 。 传感器信号处理流程 1 数据预 处理。去除信号 中的直流分 量 ， 主要 目的是消除温度变化对测量结果的影响 。 2 进行 Hi l b e r t 变换 ，提取包络信号并做包 络图。提取包络信号 的特征值 能量 因子、能量 变化 率 、L i p s e h i t z常 数 、裕 度 系 数 、峭 度 系 数 等 ，并作特征图。如图 4 、5、6所示。 3 根据包络信号特征参数进行阈值参数判 时变波长数据获取 数据 预处理 信息包络信 息提取 包络信 息特征计算 信号模 式识别 与报警信息输 出 图 3 传感器信号处理流程 断 ，进行信号模式识别 ，输出准确报警信息。 2 ． 1 H i lb e r t 包络算法简介 ] H i l b e r t 变换是一种将 时域实信号变为时域解 析信号的方法。变换所得 的解析信号 的实部是实 信号本身，虚部是实信号的 H i l b e r t 变换 ，而解析 信号的模 即是实信号的包络。 一 个实信号 t 的希尔伯特变换定义为 f d 2 T 由 ￡ 及其希尔伯特变换 ￡ ，可 以构成 信号 t 的解析信号 z t z J ． t 3 解析信号 z t 的模 即为实信号 t 的包 络 信号。 2 ． 2 时域包络参数的提取 。 在获取实信号的包络信息后 ，需要提取该包 络信号的多个特征参数 ，例如 能量因子 、能量 变化率 、峭度 因子、裕度 因子等。这些特征参量 从不同层面反映了包络信 号的统计特征和时变特 性，能够反映不同扰动行为的信号特征。 1 能量 因子定义为能量和能量平均值的 比 值 ，反应能量 的变化。 2 能量变化率定义为单位时间 内的能量变 化 ，反应能量变化 的快慢。 3 峭度 K u r t o s i s 是反映振动信号分布特 性的数值统计量 ，是归一化的 4阶中心矩 。 4 式 中 为信号值 ； 为信号均值 ；N为采样 长度 ； 6 为标准差。 瓷 石油化工安全环保技 术 蹙 2 0 1 2年 第2 8卷第 6期 4 裕度系数 D是评估系统稳定性程度 的特 征参量。 D 5 式中 为峰值， 为方根均值。 2 ． 3 包络信号的奇异性分析 信号奇异性反映 了信号的不规则程度 ，局部 奇异性特征是用 L i p s c h i t z 奇异常数来描述和衡量 的。奇异性指标越小 ，信号越规则 ；奇异性指标 越大 ，信号越不规则。如果通过大量的实验统计 出每一种振动的奇异性指标 ，就可 以对光纤光栅 振动信号模式进行识别 ，屏蔽环境 因素对系统性 能的影响。 L i p s c h i t z 奇异 常数 定义 对 函数 Y- 厂 ， 定义域为 D，如果存在 L∈R，对任意 。 ， ∈D， l - f X 2 l L l 一 l ， 称L为八 在D 上的 L i p s c h i t z 常数。如果 Y-厂 在定义域 D上 可导， 就可以取．厂 的一个上界 ，即 I 一 ， l l-广 一 x 2 l L l 一 l 6 3 周界系统性能测试结果 为了进行系统性能测试 ，选取 l 0 0 0 m长的 一 段周界护栏搭建试验场景。试验 中光纤光栅振 动传感器的分布间距为 1 2 m一个 ，每根振动光缆 篁 婆 上串有 2 0个传感器 ，则单根振 动光 缆的长度在 2 4 0 IT I 左右 。现场 1 0 0 0 m长的周界需要布设 4根 振动光缆。通过采样率为 1 0 0 H z的光纤光栅解调 仪表获取光栅特征波长变化信息 ，在控制内安装 信号处理计算机进行数据分析与报警功能演示。 通过对测试 系统进行 多种激励 行为测试 风雨 、 攀爬等 ，以验证系统的报警性能。 如图4 、5所示 ，风雨条件引起的振动信号和 人为人侵引起的振动信号的包络信号存在显著区 别。两类包络信号在能量因子、能量变化率 、裕 度系数、L i p s c h it z 常数、峭度系数等特征参数上 存在明显的差异 ，通过设定特征参数 阈值的方式 可以进行模式识别 。根据多次试验测试数据 ，选 取各特征参数的典型阈值 ，如表 1 所示。 表 1 包络特征参数 的阈值设置 能量 因子 能量变化率 裕度系数 峭度系数 L i p s c h i t z 常数 5 2 ． 0 O E 0 4 2 0 1 2 0 1 4 0 利用表 1中 的包 络特 征 参数 的 阈值 设 置 ， 可进行人 为入侵和风雨 模式 的识 别。