Сигнализационная маскируемая система охраны подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического средства обнаружения и способ обнаружения несанкционированного доступа к ним
SIGNALING CAMOUFLAGING SYSTEM FOR PROTECTION OF UNDERGROUND MAIN PIPELINES BASED ON MAGNETOMETRIC DETECTION MEANS AND A METHOD OF DETECTING UNAUTHORIZED ACCESS THERETO

Сигнализационная маскируемая система охраны подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического средства обнаружения и способ обнаружения несанкционированного доступа к ним.
Изобретение относится к сигнализационным средствам для охраны, срабатывающим при изменении напряженности магнитного поля, и предназначено для обнаружения и регистрации несанкционированного доступа (врезки, повреждения и т.д.) путем подкопа к подземным магистральным продуктопроводам (нефтепроводам, газопроводам и т.п.).
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является описанное в патенте РФ №73992 маскируемая система мониторинга состояния подземных магистральных трубопроводов, которая содержит в себе два магнитометрических (МСО) и одно вибрационное средство обнаружения (ВСО), периферийный контроллер, кабельную систему питания и передачи сигнала тревоги и автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора. МСО состоит из двух муфт оконечных, муфты соединительной, блока обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и самого индукционного чувствительного элемента, содержащего шесть размещенных в грунте одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников; сегменты кабеля образуют в свою очередь два одновитковых "8-образных" - дифференциальных сигнальных датчика и размещены с двух сторон от трубопровода для образования пространственно-распределенных контуров, чувствительных к изменению магнитного потока, вызываемого металлическими предметами имеющимися у нарушителя. Вибрационное средство обнаружения состоит из муфт оконечных, блока обработки и кабельного чувствительного элемента, который содержит четыре сегмента сенсорного кабеля размещенного в грунте на глубине (40…50) см. Периферийный контроллер обеспечивает взаимодействие магнитометрического и вибрационного средств обнаружений с АРМ оператора. АРМ оператора представляет собой программно-аппаратный комплекс для контроля данной системы.
Способ обнаружения несанкционированного доступа к трубопроводу по патенту №73992 включает размещение с двух сторон от трубопровода двух магнитометрических средств обнаружения (МСО) в составе муфт оконечных, муфты соединительной, блока обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и самого индукционного чувствительного элемента, содержащего шесть размещенных в грунте одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников, образующих в свою очередь два одновитковых "8-образных" - дифференциальных сигнальных датчика; размещение над трубопроводом сенсорного кабеля вибрационного средства обнаружения (ВСО), состоящего из муфт оконечных, блока обработки и кабельного чувствительного элемента, содержащего четыре сегмента сенсорного кабеля размещенного в грунте, соединение средств обнаружения с системами питания и передачи данных, периферийным контроллером и автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора со специализированным программно-аппаратным комплексом для контроля данной системы; контроль с помощью АРМ электрических сигналов со средств обнаружения и установление факта срабатывания по их превышению над уровнем помех; регистрацию и сигнализацию о нарушении.
Общими существенными признаками прототипа-устройства, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения являются следующие - сигнализационная маскируемая система охраны подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического средства обнаружения (МСО), включает размещенные под поверхностью земли индукционный чувствительный элемент, подсистему питания, блок обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и подсистемы передачи и приема сигнала тревоги и автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора с программно-аппаратным комплексом контроля системы; индукционный чувствительный элемент выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников; попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики.
Общими существенными признаками прототипа-способа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения являются следующие - способ обнаружения несанкционированного доступа к трубопроводу включает подземное размещение в районе трубопровода магнитометрического средства обнаружения (МСО) в составе индукционного чувствительного элемента, подсистемы питания, блока обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и подсистему передачи сигнала тревоги, а также размещенные подсистемы приема сигнала тревоги и автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора с программно-аппаратным комплексом контроля системы; индукционный чувствительный элемент выполнен в виде размещенного под поверхностью земли нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников; попарно сегменты кабеля образуют, в свою очередь, одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики; по наличию сигналов тревоги производят регистрацию и сигнализацию о нарушении.
Данные прототипы (устройство и способ) обладают высокой обнаружительной способностью, однако, в случае входа в охраняемую зону случайного человека, имеющего при себе металлические предметы в экипировке или в поклаже, и последующее перемещение внутри зоны, будет восприниматься как тревога. Зачастую это связано с тем, что полосы прокладки трубопровода, особенно просеки, активно используются в качестве пешеходных троп. Наличие в данной системе двух магнитометрических и одного вибрационного средств обнаружений ухудшает надежность системы, а также требует значительно большей площади для размещения (МСО находятся с двух сторон от трубопровода), значительного объема земляных работ, использования большого объема оборудования. Также, наличие в системе магистральных кабеля связи и кабеля электропитания существенно ограничивает расстояние, на котором может быть расположен АРМ оператора. Проведение работ по прокладке линии электропитания и связи до АРМ оператора влечет значительные затраты материальных и временных ресурсов.
