Резюме: Разработанная российскими учеными система мониторинга протяженных объектов, основанная на применении волоконно-оптического кабеля в качестве чувствительного элемента, способна решать ряд проблем безопасности трубопроводов – как физической, так и технологической. При этом значительно выше как разрешающая способность системы, так и точность определения характера потенциально опасного воздействия.

Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, безопасность трубопроводов, сравнение с параметрическими системами.

Известны расчеты ущерба, который способны причинить окружающей среде и хозяйствующим субъектам разливы нефти и нефтепродуктов. Кроме неисчислимых финансовых убытков, разрушения целых комплексов оборудования компаниям, специализированным на транспортировке углеводородов приходится иметь в виду огромные потери, которые оказавшиеся вне трубы нефть и газ причиняют в экологическом плане. И никакие многомиллионные штрафы порой не смогут компенсировать утрату растительности, плодородного слоя, лесных насаждений, а также фауны.

С введением в действие закона «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» проблема оценки техногенного воздействия объектов ТЭК на окружающую среду становится все более актуальной. Повышается важность максимально точного расчета эффективности тех или иных технологических решений, направленных на снижение экологических и экономических рисков, с той или иной степенью неотвратимости сопровождающих добычу и транспортировку углеводородов.


Рис 1. Рост вероятности утечки и последующего экологического ущерба значительно возрастает по мере старения трубы

Предотвращать или по крайней мере своевременно обнаруживаться утечки призваны разнообразные по конструкции и принципу действия системы мониторинга трубопроводов. Помимо традиционных параметрических систем, основанных на анализе баланса объема, скорости, изменения давления и потока транспортируемого продукта, в настоящее время существуют как минимум четыре основных технологии, соответствующие различным идеологическим подходам к локализации утечки. Это системы, основанные на применении волоконно-оптического кабеля (ВОК) в качестве чувствительного элемента, т.н. модели переходных процессов в реальном времени (RTTM), а также статистический анализ и анализ волны отрицательного давления (NPWA).

Естественно, каждый из этих методов обладает набором неоспоримых преимуществ и одновременно очевидных недостатков. В частности, большинство систем, основанных на анализе параметров, добываемых врезанными в трубу датчиками, неспособны выявлять небольшие утечки и точно установить их местонахождение. Определение утечки по волне отрицательного давления также грешит очень приблизительной индикацией места опасного происшествия. А за волоконно-оптическими технологиями закрепилась слава комплексов, хоть и стоящих на страже как утечек, так и несанкционированной активности в охранной зоне, но выдающих значительное количество сигналов «ложной тревоги». Причина очевидна: световые микроколебания, передающиеся в результате обратного рассеяния на аналитический блок компьютера, не всегда со всей однозначностью свидетельствуют о характере происшествий в охранной зоне. А в число таких происшествий кроме утечки входят и проход пешехода, и попытки копки ручным или механическим средством, и сверление или шлифование трубы.

Почти шесть лет АО «ОМЕГА», предприятие группы компаний ПАО «Транснефть», разрабатывает и производит многофункциональные системы мониторинга для протяженных объектов, действие которых основано на применении волоконно-оптического кабеля в роли датчика. И нельзя не признать, что при всей технологической новизне эта разработка до недавнего времени не могла избежать «родового проклятия» волоконно-оптических систем мониторинга: сигналы тревоги неустановленного характера исчислялись порой сотнями в месяц.


Рис 2. Прокладка оптоволоконного кабеля-датчика СОУиКА «ОМЕГА» на трубопроводе ПАО «Транснефть»

Серийно выпускаемая Система обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА) «ОМЕГА» в настоящий момент базируется на двух подсистемах - DTS (Distributed Temperature Sensor, распределенный датчик температуры) и DAS (Distributed Acoustic Sensor, распределенный акустический датчик). DTS в режиме реального времени анализирует изменения в температурном поле и с пятиметровой точностью обнаруживает утечки газа, нефти и других жидкостей, в том числе в многофазных трубопроводах. DAS посредством анализа вибраций в непосредственной близи трубопровода указывает на активность третьих лиц и другие потенциальные опасности в охранной зоне. На основе анализа комплексного рассеяния светового потока, генерируемого лазерным излучателем, СОУиКА «ОМЕГА» обеспечивает обнаружение местонахождения и характера вибраций, пространственных перемещений и изменений температурных характеристик вдоль и вблизи протяженных объектов – таких, как трубопроводы.

