Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1. Введение в проблему 11
1.2. Технология несанкционированного подключения к продуктопроводам 12
1.3. Обнаружение локальных повреждений оболочки трубопровода. Обзор 16
1.4. Постановка задачи исследования 25
2. Модели сигналов «подключения к трубе» 27
2.1. Экспериментальная база исследований 27
2.2. Особенности распространения в оболочках трубопроводов акустических колебаний ударного происхождения
2.3. Определение максимального расстояния «датчик-злоумышленник» 52
2.4. Математические модели сигналов от ударных воздействий на трубу 56
2.5. Исследование акустических сигналов «сверление» 59
Выводы 66
3. Исследование акустических сипіалов оболочки трубопровода. Модель «шума»... 68
3.1. Выбор расстояния между НС и точкой регистрации сигналов при fiq построении модели шума оболочки трубы
3.2. Модель акустического шума оболочки действующего трубопровода 78
3.3. Влияние технологических параметров работы трубопровода на шумовые R(-
характеристики трубы
Выводы 92
4. Алгоритмы обнаружения несанкционированных подключений к трубопроводам .. 94
4.1. Обнаружение сигналов ударного происхождения 95
4.2. Обнаружение и распознавание «неизвестных» сигналов 104
4.3. Локализация источника акустических сигналов при несанкционированных подключениях к трубопроводам
4.4. Методика построения автоматической системы контроля несанкционированного доступа к трубопроводам
Выводы 128
Заключение 130
Список использованных источников 132
Приложение 1 144
Приложение 2 145
Приложение 3 146
Приложение 4 147
- Технология несанкционированного подключения к продуктопроводам
- Особенности распространения в оболочках трубопроводов акустических колебаний ударного происхождения
- Модель акустического шума оболочки действующего трубопровода
- Обнаружение и распознавание «неизвестных» сигналов
Введение к работе
Действующая в настоящее время сеть трубопроводов лидирует среди всех видов транспорта по производительности, грузообороту, дальности доставки и себестоимости перекачки углеводородного сырья. С помощью трубопроводов в России транспортируется более 96% нефти и газа, протяженность транспортной трубопроводной сети достигает -200 тыс.км.
[1].
Наибольшую угрозу для региональных и мировой экономик таит в
себе надёжность работы трубопроводов - самого уязвимого звена на пути продуктов от буровой скважины до бензобака автомобиля. Речь идёт о нерешённости проблемы по безопасной доставке транспортируемых продуктов.
Социальная напряжённость между разными государствами и слоями населения продолжает возрастать. Противостояние «бедных» и «богатых» неизбежно выливается во взаимную агрессию, наблюдаемую в наши дни. Появился термин «международный терроризм». Сегодня террористы применяют изощренные способы уничтожения зданий и людей. Но есть возможность нанести ощутимый урон государству, разрушая топливно-энергетическую отрасль, которая является «кровеносной» системой современного развитого государства. К объектам приоритетной значимости в ТЭК относятся:
нефтегазоперерабатывающие заводы;
электростанции;
хранилища углеводородов;
нефтегазопроводы.
Первые три из них имеют наивысшую степень охраны (в состав охранения входят даже комплексы ПВО). Иначе дело обстоит с
трубопроводным транспортом углеводородов ввиду его огромной протяжённости.
Трубопроводы являются удобной мишенью для террористов, так как невозможно определить, когда и в каком месте может быть нанесён удар. Из-за таких угроз, например, долго не функционировал экономически выгодный для Азербайджана, Грузии и Турции трубопровод «Баку-Тбилиси-Джейхан», который проходит по территории нестабильной Грузии.
Следует, наконец, обратить внимание на обсуждение в литературе последствий подрыва нефтегазопроводов террористами (диверсантами). Реализация таких операций не сопряжена с большими трудностями, а последствия терактов заставляют задуматься о создании системы безопасности нового поколения для используемых технологий перекачки углеводородов.