如果 5个 参数 中有 3个参数被满足 ，即有 3个特征参数的 取值大于表 中的阈值指标 ，则该样本输 出报警 。 系统判断该样本 为应该输 出报警信 息 的主动 入 侵 行 为 ，否 则 为 风 雨 环 境 扰 动。实 验 结 果 见 表 2 。 l 0 善8 6 4 2 尝 0 j 型 婆 0 ． H一． ． 士． H⋯ 壬 至 鬻 壬 善 孽 善 董 L I l l r、 JI I l { I 40 3O 20 1 O 0 5 00 4 00 30 0 2 0 I I 1 ．三 誊 毫 0 2 0 4 O 6 O 8 O 1 O O l 2 0 1 4 0 1 6 O 采样点 I I ⋯ 卜 }一 ⋯ 常 数 -一 } t { ⋯ } 盯 ⋯ } ～ ⋯ 一 ⋯ ．点0 ； 毙 ． j ⋯ ． ． j ⋯ ⋯ j ． j ⋯ l 一 { 0 i ⋯ O 2 O 4 0 6 O 8 O 1 0 0 l 2 O 1 4 0 l 6 0 图 4 人为入侵条件下信号处理 簧 刘 利 ．光纤光栅 周界入侵报警 系统在石油罐 区周界安防 中的应用 谢 2 o 0 1 5 0 ㈣ 目5 0 婆 O 婆 蚓 婆 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 1 2 0 0 l 4 0 0 l 6 0 0 采样点 采样 点 臻 撼 婆 2 0 l 5 1 0 一 l 5 O o o 5 0 鼗 O O 2 0 4 0 6 O 8 O l 0 O 1 2 O 1 4 0 1 6 O 采样点 图 5 风雨环境 引起 的振动光栅信号处理 表 2 入侵模式识别效果统计分析 振 动模式 测试次数 识别次数 识别率 入侵行 为 1 0 o 1 0 0 1 o o ％ 风雨环境 l o o 9 9 9 9 ％ 风雨 入侵 行为 1 O 0 1 0 0 1 O H D ％ 如表 2所示 ，为了进行系统性能测试和指标 验证 ，进行了 1 0 0次人为主动入侵试验，根据上 述信号处 理算 法，均能够实 现准确的报警输 出， 识别率 为 1 0 0 ％ ，该 指标证 明系统 不存在 漏报 ， 能够准确响应入侵行为。同时为验证风雨环境下 系统是否有误报输 出，在有风雨天气时进行了测 试实验 ，获取了 1 0 0组风雨天气下 的数据样本信 息，通过包络特征提取算法，证实了系统能够对 风雨环境免疫 ，1 0 0条样本数据有 9 9条能够被算 法滤除，识别率为 9 9 ％ 。最后在有风雨 的天气进 行了人为攀爬翻越测试实验 ，1 0 0条测试样本 均 能够 1 0 0 ％报警 ，可见系统能够在风雨环境下 正 常工作 。 4 结语 该光纤光栅周界入侵报警系统 以光纤光栅振 动传感器为基础 ，通过解调仪表获取时变波长信 息 ，利用不 同激励模 式下 时变 波形 信号 的差异 性，采用时域包络信号特征分析算法对信号特征 进行提取 ，并将此作为人侵模式识别 的依据。通 过大量的实际现场测试 ，对不同扰动模式下的信 号进行 了采集及数据分析。实验结果表 明，系统 能够识别攀爬 、晃动 、敲击等多种主动人为入侵 行为并输出报警信息 ，而对于风雨等气象因素引 起的扰动信号能够加 以屏蔽 ，极 大地降低了系统 的误报率指标 ，切实提高了周界入侵报警系统 的 可靠性 ，使之能够更好地满足石油罐区的周界 防 范需求。 参考文献 [ 1 ] 闰奇众 ，光纤传感周界入侵防范 系统技 术 现状 及 市 场前 景 浅析[ J ] ．烽 火科 技 ， 2 0 1 2 1 ，l 7 2 1 ． [ 2 ] 刘波，杨 亦飞，牛文成，等 ．光纤围栏技 术特点及研 究现状 [ J ] ．光子技术 ，2 0 0 4 42 0 8 2 1 3 ． [ 3 ] J u a r e z J ． C ． ，Ma i e r E ． W． ，K y o o N a m C h o i ， T a y l o r H． E．Di s t r i b u t e d fi be r o p t i c i n t r u s i o n s e n s o r s y s t e m [ J ] ．J o u rna l o f L i g h t w a v e T e c hn o l o g y， 2 0 0 5， 2 32 0 81 - 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