И тем не менее разработанная шесть лет назад СОУиКА «ОМЕГА», известная во всем мире и не без успеха внедренная уже на пяти с половиной тысячах километров трубопроводов ПАО «Транснефть», оставалась наиболее эффективным средством технологической и антикриминальной охраны трубопроводов. Однако казавшиеся до недавнего времени неизбежными ложные срабатывания, к которым вынужденно терпимо относятся производители зарубежных аналогов систем «ОМЕГА», ставили вопрос о том, может ли СОУиКА работать более точно.

В этой связи в АО «ОМЕГА» был принят архиважный план совершенствования системы: используя историческую терминологию, можно утверждать, что это были два мощных технологических удара по практике ложных срабатываний. Первый из них состоял в комплексном применении для обнаружения утечек как датчика изменения температуры, так и датчика виброакустического фона. Второй «удар» выводил систему на философски новый уровень, снабдив ее не механическим анализом набора признаков, сопровождающих утечку из трубопровода или физическую активность в охранной зоне, а аналогом искусственного интеллекта.

Для решения первой задачи на пункте контроля и управления (БК ПКУ) 25 км магистрального нефтепровода «БТС-2» (близ г.Унеча Брянской области) специалистами АО «ОМЕГА» был успешно испытан опытный образец блока СОУиКА «ОМЕГА», работающий в линейном режиме регистрации виброакустического сигнала. Целью тестирования была запись с помощью созданного в ЗАО «ОМЕГА» оборудования виброакустических сигналов, возникающих при имитации утечки и активности. В результате испытаний обнаружилось, что новое оборудование фиксирует изменения виброакустического поля, вызванные утечкой, имитированной с использованием заглубленного в грунт баллона, жидкость в который нагнетал насос пожарной машины.

Работающий в линейном режиме новый виброакустический блок СОУиКА «ОМЕГА» отличается большей чувствительностью по сравнению с применявшейся доселе аппаратурой. Его внедрение позволило значительно улучшить эксплуатационные характеристики СОУиКА, в частности, сделать ещё более точным распознавание источника и причин виброакустических сигналов. Но основное преимущество, которое уже реализовано с переходом на новое поколение оборудования – возможность получения сигнала об утечке на основании анализа виброакустического поля в совокупности с сигналом анализатора изменения температуры.

Второй технологический удар впору сравнить с революцией в деле распознания поступающих с трассы трубопровода сигналов, качество которых существенно улучшилось в результате совершенствования виброакустического блока.


Рис 3. Монтаж элементов логических модулей (ЛМ) системы ведет инженер ремонтно-сборочного участка АО «ОМЕГА» Владимир Хохлов

Суть новой разработки, в сентябре впервые представленной в Италии на престижной конференции MLSP2016 (Machine Learning for Signal Processing, «Машинное обучение для обработки сигнала») и вызвавшей живой интерес специалистов, состоит в применении для распознания фиксируемых событий искусственных нейронных сетей. Они дают созданной в компании Оптоволоконной системе мониторинга трубопроводов (ОСМТ «ОМЕГА») возможность с недостижимой до сих пор точностью идентифицировать утечку из трубопровода, а также различную несанкционированную активность в охранной зоне даже на фоне сложной сигнально-помеховой обстановки. Для этого была разработана двухуровневая архитектура обнаружения и классификации событий, что открыло путь к определению качественных и устойчивых алгоритмов многоклассового обнаружения потенциально опасных событий.

«Кроме того, наши разработчики использовали важнейшее преимущество искусственных нейронных сетей, состоящее в способности самообучаться, - подчеркивает генеральный директор АО «ОМЕГА» Дмитрий Плешков. – А это важно не только с точки зрения качества распознания событий, но и для настройки ОСМТ, которая теперь способна надежно функционировать в самых разных инфраструктурных, ландшафтных и температурных условиях».