Помимо проблемы обеспечения безопасности на транспортных системах доставки газа и нефти потребителю, существует ещё одна специфическая проблема, приобретающая масштабный характер. Речь идет о хищениях нефти и нефтепродуктов из трубопроводов. На линейных участках магистральных трубопроводов ежегодно фиксируются сотни случаев незаконных подключений с целью хищения нефти и нефтепродуктов. Мероприятия по предотвращению незаконного доступа к трубам третьих лиц, проводимые службами безопасности нефтегазотранспортных компаний, не приносят положительного результата. Кражи продукта из трубы и диверсионные акты продолжаются и имеют положительную динамику [2].
Для противодействия этим угрозам создаются системы обнаружения и локализации мест нежелательных действий злоумышленников на трассах трубопроводов. В качестве примера можно привести систему,
разработанную фирмами «Procesni Automatizacni Systemy» (Чехия) и ООО «НПА Вира Реалтайм» (Россия). По результатам анализа изменения давления продукта в трубе на всём её протяжении делается вывод о наличии или отсутствии в оболочке трубы сквозного повреждения. Данная система успешно прошла отраслевые испытания и внедрена в ОАО «Сургутгазпром». С ее помощью обнаруживаются утечки через отверстия площадью 1,75 кв. см. и более при диаметре трубопровода 530 мм и рабочем давлении в начале трубопровода 2 МПа, с усредненной точностью обнаружения места отверстия в пределах 100 м [18].
Главным недостатком таких систем является низкая эффективность регистрации незаконных подключений к трубе, а также способность фиксировать только уже свершившиеся события без возможности их предотвращения.
На сегодняшний день не существует эффективных технических способов своевременного обнаружения и локализации проводимых злоумышленниками работ на трубопроводе. В нефтегазовой отрасли остро встала проблема обеспечения безопасного функционирования сетей продуктопроводов. Отсутствие действенных технологий обнаружения' опасностей на трубопроводах влечёт за собой постоянно увеличивающиеся потери транспортных компаний. Часто это приводит к невозможности транспортировки углеводородов через некоторые территории. Поэтому становится актуальной задача разработки технологии обнаружения и локализации подготавливаемых терактов и противоправных действий криминальных групп на продуктопроводах.
Целью работы является получение ответа на вопрос о практической возможности создания системы контроля целостности трубопроводов на основе анализа акустических сигналов, возникающих в оболочке трубы при взаимодействии с орудиями злоумышленника.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать законы распространения акустических сигналов (вызванных орудием человека) в металлической оболочке трубы при протекании по ней жидкости под давлением;
определить, на каком максимальном расстоянии от регистрирующей аппаратуры до точки возбуждения акустических колебаний в оболочке трубы возможно обнаружить сигнал «взаимодействия»;
выяснить, как влияют на процесс принятия решения о наличии «вторжения» собственные шумы работающего трубопровода, обусловленные технологическим режимом перекачки жидкости, а также механическими дефектами в узлах насосных агрегатов;
разработать принципы и алгоритмы обнаружения и определения координат источников акустических сигналов и оценить достоверность результатов их работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Получено математическое выражение, описывающее изменение энергии импульсных акустических сигналов при их распространении в металлической оболочке действующего неизолированного трубопровода;
Выявлены закономерности изменения во времени мгновенной «доминирующей» (с максимальной амплитудой в спектре) частоты акустических сигналов, возникающих в оболочке трубы при различных воздействиях на неё (удар, сверление);
Установлена функциональная связь между расстоянием, на которое распространился сигнал ударного происхождения в оболочке трубы и интервалом времени от момента появления сигнала до момента достижения им максимальной амплитуды;
Предложен способ определения координаты источника сигнала на трассе трубопровода с помощью одного преобразователя акустических сигналов;
Построена математическая модель, связывающая дисперсию фонового акустического шума в оболочке трубопровода и расход жидкости через сечение трубы с учётом расстояния между станцией и измерительным преобразователем.
