автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка системы контроля охранной зоны магистрального трубопровода в условиях внешних угроз его безопасности

На правах рукописи

Пятков Артём Анатольевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОХРАННОЙ ЗОНЫ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ УГРОЗ

ЕГО БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Я гек 2013

005543643

Омск-2013

005543643

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) на кафедре «Информационная безопасность».

Научный руководитель: Епифанцев Борис Николаевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационная безопасность» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

Официальные оппоненты: Костюков Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО НПЦ «Динамика»

Патронов Константин Сергеевич, кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Омский государственный

университет путей сообщения»

Защита состоится «26» декабря 2013 года, в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Тел./факс: (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук, доцент

В.Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Доходная часть бюджета России по итогам 2011 года на 52 % состояла из доходов от экспорта нефти и газа. Поэтому обеспечение бесперебойного функционирования нефтегазового комплекса страны является стратегически важной задачей государственного уровня. Порядка 98 % объема углеводородного сырья транспортируется до потребителей по трубопроводам, по имеющимся оценкам до 5 % этого объема теряется в результате хищений посредством несанкционированных врезок в продуктопроводы. Врезки зачастую являются причинами выхода продуктопроводов из строя, разлива продуктов и экологических катастроф.

На сегодняшний день для решения задачи обнаружения действующих врезок в линейную часть магистральных трубопроводов (ЛЧМТ) предложено множество методов: внутритрубная диагностика, пассивные и активные акустические методы, измерение электронной проводимости оболочек трубопроводов и др. Однако по ряду причин, они не решают обозначенную проблему. Главными методами обнаружения врезок остаются визуальный контроль ЛЧМТ и контроль внутритрубного давления продукта. Их использование не позволяет переломить положительную динамику количества актов незаконного вмешательства (АНВ).

Существующие методы нацелены на обнаружение действующих врезок, тогда как предпочтительна стратегия предупреждения врезок. Поэтому актуальной является задача разработки системы обнаружения врезок на стадии их подготовки.

Объектом исследования является охранная зона магистрального трубопровода — элемента природной среды.

Целью работы является повышение безопасности подземных магистральных трубопроводов от внешних угроз.

Задачи исследования:

а) разработать математический инструментарий для анализа взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность магистральных трубопроводов от внешних угроз, для оценки требований к системам обнаружения этих угроз контролируемым объектам;

б) основываясь на разработанном инструментарии, обосновать подход по оценке требуемых параметров системы обнаружения АНВ в охранной зоне трубопровода;

в) разработать технологию видеоанализа охранных зон контролируемого объекта, обеспечивающую достижение требуемых параметров видеоаналитической системы, обоснованных на основе экономических критериев;

г) разработать требования к сейсмоаналитической системе контроля безопасности охранных зон магистральных трубопроводов и обосновать способ их достижения на современном этапе развития сейсмических приемников.

Методологической основой исследования работы послужили работы В .В. Клюева, М.Д Генкина, С.П. Тимошенко, Р. Шериффа, Л.Д. Ландау, A.C. Боровского.

Научную новизну работы составляют:

а) математическая модель влияния внешних факторов на процесс контроля ЛЧМТ в рассматриваемый период и в ближайшей перспективе;

б) алгоритм краткосрочного прогнозирования изменения состояния объекта контроля, в условиях изменения внешних факторов;

в) метод повышения надежности обнаружения субъектов на динамических фонах с низким отношением сигнал/шум;

г) математическая модель вынужденных колебаний тонкой пластины, закрепленной по контуру и установленной на упругом грунте, при воздействии плоских сейсмических волн.

Практическая значимость заключается в возможности:

а) прогнозирования изменения динамики AHB в охранной зоне в ближайшей перспективе;

б) определения рациональных параметров систем контроля охранной зоны ЛЧМТ, использование которых позволит минимизировать суммарные ожидаемые расходы, связанные с внедрением и эксплуатацией средств контроля и потерь от AHB;

в) создания новых видов приборов сейсмического контроля на основе эффекта усиления, описываемого предложенной моделью колебаний пластины на упругом основании, характеризующихся повышенной дальностью и помехоустойчивостью при обнаружении AHB в охранной зоне объекта контроля;

г) повышения дальности и помехоустойчивости при обнаружении субъектов видеоаналитическими системами на динамических фонах с низким отношением сигнал/шум.

Методы исследований. В работе применялись методы системного анализа, математической теории устойчивости биологических сообществ, теории вероятностей, статистической теории обнаружения сигналов, теории упругости, численных методов, языков программирования, моделирование и расчет упругих колебаний пластин проводились в математическом пакете Wolfram Mathematica.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены и опубликованы автором лично. Автор разработал математическую модель влияния внешних факторов на процесс контроля ЛЧМТ, основанные на ней алгоритмы, их программную реализацию и провел ее испытание на статистических данных. Автор разработал видеоаналитический алгоритм и его программную реализацию, сформировал набор испытательных видеосигналов и провел на нем оценку надежности алгоритма. Вклад автора был определяющим среди других участников при разработке сейсмического метода контроля охранной зоны и равным с другими участниками при проведении его экспериментальных испытаний. Автор разработал модель пластины,

закрепленной на упругом основании, и ее программную реализацию, провел вычислительные эксперименты. Вклад автора в обоснование и определении структуры комплексной системы контроля охранной зоны был равным с другими участниками.

Внедрение научной работы. Результаты проведенных исследований являются составной частью научно-исследовательской работы, выполненной в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, г. Омск) в рамках реализации программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», контракт № П215 от 22.07.09 г.