Техническими проблемами, решение которых обеспечивается предлагаемым техническим решением, является следующие - упрощение конструкции системы, повышения ее надежности, отсутствие ложных срабатываний системы, связанных со свободным перемещением людей и животных в зоне размещения трубопровода, снижение объемов земляных работ, снижение материаллоемкости и площади, занимаемой сигнализационным оборудованием.
Для решения данных технических проблем предлагается сигнализационная маскируемая система охраны подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического средства обнаружения (МСО), включающая размещенный под поверхностью земли над трубопроводом индукционный чувствительный элемент, также размещенную под поверхностью земли подсистему питания, блок обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента, подсистемы передачи и приема сигнала тревоги и автоматизированное рабочее место оператора с программно-аппаратным комплексом контроля системы; индукционный чувствительный элемент имеет дифференциальную структуру и выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников в виде провода типа П-274М при допустимом снижении сопротивления изоляции до 1Мом; попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами, применяемыми нарушителями; при этом источник питания выполнен автономным, а подсистемы передачи и приема сигнала тревоги выполнены радиоканальными.
В отличие от прототипа, индукционный чувствительный элемент размещен под поверхностью земли над трубопроводом, имеет дифференциальную структуру и выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников в виде провода типа П-274М при допустимом снижении сопротивления изоляции до 1Мом; попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами, применяемыми нарушителями; при этом источник питания выполнен автономным, а подсистемы передачи и приема сигнала тревоги выполнены радиоканальными.
Для решения данных технических проблем предлагается способ обнаружения несанкционированного доступа к трубопроводу на основе магнитометрического средства обнаружения (МСО), включающий размещение с помощью механизированного бестраншейного способа под поверхностью земли над трубопроводом индукционного чувствительного элемента, подземное размещение подсистемы питания, блока обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и подсистемы передачи сигнала тревоги, размещение подсистемы приема сигнала тревоги и автоматизированного рабочего места оператора с программно-аппаратным комплексом контроля системы; при этом индукционный чувствительный элемент имеет дифференциальную структуру и выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников; попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие  пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами нарушителя; соединение индукционного чувствительного элемента с подсистемой питания, блоком обработки сигнала с индукционного чувствительного элемента и и подсистемы передачи сигнала тревоги, размещение подсистемы приема сигнала тревоги, его прием подсистемой приема сигнала тревоги и обработку на АРМ оператора с программно-аппаратным комплексом для контроля данной системы; установление факта попытки нарушения по наличию характерных для подкопа и (или) врезки повторяющихся сигналов с индукционного чувствительного элемента за ограниченный период времени, или сигнала, характерного для разрушения или смещения сегмента кабеля чувствительного элемента в магнитном поле Земли.
В отличие от прототипа, индукционный чувствительный элемент размещают над трубопроводом с помощью механизированного бестраншейного способа, а сам он имеет дифференциальную структуру и выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля из скрученных в пару проводников в виде провода типа П-274М при допустимом снижении сопротивления изоляции до 1Мом; попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами, применяемыми нарушителями; факт попытки нарушения определяют по наличию характерных для подкопа и (или) врезки повторяющихся сигналов с индукционного чувствительного элемента (вызванных изменением магнитного потока, вызываемого инструментами из ферромагнитных материалов, обладающими остаточной намагниченностью, применяемыми нарушителями (для подкопа и врезки, например, лопата, болгарка, сварочный аппарат и т.п.) за ограниченный период времени, или сигнала тревоги, характерного для разрушения или смещения сегмента кабеля чувствительного элемента в магнитном поле Земли. Благодаря наличию указанных отличительных признаков достигаются следующие технические результаты - система реагирует только на факты попыток подкопа, в крайнем случае врезки, не реагируя на факты пересечения трассы людьми, транспортом и животными или нахождения в ее зоне размещения; подкоп обнаруживается на ранней стадии (как правило, в течение 1-й минуты с его начала) не дожидаясь факта врезки (теоретически подкоп может быть выполнен и неферромагнитным инструментом, например, керамическим, но врезка без использования неферромагнитного материала практически невозможна); предлагаемая система не требует сезонных настроек (в силу физического принципа работы чувствительность МСО не зависит от климатических и почвенно-геологических условий), обеспечивается работоспособность при наличии на поверхности земли слоя воды или снега произвольной высоты; обладает высокой помехоустойчивостью к мощным «удаленным» помехам (ЛЭП, грозы и т.д.) вследствие дифференциальной структуры чувствительных элементов (ЧЭ); использование в качестве ЧЭ дешевого широко распространенного провода, например, П-274М (а не специального кабельного вибрационного чувствительного элемента, как в прототипе), а также невысокие требования к сопротивлению изоляции (>1 Мом), обеспечивают высокий показатель ремонтопригодности МСО в полевых условиях при повреждении ЧЭ; система может быть использована для охраны нескольких параллельно расположенных трасс продуктопроводов (за счет увеличения количества сегментов кабеля, или за счет параллельного размещения дополнительных чувствительных элементов над удаленными друг от друга трубами с отступом над неохраняемой поверхностью). Дополнительно, за счет использования бестраншейного способа прокладки, существенно увеличивается скорость установки системы и ее малозаметность. За счет использования автономного источника питания и передачи данных по радиоканалу, возможно использование системы на значительном удалении от АРМ оператора в местах, где отсутствуют линии коммуникации и питания - до 30 км, а при использовании ретрансляторов до 120 км.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано для охраны различных подземных магистральных продуктопроводов нефтепроводов, газопроводов и т.п. Система может быть использована на удаленных от магистральных систем питания и передачи данных. Установка ЧЭ может быть выполнена на уже проложенных продуктопроводах, в том числе «щадящим» и «скрытным» методом с использованием бестраншейного способа.