Практическая ценность работы состоит в том, что получены оценки по дальности и надёжности обнаружения сигналов «врезки» в трубопроводы и даны практические рекомендации по архитектуре построения автоматических сторожевых систем.
Внедрение результатов работы. Результаты проведённых исследований являются составной частью хоздоговорной научно-исследовательской работы, выполненной в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск). Основные результаты работы внедрены в учебном процессе в рамках дисциплины «Случайные процессы» на кафедре «ИБ» в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических семинаров и конференций, среди них, в частности:
Международный форум по проблемам науки, техники и образования. Москва, 2002 г.;
Научно-практическая конференция «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе». Омск, 2003 г.;
Научно-практическая конференция «Межрегиональный информационный конгресс МИК-2004». Омск, 2004 г.;
IX международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях». Воронеж, 2004 г
10th Jubilee International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern techniques and technologies MTT' 2004». Томск, 2004 г;
Научно-техническая конференция «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века». Омск, 2006 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе монография (в соавторстве), отчёт по НИР (в соавторстве), 6 докладов на конференциях и 4 статьи (из них 2 - в журналах из Перечня ВАК).
Структура и объём работы.
В первой главе представлен аналитический обзор работ, освещающих проблемы обнаружения несанкционированных подключений к продуктопроводам. Проанализированы возможности использования для этих целей идей по обнаружению утечек продукта при наличии сквозных отверстий в трубе. Сформулирована постановка задачи исследований, ориентированной на создание нового метода раннего обнаружения подключений на стадии подготовительных работ. Предложено для этих целей опереться на информацию, переносимую акустическими колебаниями в оболочке трубы.
Во второй главе решается вопрос создания математических моделей сигналов от умышленных воздействий на трубопровод. Изучены особенности распространения акустических сигналов в металлических оболочках экспериментальных труб, предложены подходы для разработки эффективных алгоритмов обнаружения сигналов «подключения» к объекту исследования.
В третьей главе описываются результаты исследований шумов действующего трубопровода - фона, на котором необходимо обнаружить сигнал «подключения». Эта часть работы сводится к созданию математической модели фоновых колебаний. Модель необходима для оценки эффективности предлагаемых решений по обнаружению сигналов несанкционированных подключений к трубе и технологических неисправностей.
В четвёртой главе рассмотрена задача обнаружения сигналов, на фоне шумов работающего продуктопровода. В основу ее решения положены идеи «корреляционного приемника», спектрального оценивания и «разладки случайного процесса». По результатам исследования предложенных алгоритмов обнаружения несанкционированных воздействий на трубу, сделан вывод о целесообразности внедрения предложенной технологии в практику для обеспечения безопасности трубопроводного транспорта от нового вида угроз.
Основные положения, выносимые на защиту
Математические модели акустических сигналов, возникающих в металлической оболочке трубопровода при различных видах воздействий на неё (удар, сверление).
Модели регистрируемого акустического шума в оболочке действующего трубопровода с учётом расстояния между станцией и измерительным преобразователем.
Алгоритмы обнаружения и локализации мест несанкционированного доступа к продуктопроводам с использованием одного измерительного акустического преобразователя.
Архитектура систем контроля целостности трубопроводов и обнаружения несанкционированных работ по врезке в трубу.
Технология несанкционированного подключения к продуктопроводам
Особенность несанкционированных подключений к работающим продуктопроводам заключается в том, чтобы незаметно произвести врезку в трубу специальных вентилей, через которые можно периодически производить отбор продукта из трубы. При сооружении стационарных пунктов отбора продукта из трубопровода проводится их тщательная маскировка. Небрежность в проведении маскировочных мероприятий позволяет зарегистрировать подобные пункты отбора углеводородов. Известен случай, когда удалось обнаружить подземное хранилище бензина (3 железнодорожных цистерны) рядом с бензопроводом. При обходе участка трассы сотрудники службы безопасности заметили, что трава на одном из участков залегания трубы растёт несколько под другим углом. Преступники, врезав в трубу вентиль, неправильно уложили над местом подключения срезанный дёрн, и поэтому удалось обнаружить место несанкционированного подключения к продуктопроводу.
