Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения несанкционированных воздействий на трубопровод

Изобретение относится к контролю безопасности эксплуатируемых магистральных трубопроводов для обнаружения несанкционированных воздействий, например: создания шурфов, монтажа врезок в трубу, утечек перекачиваемого продукта, закладок взрывчатых веществ.

Известен способ мониторинга виброакустических характеристик протяженного объекта [Пат 2271446, Российская Федерация, МПК Е21В 47/00, G01H 9/00. «Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта» [текст] / Горшков Б. Г., Зазирный М.В., Кулаков А.Т.].

Данный способ мониторинга виброакустических характеристик заключается в том, что вдоль трубопровода прокладывают волоконно-оптический кабель, на одном конце которого в него вводят импульсное излучение, регистрируемое на его другом конце. При изменении виброакустических характеристик объекта (прорыв трубы, ее просадка и др.) регистрируемый сигнал изменяется (из-за деформации оптоволокна) и по этому изменению судят о локальных или протяженных изменениях виброакустических характеристик системы «жидкость - оболочка трубы - изоляция - окружающая среда». Недостатком способа является малая помехоустойчивость, обусловленная присутствием источников сопутствующих сейсмических сигналов на трассе пролегания трубопровода (корни деревьев при наличии ветра, движение техники в прилегающей местности и др.).

Известен «Способ обнаружения изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального трубопровода» [Пат. 2463590, Российская Федерация: МПК G01N 29/04 (2006.01), 10.10.2012 / Б.Н. Епифанцев, А.А. Федотов]. Он основан на возбуждении периодической последовательности прозванивающих импульсов на одном конце трубопровода, регистрации их на другом конце и принятии решения по результатам анализа регистрируемых импульсов, при этом прозванивающие импульсы возбуждают в оболочке контролируемого трубопровода, а каждый из принимаемых импульсов совмещают с предыдущим, полученный таким образом текущий суммарный импульс после регистрации очередного импульса коррелируется с эталонными, полученными ранее аналогичным способом на этом же участке трубопровода с имитированными состояниями, признанными опасными, и при превышении максимальным коэффициентом корреляции из числа полученных установленного уровня принимают решение о наличии интересующего изменения параметров на трассе пролегания трубопровода и вида этого изменения, после чего процесс, мониторинга объекта контроля продолжают, а принятое решение по существующим каналам связи передают в службу безопасности. Однако изменения параметров окружающей среды (температуры, атмосферных явлений, ветровых воздействий и т.д.) приводят к изменениям упругих параметров трубопровода и, следовательно, неконтролируемым изменениям принимаемых сигналов.

Наиболее близким техническим решением является «Способ обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций на линейной части подземного магистрального трубопровода» (Патент РФ №2523043 от 05.04.2013 г., автор Епифанцев Б.Н.), принятый в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что возбуждают трубу в заданном сечении периодической последовательностью виброакустических импульсов, которые регистрируют их в двух сечениях трубы, удаленных на одинаковые расстояния по обе стороны от сечения возбуждения, накапливают суммы отсчетов интегралов от разностей регистрируемых сигналов, в качестве эталонов используют уровни, исходя из числа накоплений для искомого предвестника чрезвычайной ситуации в совокупности с расчетной оценкой значения ожидаемого сигнала в точках регистрации, и решение о появлении этого предвестника принимают при превышении накопленного за цикл результата установленных для него эталонных уровней, при этом число накоплений в цикле определяют по задаваемой вероятности ложных решений для каждого предвестника. Способ позволяет сохранять надежность обнаружения предвестников чрезвычайной ситуации (несанкционированных воздействий) на необходимом уровне в любое время года. Здесь в качестве «рабочего» информативного сигнала принят его уровень (амплитуда) в виде среднеквадратических отсчетов, но без частотных его проявлений, что ограничивает надежность обнаружения несанкционированных воздействий и возможности идентификации видов несанкционированных воздействий.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности обнаружения и обеспечения возможности идентификации несанкционированных воздействий на трубопровод.

Поставленная цель достигается тем, что способ обнаружения несанкционированных воздействий на трубопровод, заключающийся в его возбуждении зондирующими периодическими виброимпульсами, формировании образцовых уровней сигналов, имитирующих несанкционированные воздействия, и принятии решения по результатам сравнения накопленных сигналов, принимаемых от равноудаленных и по обе стороны от точки зондирования трубопровода, дополнен тем, что, согласно изобретению, разностный сигнал получают путем сравнения предварительно преобразованных в спектры частот сигналов от равноудаленных точек, упомянутые образцовые уровни формируют в виде доверительных интервалов в предварительно выделенных частотных диапазонах рабочего спектра с привязкой каждого из них к определенному виду несанкционированного воздействия, и решение по обнаружению последнего и о его виде принимают по попаданию уровня разностного накопленного сигнала в соответствующий доверительный интервал.