На рисунке фиг. 1 изображено расположение индукционного чувствительного элемента относительно одиночного трубопровода.
На рисунке фиг. 2 изображено расположение индукционного чувствительного элемента относительно двойного трубопровода.
На рисунке фиг. 3 изображена функциональная схема сигнализационной маскируемой системы охраны двойного подземного магистрального трубопровода на основе магнитометрического средства обнаружения с радиоканальной передачей сигнала.
На рисунке фиг. 4 изображена структурная схема подключения составных частей магнитометрического средства обнаружения.
На рисунке фиг. 5 изображена структурная схема алгоритма работы блока обработки сигнала.
На фиг. 6 изображены временные диаграммы, поясняющие работу алгоритма блока обработки сигнала.
На рисунках фиг. 1-4 обозначены:
1 - трубопровод;
2 - индукционный чувствительный элемент;
3 - автономный источник питания (АИП);
4 - блок обработки сигнала (БОС) с индукционного чувствительного элемента;
5 - сегменты индукционного чувствительного элемента; 6 - коммутационный кабель;
7 - кабель питания;
8 - кабель радиопередатчика;
9 - подсистема передачи сигнала тревоги в составе:
10 - радиопередатчик (ПРД),
11 - антенна передающая;
12 - подсистема приема сигнала тревоги в составе:
13 - приемная антенна,
14 - приемная базовая станция,
15 - автоматизированное рабочее место оператора с программно-аппаратным комплексом контроля системы.
На рисунке фиг. 5 обозначено:
16 - усилитель сигнала с индукционного чувствительного элемента;
17 - фильтр;
18 - компаратор;
19 - программируемый таймер (ПТ1);
20 - таймер обрыва (ТО);
21 - устройство формирования импульса (УФИ);
22 - устройство счетное (УС);
23 - программируемый таймер (ПТ2);
24 - устройство анализа сигнала (У АС) с индукционного чувствительного элемента.
На фиг. 6 изображены следующие временные диаграммы поясняющие работу алгоритма блока обработки сигнала:
25 - входной сигнал с индукционного чувствительного элемента;
26 - сигнал с усилителя 16;
27 - сигнал с фильтра 17;
28 - сигнал на входе компаратора 18;
29 - сигнал на входе УАС 24;
30 - выходные импульсы с выхода программируемого ПТ1 19;
31 - выходной импульс с ТО 20;
32 - выходные импульсы с УФИ 21;
33 - выходные импульсы с выхода ПТ2 23;
34 - выходной импульс с УАС 24;
35 - импульс сброса УС 22;
36 - импульсы тревоги на выходе БОС.