Множество выявленных случаев краж нефтепродуктов из продуктопроводов показало, что злоумышленники для установки вентилей на трубе пользуются в основном двумя методиками: с применением контактной сварки и без неё.
Применяя газо(электро)сварку, удаётся установить кран на трубе при незначительном удалении грунта. При этом требуется оголить часть трубы площадью всего в несколько квадратных дециметров.
После снятия с трубы изоляции (если она имеется) с помощью сварки на ней крепится заранее подготовленный шаровый кран, ввёрнутый в стальной штуцер-удлинитель длиной от 10 до 15 см. Сваркой соединяют поверхность трубы со штуцером. Затем кран переводится в состояние «открыто», чтобы обеспечить через его отверстие доступ сверла (или фрезы) к поверхности трубы, и производят сверление. Далее закрывают задвижку, протягивают шланги в удобное для подъезда автотранспорта место. Для сокрытия следов своего пребывания лишний грунт уносится, дёрн аккуратно укладывается на место.
Второй способ (без применения сварки) более трудоёмкий, требующий значительного удаления околотрубного грунта, но такую операцию может провести один человек. Исключение из технологической цепочки сварочного аппарата значительно снижает риск для жизни злоумышленника. Вместо сварки для удержания вентиля на трубопроводе применяется хомут.
Установить такой вентиль на трубе может один человек. Его масса вместе со всем другим необходимым оборудованием не превышает 70 кг. Основные признаки, дистанционно регистрируемые при незаконном подключении к трубопроводу - «сполохи» и звуковые сигналы от сверления, сварки, акустические импульсы, распространяющиеся по трубе при ударах по ней, неизбежно возникающих при сборе конструкции и удалении грунта и изоляции. Косвенные признаки: истекание продукта при его отборе из трубопровода, нарушение тепловой картины подстилающей поверхности в месте установки «отборочного устройства». На использовании перечисленных признаков предлагались и разрабатывались методы обнаружения несанкционированных подключений к продуктопроводам. Все они базируются на выявлении последствий от нарушения целостности трубы: истечении перекачиваемого продукта.
Основные результаты, полученные на этом направлении и опубликованные в литературе, рассматриваются ниже.
Предложенные методики обнаружения локальных повреждений оболочки трубопровода в основном базируются на выявлении последствий от нарушения целостности трубы: истечении перекачиваемого продукта [15] и деформаций теплового поля подстилающей поверхности [45].
Обращают на себя внимание (с точки зрения ожидаемого эффекта и внимания, оказываемого им) следующие методы и их модификации: акустический метод; лазерный газоаналитический; метод «математического моделирования»; импульсный электромагнитный.
Особенности распространения в оболочках трубопроводов акустических колебаний ударного происхождения
Исследования проводились на открытом надземном трубопроводе диаметром трубы 800 мм. Перекачиваемый продукт - вода. Давление в трубе от 6 до 10 атм. Расстояние от насосной станции до места крепления измерительных преобразователей изменялось в зависимости от целей эксперимента. Акустический сигнал, воспринимаемый датчиками, подавался на блок усиления (0 - бОдБ), проходил через 12-ти разрядное, 2-х канальное АЦП (производства фирмы «Instrumental System») и записывался в персональный компьютер в режиме реального времени через интерфейс обмена PCI. Частота дискретизации сигнала составляла 15 кГц.