Предлагаемый способ поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему фигурами: 1 - структурной схемой реализации способа, 2 - блок - схемой алгоритма его работы, 3 и 4 - областями непересекающихся доверительных интервалов частотного спектра сигналов на действующем трубопроводе, например, диаметром 400 мм с жидкостью при заданной доверительной вероятности Р=0,99 и выборке N=180 импульсов.

На фиг. 1 обозначено: трубопровода 1, окружающий трубопровод 1 грунт 2, микроконтроллер 3, генератор упругих колебаний 4,; вибропреобразователи 5, 6, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 со схемой вычитания на выходе, линия задержки 8, накопитель сигналов 9, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 10.

Генератор упругих колебаний 4, запускаемый импульсами от тактового генератора в микроконтроллере 3, возбуждает колебания в трубопроводе 1, которые воспринимаются вибропреобразователями 5 и 6, подключенными к АЦП 7. Преобразование аналогового сигнала в цифровой и вычитание амплитуд от вибропреобразователей 5 и 6 осуществляется после поступления импульса от тактового генератора в микроконтроллере 3 через линию задержки 8, компенсирующую время распространения упругих колебаний по трубопроводу. Дискретные отсчеты разностей сигналов вибропреобразователей 5 и 6 поступают на накопитель 9, реализующий когерентное накопление с усреднением заданного числа N импульсов, заданного в микроконтроллере 3. Блок БПФ 10 преобразует накопленный сигнал в накопителе 9 в амплитудно-частотный спектр, который поступает в память микроконтроллера 3 и сохраняется в его накопителе.

Схема алгоритма микроконтроллера 3 показана на фиг. 2. Приведенная выше последовательность операций повторяется (N⋅k) раз, где N - число накопленных сигналов, 10k - требуемое количество итераций. При достижении заданного значения (N⋅k), микроконтроллер 3 определяет по выборке из к полученных от БПФ 10 частотных спектров для каждой частоты n значения математического ожидания M_n, среднеквадратического отклонения σ_n и верхней и нижней границ доверительного интервала S₁ и S₂:

; ,

где t - коэффициент, определяемый по матрице таблицы Стьюдента в памяти микроконтроллера 3 по заданным N и доверительной вероятности Р.

Массив из 2n доверительных границ сохраняется в качестве эталонных в памяти микроконтроллера 3, который переходит в режим ожидания установки имитатора несанкционированного воздействия.

По результатам исследований, проведенных авторами, установлено, что достоверную информацию о виде несанкционированного воздействия можно извлечь из амплитудно-частотного спектра сигнала (фиг. 3, 4) [Федотов А.А. Активный помехоустойчивый виброакустический способ контроля состояния магистрального трубопровода: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.11.13 / Федотов Александр Анатольевич; ОмГУПС. - Омск., 2017. - 23 с].

В режиме ожидания формируется внедрение имитатора нарушения (например, шурф). После данной операции микроконтроллер 3 по внешней команде возобновляет подачу импульсов на генератор 4, и упомянутая последовательность операций (фиг. 1) запускается вновь.

При достижении необходимого количества доверительных границ в памяти микроконтроллера 3, соответствующих установленным имитаторам, микроконтроллер вычисляет зоны амплитудно-частотного спектра, не имеющие по амплитуде общих пересечений (например, восемь диапазонов на фиг. 3, 4), и переходит в режим мониторинга. Текущий накопленный образец амплитудного спектра разницы сигналов от вибропреобразователей 5 и 6 накладывается на доверительные интервалы частотных диапазонов в зонах, обозначенных как информативные, и по попаданию кривой спектра в данные частотные границы идентифицируют вид воздействия.

Информативные диапазоны спектра «привязаны» к состояниям трубопровода (например, «без нарушения» и «шурф» на фиг 3, 4). Например, из выделенных частотных диапазонов выбирают тот, в котором разница между границей, соответствующей доверительному интервалу при состоянии «без нарушения» и границей - «шурф», будет наибольшей.

Таким образом, работа с частотным представлением сигнала позволяет повысить надежность обнаружения за счет исключения неинформативной составляющей и выделить (идентифицировать) с большей достоверностью вид несанкционированного воздействия.