Изображенная на фиг. 1-4 сигнализационная маскируемая система охраны подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического средства обнаружения включает размещенный под поверхностью земли (как правило на глубине нескольких десятков сантиметров) над трубопроводом 1 индукционный чувствительный элемент 2. Как правило, это зона непосредственно над трубопроводом (трубопроводами) и по метру в сторону. Также для маскировки под поверхностью земли расположены подсистема питания (в данном случае автономный источник питания 3, но может быть выполнена и в виде магистрального кабеля), блок обработки сигнала 4 с индукционного чувствительного элемента 2, подсистема передачи сигнала тревоги 9 (в данном случае радиопередатчик, но может быть выполнена и в виде кабельной, например, оптоволоконной линии). В зоне приема сигнала тревоги (в данном случае зоне доступности радиосигнала) размещена подсистема приема сигнала тревоги 12 в составе приемной антенны 13 и приемной базовой станции 14). Как правило, там же (при условии применения ретрансляторов в центральном пункте обработки) находится автоматизированное рабочее место оператора 15 с программно-аппаратным комплексом контроля системы. Индукционный чувствительный элемент 2 выполнен в виде нечетного количества одинаковых сегментов кабеля 5 из скрученных в пару проводников, например, из провода П274-М. Попарно сегменты кабеля образуют в свою очередь одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами, применяемыми нарушителями (для подкопа и врезки, например, лопата, болгарка, сварочный аппарат и т.п.). Количество сегментов кабеля 5 практически не ограничено и определяется количеством ниток трубопровода 1. Расстояние между соседними сегментами кабеля выбирается исходя из условия работоспособности системы, т.е. достаточного превышения полезного сигнала на выходе чувствительного элемента, генерируемого при осуществлении подкопа инструментом, над уровнем естественного фона. Как показали исследования оптимальным расстояние является 0,8-1,2 м. При меньшем расстоянии использование дополнительных сегментов кабеля экономически не выгодно, а при большем расстоянии для сохранения чувствительности системы необходимо увеличивать усиление входных каскадов, что приведет к уменьшению соотношения полезный сигнал/шум, что в конечном итоге снизит обнаружительную способность всей системы в целом. Чтобы в зоне охраны образовалось необходимое количество попарно сбалансированных распределенных контуров магнитометрического датчика, сегменты кабеля индукционного чувствительного элемента 5 соединены между собой оконечными и соединительными муфтами (на рисунках не обозначены). Длина зоны обнаружения варьируется от 10 до 1000 метров. Индукционный чувствительный элемент 2 при помощи коммутационного кабеля 6 подключен к блоку обработки сигнала 4 с индукционного чувствительного элемента 2. В данном случае питание сигнализационной системы осуществляется от источника автономного электропитания 3 номинальным напряжением 24 В, который подключается к блоку обработки 4 при помощи кабеля питания 7. Для передачи сигнализационной информации на АРМ оператора 15 блок обработки сигнала 4 подключен кабелем 8 к подсистеме передачи сигнала тревоги 9. Время работы системы от автономного источника электропитания 3 составляет около 12 месяцев. Система может быть запитана и от магистральной линии электроснабжения, а передача сигнала на АРМ также может осуществляться по магистральному проводу, при их наличии. На АРМ оператора 15, при отсутствии тревог с охраняемого участка, отображается графический план прохождения трубопровода 1 и участки охраны сигнализационной системы. При появлении в зоне охраны людей производящих вскрытие поверхности грунта с последующим проведением земляных работ и врезки при помощи инструментов из металла, обладающих остаточной или наведенной намагниченностью, происходит появление электрических сигналов в индукционных датчиках, образованных сегментами кабеля 5.
Реализация технического решения осуществляется следующим образом. Под поверхностью земли над трубопроводом 1 осуществляют прокладку сегментов кабеля индукционного чувствительного элемента 5 (предпочтительно с помощью механизированного бестраншейного способа, особенно с одновременной прокладкой нескольких кабелей, что позволяет ускорить и скрыть прокладку). Участки кабеля 5 соединяются между собой в одновитковые "8-образные" дифференциальные сигнальные датчики, образующие пространственно-распределенные контуры, чувствительные к изменению магнитного потока, вызываемого инструментами нарушителя для подкопа и врезки. Также под землей размещаются и соединяются подсистема питания (в данном случае автономный источник питания 3), блок обработки сигнала 4 и подсистема передачи сигнала тревоги 9. В зоне приема сигнала в данном случае радиосигнала) размещается подсистема приема сигнала 12 с автоматизированным рабочим местом оператора 15 с программно-аппаратным комплексом контроля системы. Электрические сигналы с индукционного чувствительного элемента 2 поступают в блок обработки сигнала 4, где происходит их усиление и фильтрация, далее электрические сигналы подаются на компаратор 18, затем в зависимости от амплитуды сигнала происходит его подача на таймер обрыва 20 или на устройство анализа сигнала 24. В случае воздействия на вход сигнала определенной длительности, происходит выдача тревоги. В УАС 24 сигнал приходит на устройство формирования импульса 21, где с помощью программируемого таймера один 19 происходит отсев сигналов с длительностью больше заданной, а затем проходят на устройство счетное 22, где происходит подсчет сигналов за промежуток времени формируемый программируемым таймером два 23. В случае накопления заданного количества сигналов за интервал времени, заданный ПТ2 23, УАС 24 выдает сигнал тревоги. Сигнал тревоги в виде размыкания контактов реле передается на радиопередатчик 10, который производит передачу тревожной информации на АРМ оператора 15. На графическом плане АРМ оператора 15 происходит выделение красным цветом участка, на котором происходит нарушение. Кроме того, нарушение целостности чувствительного элемента индицируется отдельным сообщением. При разряде батареи источника питания 3, радиопередатчик 10 посылает на АРМ оператора 15 информацию о статусе питания батареи, после чего необходимо произвести ее замену.