Для решения поставленной задачи (определения максимального расстояния, при котором возможно обнаружение и локализация контакта злоумышленника с трубой), проводилась аппроксимация экспериментальных данных, энергия сигналов от других точек трубы находилась интерполяцией и экстраполяцией.
Чёрной сплошной жирной линией обозначена огибающая временного сигнала, зарегистрированного аппаратурой. Сечения огибающей сигнала по временным срезам представлены на рис. 2.16. Заметна значительная неравномерность убывания уровня сигнала по одинаковым временным срезам.
Анализ планшетной диаграммы полученной Зб-модели (т.е. её проекция сверху) показывает (см. рис. 2.17), что при прохождении некоторого расстояния по оболочке трубы акустический сигнал претерпевает нелинейные изменения во временной плоскости. Максимум амплитуды импульса сдвигается во времени от момента появления сигнала в зависимости от расстояния до удара по некоторому параболическому закону. Причём с увеличением расстояния от датчиков до точки возбуждения сдвиг во времени увеличивается.
В связи с тем, что основная энергия сигнала на локальном временном участке сдвигается (от начала появления этого сигнала) во времени по некоторому нелинейному закону, точное прогнозирование интенсивности импульсов по временным сечениям затруднено.
Для проверки отмеченного эффекта нелинейности был проведён ещё один эксперимент на другом трубопроводе. Возбуждение акустических колебаний в трубе производилось уже с помощью падающего на неё с одинаковой высоты груза.
Нелинейный характер запаздывания максимальной амплитуды в сигнале при прохождении им некоторого расстояния по оболочке трубопровода подтвердился. Наряду с этим была выявлена ещё одна особенность: при увеличении расстояния до датчиков количество локальных максимумов в импульсе увеличивается. То есть, концентрируясь в момент возбуждения в одном импульсе, энергия сигнала распадается во временной плоскости на отдельные участки сосредоточения.
Планшетная диаграмма трёхмерной поверхности, демонстрирующая эффект расслоения сигнала, приведена на рис. 2.18. Из рисунка видно, что с увеличением расстояния до удара количество локальных (во времени) максимумов в сигнале увеличивается (в данном случае до трёх).
Для окончательного подтверждения выявленных особенностей распространения акустических колебаний, вызванных ударной нагрузкой, был произведён следующий опыт: удар по трубопроводу был нанесён на удалении 1500 м от места установки датчиков. Эффект «расслоения» сигнала при этом подтвердился и проявился наиболее отчётливо. Причины такой неравномерности временных срезов акустических сигналов известны. Во-первых, акустическое колебание (фронт волны) от точки возбуждения расходится во все стороны и может отражаться от элементов конструкции трубы. Значит в данную точку поверхности трубы (на датчик) один и тот же сигнал прейдёт в разное время. Но в данном случае это явление не объясняет эффекта расслоения сигнала, поскольку «обернувшаяся» или отражённая волна не может по своей мощности превосходить основной фронт, пришедший к датчику по прямой геодезической линии.
Эффект «расслоения» сигнала в металлической оболочке трубы обусловлен явлением дисперсии скоростей распространения колебаний [8, 56]. Оно заключается в том, что скорость волны Лэмба в твёрдом слое (пластине) изменяется в зависимости от её частоты. То есть существуют такие понятия, как групповая и фазовая скорости распространения волн в средах.
Для проверки и детального изучения этого явления в случае распространения акустических колебаний ударного происхождения в оболочках трубопроводов были использованы данные, полученные в предыдущих опытах.
Сигнал от удара состоит из суммы мод различной частоты. И каждая из них имеет свою скорость распространения в оболочке продуктопровода, которая будет постоянно меняться в силу изменчивости параметров слоя (толщина стенок трубы из-за коррозии и вмятин постоянно меняется, в металле присутствуют пустоты и инородные вкрапления и т.д.). Наиболее чётко особенности этого явления можно увидеть при значительном расстоянии от точки возбуждения до приёмника.