Искусственными нейронными сетями, разработка которых началась более 60 лет назад, именуется совокупность программного и аппаратного обеспечения логических модулей, способных классифицировать предметы и события по относительно большой совокупности разнородных признаков. Такие решения уже применяются, например, в системах машинного зрения или распознания голоса, когда поступающая для анализа информация бывает не только очень разнородной, но и неполной. Конечно, на первых порах машина ошибается: но заложенный в нее важный алгоритм анализа ошибки позволяет избежать ее в дальнейшем.


Рис 4. Принципиальная схема искусственной нейронной сети идентификации воздействия на трубопровод на фоне изображения нейросети человеческого мозга

Суть искусственной нейронной сети состоит в том, что сначала она использует один алгоритм для обработки вводимой информации, а затем передает ее следующему слою для обработки следующим алгоритмом, который формирует более высокоуровневое понимание сути идентифицируемого события – и так несколько раз. В случае конечной ошибки сигнал распространяется в обратном направлении, как бы «извлекая уроки» из причин неверно сделанного вывода. Применительно к подсистеме идентификации событий ОСМТ «ОМЕГА» свойство самообучения ценно с двух точек зрения. Во-первых, как мы уже показали, по мере такого анализа сводится к абсолютному минимуму число ошибок в определении событий. В ходе проведенных в июне-июле натурных испытаний было установлено, что достоверность срабатывания ОСМТ уверенно приближается к ранее недостижимым ста процентам. Во-вторых, такая подсистема открывает возможность более точной и быстрой настройки системы на конкретном охраняемом участке: ОСМТ способна запоминать уже проанализированные ранее признаки и особенности рельефа, звукового и температурного фона и экстраполировать их на аналогичные участки.

Благодаря этой разработке вероятность нанесения экологического ущерба в зоне прокладки трубопровода значительно снижается. Эти соображения учитываются и ведущих российских нефтегазовых компаниях, готовых в позитивном ключе рассматривать вопрос об оснащении ОСМТ «ОМЕГА» стратегически важных трубопроводных маршрутов.

«Мы убеждены, что новый продукт, вызвавший значительный интерес на сентябрьской конференции MLSP2016 в Италии, станет надежной основой для коренного совершенствования производимого АО «ОМЕГА» контрольно-измерительного комплекса, - подводит итог Д.Плешков. – Ведь надежная и экономически выгодная система защиты от экологического, антитеррористического и финансового ущерба нужна не только трубопроводам, но и железным дорогам, автотранспортной инфраструктуре, авиационной и атомной отрасли».

ЛИТЕРАТУРА:

• 1. Обзор технологий обнаружения утечек на трубопроводах, Джун Жанг, Энди Хофман, Киф Мёрфи, Джон Люис, Майкл Твуми – ATMOS International. Доклад на конференции PSIG 2013 в Праге, 2013.
• 2. К.С.Мауленов, А.И.Турбин. Равнение на экологическую безопасность. Экономика и право Казахстана, N23/2015, стр. 36-45.
• 3. В.Малкина. БРИКС: в поисках инновационных решений для экологии. Экологический вестник России, декабрь 2015 г., стр. 21.
• 4. Вероятность утечки нефти из трубы в зависмости от ее возраста. http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/oil-spills/. Дата обращения – 29 сентября 2016 г.

Оптоволоконная система мониторинга «ОМЕГА»: нейронные сети на страже трубопроводов
С.И.Васютинская, В.Д.Малкина, А.И.Турбин

В статье показано, как два технологических решения (применение распределенного датчика виброакустики для подтверждения сигнала утечки и использование искусственных нейронных сетей для идентификации событий) вывели Оптоволоконную систему мониторинга трубопроводов на качественно новый уровень работы, позволяющих говорить о боле надежной защите экологии в местах прокладки трубопроводов.

Ключевые слова: мониторинг трубопроводов, ОСМТ «ОМЕГА», искусственные нейронные сети.

The fiber-optic monitoring system "OMEGA": neural networks to guard pipelines
Dr. S.I.Vasyutinskaya, V.D.Malkina, Dr. A.I.Turbin

The article shows how two technological solutions (the use of the Distributed Acoustic Sensor to confirm the identification of leakage events and the implication of artificial neural networks) brought the Fiber-optic pipeline monitoring system to a qualitatively new level of performance, allowing to achieve a robust environmental protection practice.

Keywords: monitoring of pipelines, "OMEGA" pipeline monitoring systems, artificial neural network.