Модель акустического шума оболочки действующего трубопровода
Построение математической модели акустического шума оболочки продуктопровода необходимо для оценки эффективности предлагаемых алгоритмов обнаружения моментов и распознавания причин возникновения отклонений от нормы параметров акустического поля оболочки трубы. Учитывая данные по средней частоте причин, изменяющих структуру акустического фона в трубе, формирование моделей шумов для стационарных режимов работы трубопровода (между соседними разладками) будем проводить для участков кривой шумового процесса, длительностью не менее десятков секунд.
В предыдущем параграфе был сделан вывод о том, что построение математической модели акустического шума оболочки продуктопровода нужно проводить для сигналов, снятых в «дальней зоне», где влияние дефектов насосов отсутствует. Поэтому серия экспериментов была поставлена на том же трубопроводе при удалении регистрирующих датчиков на расстояние 1500 метров от перекачивающей станции.
При построении математической модели шума необходимо, прежде всего, провести проверку процесса на стационарность, которая подразумевает оценку стабильности во времени его спектральной плотности, дисперсии и математического ожидания. Интервал времени оценивания при заданном технологическом режиме НС выбирался равным 10 с. Оценка параметров производилась по исходным данным с применением процедуры «скользящего окна» с последовательным единичным сдвигом т. На каждом шаге информация заносились во временный массив («окно» - его размер составлял 8192 значений, что удобно для расчёта БПФ). По этим данным проводилась оценка дисперсии (бхт), математического ожидания (Мхт) и спектральной плотности (SXT).
Параметры акустического шумового процесса в оболочке трубы практически не изменяются во времени. Этот факт свидетельствует в пользу того, что исследуемый шум стационарен в пределах 10 с. Гистограммы, рассчитанные для последовательно (по времени) измеренных математического ожидания и дисперсии шума, приведены на рис. 3.9. Из рисунка видно, что плотность распределения вероятностей математических ожиданий и дисперсий по выборкам практически подчинена нормальному закону. Полученные результаты анализа шумового процесса свидетельствуют о том, что исследуемый акустический шум оболочки работающего трубопровода (при расстоянии между НС и датчиком 3500 м) является стационарным на исследуемом интервале времени 10 с.
Для оценки гипотезы о нормальном законе распределения акустического шума был использован критерий %. Результаты оценки подтвердили выдвинутую гипотезу на уровне доверия р=0,99. Исследования других временных выборок процесса дают аналогичные результаты.
Таким образом, подтверждены все необходимые условия стационарности акустических колебаний в оболочке трубопровода при установившемся технологическом режиме при отсутствии вмешательства извне. Этот факт позволяет приступить к построению математической модели акустического шума в виде аппроксимирующей кривой для автокорреляционной функции, заданной аналитическим выражением. Па рис. 3.11 представлена автокорреляционная функция акустического шума, записанного в течение 1 с. В качестве функциональной зависимости значений корреляционной функции от задержки т была использована экспоненциальная функция с отрицательным аргументом. о О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 180 200 Задержка, отсчеты Рис. 3.11. Автокорреляционная функция акустического шума Подбор коэффициентов в уравнении производился по следующему алгоритму: По выбранному моменту времени производится позиционирование указателя в файле с данными акустического шума; Строится автокорреляционная функция процесса; Выбираются коэффициенты в уравнении модели шума и границы для их изменений; Производится итеративный подбор значений коэффициентов; На каждом шаге проводятся операции оценивания коэффициентов. Критерием выбора наилучшего коэффициента из ряда просчитанных является максимальное значение энергетического соотношения исходного процесса и его модели при условии нормальности остатков; Итерации продолжаются до тех пор, пока не будет найдено наилучшее значение в определенном диапазоне возможных. Графики экспериментально полученной автокорреляционной функции и подобранной для неё модели приведены на рис. 3.12 в увеличенном масштабе. Уравнение модели имеет вид: й(г)=е"" (3.2) Данная модель была протестирована на 50 временных интервалах в течение длительного промежутка времени при одном и том же технологическом режиме. Отклонения реализаций Щт) от модельной (3.2) не превышало 2%. При работе трубопроводной системы в установившемся технологическом режиме на удалении 1,5 км от насосной станции акустический шум оболочки трубы довольно точно описывается моделью (3.2). Количественная оценка её адекватности проводилась следующим Увеличенный масштаб Задержка т, отсчёты 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Рис. 3.12. Автокорреляционная функция и её математическая модель Были проанализированы «остатки» - разности значений функции и модели в каждой точке. Гипотеза о нормальности плотности распределения вероятностей, аппроксимирующей гистограмму для остатков представляется справедливой.
В предыдущем параграфе была построена математическая модель акустического шума оболочки работающего трубопровода для одного режима. Однако осталось неисследованным влияние режимов работы насосной станции на параметры шума.
Для снятия этого вопроса параллельно с регистрацией уровня акустических шумов на поверхности оболочки трубопровода фиксировались давление жидкости в центральной гребёнке, набор и количество включенных агрегатов, расход жидкости через сечение трубопровода, количество потребляемой агрегатами энергии, параметры вибрации насосов.
На рис. 3.13 приведена кривая уровня расхода жидкости на водоводе предприятия МУП «Водоканал» (г. Омск). Нижняя точка соответствует расходу 80000 м /час, верхняя - 119000 м /час. Для контроля проводимых измерений параллельно с осциллографом показания расхода воды фиксировались диспетчером насосной станции вручную по числовым показаниям расходомера с интервалом один раз в сутки.
Обнаружение и распознавание «неизвестных» сигналов
Спектральная плотность акустических сигналов «сверление» зависит от характеристик сверла, типа дрели и других параметров (см. п. 2.5), но их отличительным свойством является наличие двух доминирующих частот в сигнале.
Приваривание металла к трубе генерирует в её оболочке широкополосные шумовые сигналы с равномерной спектральной плотностью (аналог «белого» шума). На рис. 4.8 приведена реализация сигнала от электросварки, проводимой на расстоянии 100 м от установленного датчика на надземном водопроводе диаметром 200 мм. От фонового шума действующего трубопровода такие сигналы отличаются повышенной дисперсией (энергией сигнала).
Таким образом, разрабатываемые в работе алгоритмы обнаружения должны реагировать на все виды акустических сигналов, возникающих в результате установки на трубопроводе незаконных врезок. То есть задача обнаружения сводится к разработке алгоритма поиска в шумах «неизвестного» сигнала, а задача распознавания к сопоставлению известных свойств отдельных видов сигналов с регистрируемыми в текущий момент.
Для решения поставленной задачи был предложен алгоритм, основанный на узкополосном спектральном взвешивании (схема алгоритма приведена в Приложении 1), для которого не важна форма весовой функции как в корреляционном приёмнике. Суть алгоритма заключается в вычислении значений энергии сигнала в узких полосах частот, на которые разбит весь амплитудный спектр (см. рис. 4.10), то есть анализируемый сигнал рассматривается как несколько независимых «субсигналов».
Принятие решения о наличии в акустическом шуме постороннего сигнала происходит тогда, когда хотя бы у одного «субсигнала» его энергия превышает заранее установленный уровень (изменилась структура принимаемого с датчика акустического сигнала). Начальные уровни этих энергий задаются в алгоритме обнаружения исходя из штатной обстановки на трассе трубопровода (при стационарном шумовом процессе) и могут корректироваться при переключении технологических режимов перекачки с целью недопущения ложных срабатываний сторожевой системы. То есть проводится калибровка системы с предположением, что акустические сигналы «взаимодействия» отсутствуют в оболочке трубопровода в данный момент времени.
Для получения спектра анализируемого акустического процесса в экспериментах проводилась процедура БПФ размером 16384 отсчёта при частоте дискретизации 15 кГц (время накопления 1,092 с). Для контрольного примера использования предложенного алгоритма и оценки его эффективности (см. рис. 4.11) было выбрано 4 оцениваемых полосы частот шириной по 2 кГц каждая. Из рисунка видно, что применение корреляционного приёмника не позволяет обнаружить сигнал ударного происхождения в отличие от алгоритма полосового спектрального взвешивания. Таких опытов было проведено 50, во всех случаях сигнал ударного происхождения с низкой энергией («сигнал/шум» 1,2-И,3) был обнаружен только с помощью алгоритма узкополосного спектрального взвешивания. При этом выполнялось условие, что время наблюдения не должно быть менее 20 с (для исключения ложных выводов о положительных результатах работы алгоритма).
Объяснение таких результатов заключается в том, что разбиение спектра на частотные полосы повышает отношение «сигнал/шум» результирующей функции на информативном отрезке частот во столько раз, сколько спектральных полос было выбрано. В этом случае любой узкополосный «выброс» акустической энергии в оболочке трубопровода будет зафиксирован по превышению уровня. Для предотвращения ложных срабатываний пороговые уровни устанавливаются по результатам длительных (до 30 с) наблюдений.
Дальнейшие эксперименты показали, что имеет смысл разбивать спектр принимаемого сигнала на большее количество частотных полос. Однако ширина одной полосы не должна быть менее 100 Гц. В противном случае придётся тратить больше времени на калибровку системы (иначе возрастает вероятность ложных срабатываний).
После того как сигнал считается обнаруженным (зафиксировано превышение порогового уровня энергии в полосе), производится процедура распознавания вида «взаимодействия». То есть определяется характер временного изменения свойств акустических сигналов, регистрируемых датчиками.
Известно, что в случае удара по трубе доминирующая частота будет после появления в спектре со временем увеличиваться. В 2.5 было установлено, что когда наблюдают сигнал сверления, основная частота дискретно меняется во времени с одного значения на другое (эффект «манипуляции» частоты). Для сигналов сварки и переключения технологического режима перекачки отличительным признаком является то, что количество спектральных полос, в которых произойдёт превышение пороговых уровней, достигает более 90% от их числа, поскольку такие сигналы являются широкополосными.
, Однако данный алгоритм имеет ряд недостатков. Первый заключается в том, что во время смены технологических режимов на насосной станции могут происходить акустические «выбросы» и общее увеличение дисперсии шума. Такие явления будут распознаны как сигналы «вторжения», так как пороговые уровни в спектральных полосах будут превышены. Вторым его недостатком является неспособность отличить сигналы сварки от сигналов переключения технологического режима (на увеличение прокачки продукта), так как и тот и другой приводят к увеличению энергии акустического поля в оболочке трубопровода во всём наблюдаемом диапазоне частот. И в случае, если система охраны трубопровода, на уровне которой принимается решение о вторжении, не будет оборудована обратной связью со станционной автоматикой (сообщающей о переключении режима), то отличить сварку металла от увеличения скорости потока в трубе будет зачастую невозможно, чем и воспользуются злоумышленники. То есть после определения самого факта наличия какого-либо акустического изменения в оболочке трубопровода необходимо запускать процедуру распознавания типа сигнала.
За основу алгоритма была взята концепция последовательного анализа [50, 55, 65], который используется для борьбы с помехами в каналах связи. Описание данного метода относится к теории о разладке случайных процессов.
Сущность метода заключается в том, что проверка гипотез о наличии в сигнале качественных изменений производится на каждом этапе наблюдения, т.е. при поступлении в решающее устройство из АЦП очередной порции отсчётов. При этом пространство наблюдений для процесса делится на две области: «есть изменение» и «нет изменения». Наблюдение продолжается до тех пор, пока некоторое значение решающей функции не попадёт в область определённого значения.