Достоверность результатов исследования обосновывается:

- соответствием результатов моделирования со статистическими данными;

- проведением испытаний алгоритмов с использованием реальных сигналов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- международной научно-практической конференции «SWorld» Украина, г. Одесса, 2011 г.,

- десятом Всероссийском конкурсе-конференции студентов и аспирантов по информационной безопасности 81ВЮТО-2010 Томск, 2010 г.,

- научно-практической конференции «Международный информационный конгресс МИК-2012» Омск, 2012 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в журналах из Перечня ВАК, 2 статьи по материалам докладов на конференциях, 1 монография (в соавторстве), 2 отчета по НИР (в соавторстве). Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

а) математическая модель взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность магистральных трубопроводов от внешних угроз, и требования на ее основе к системам контроля безопасности этих объектов в ближайшей перспективе;

б) алгоритм определения рациональных параметров системы обнаружения актов незаконного вмешательства в охранную зону трубопровода на основе модели влияния внешних факторов на процесс контроля и разбиения пространства параметров контроля на совокупность . локальных подпространств;

в) метод повышения надежности обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций в охранных зонах трубопровода при использовании видеоаналитических систем через введение операции учета параметров перспективной проекции видеодетектора;

г) усовершенствование метода сейсмоаналитического контроля состояния безопасности охранной зоны трубопровода для заблаговременного обнаружения угроз объекту контроля.

Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1, 4, 6 области исследований паспорта специальности 05.11.13.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, иллюстрируется 44 рисунками и 7 таблицами, состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы из 87 наименований и 2 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные научные результаты и практическая ценность, описана структура диссертации.

В первой главе проведено аналитическое исследование проблемы обеспечения безопасности охранных зон магистральных трубопроводов от внешних угроз.

В разделе 1.1 проанализированы статистические данные по рассматриваемому виду AHB для различных регионов России, что позволило выявить основные виды внешних угроз безопасности нефтегазового трубопроводного транспорта: несанкционированные работы в полосе пролегания ЛЧМТ (в значительной части - несанкционированные врезки в трубопровод с целью хищения перекачиваемого продукта) и террористические акты.

В результате рассмотрения используемых на сегодняшний день методов обеспечения безопасности ЛЧМТ (преимущественно обходы и облеты) был сделан вывод об их недостаточной эффективности, ведущей к росту количества чрезвычайных ситуаций (ЧС) и снижению безопасности ЛЧМТ, а также о необходимости поиска новых подходов для решения задачи нейтрализации этих угроз.

В разделе 1.2 проведен обзор предлагаемых в патентной и периодической литературе методов обеспечения безопасности охранной зоны ЛЧМТ, из которого следует, что наиболее интенсивно ведется разработка методов внутритрубной диагностики, измерения расхода продукта, ультразвуковой и электромагнитной диагностики. Эти методы можно эффективно использовать для обнаружения зарождающихся и сформировавшихся в оболочке трубопровода сквозных дефектов и поиска уже установленных врезок, однако они не пригодны для выявления и предотвращения AHB в охранной зоне ЛЧМТ на стадии их подготовки.

Среди существующих методов подходящими для решения этой задачи были признаны прокладка волоконно-оптического, трибоэлектрического кабелей или разрывного микропровода вдоль полосы пролегания ЛЧМТ, использование извещателей на основе оптического луча, сейсмических датчиков и видеодетекторов. Было выявлено, что эти методы эффективны

только в случае охраны специально подготовленных участков (стерильные зоны) протяженностью до нескольких километров. Их применение в целях обеспечения безопасности ЛЧМТ затруднительно из-за высокой стоимости и высоких уровней ложных тревог, вызываемых существенными природными воздействиями растительного, животного и метеорологического происхождения.

В разделе 1.3 сделаны выводы, что для достижения сформулированной цели необходимо совершенствование методов обеспечения безопасности охранной зоны ЛЧМТ. Однако связанное с этим переоснащение систем обеспечения безопасности трубопроводного транспорта потребует значительных вложений. Главным в этой ситуации является вопрос о том, не произойдет ли в ближайшее время снижения количества АНВ обозначенного вида, что сделает эти вложения необоснованными расходами. Ответ на этот вопрос дается в следующей главе.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию целесообразности разработки и внедрения новых методов обеспечения безопасности ЛЧМТ от внешних угроз с использованием математической модели взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность магистральных трубопроводов от внешних угроз на основе анализа изменения динамики АНВ.

В разделе 2.1 представлен обзор методов моделирования и прогнозирования развития групповых противоборств. Был сделан вывод о пригодности данного математического инструментария для моделирования рассматриваемого процесса. Однако готовых моделей, пригодных для его моделирования, также как и возможных прототипов, найдено не было. Поэтому был сделан вывод о необходимости разработки новой модели на основе рассмотренных принципов, чему и посвящен следующий раздел.

В разделе 2.2 разработана математическая модель противоборства «служба безопасности-полиция-нарушители» (1), описывающая взаимодействие соответствующих групп в процессе обеспечения безопасности магистрального трубопровода от внешних угроз, и учитывающая изменения параметров технических и организационных мероприятий по обеспечению безопасности внедренных на объекте контроля.

О)

аи,

где N-¡{1) - функция зависимости количества нарушителей, совершающих незаконные врезки в ЛЧМТ, от времени; - функция числа незаконных врезок, через которые в момент времени / происходит отбор нефтепродукта из ЛЧМТ; Лу/) - функция числа элементов системы защиты ЛЧМТ в момент времени /, используемых для обнаружения фактов незаконного отбора нефтепродуктов из ЛЧМТ; АУУ) - функция количества сотрудников полиции, занимающихся в момент времени I расследованием фактов незаконных врезок в ЛЧМТ; гп — коэффициент распространения информации между членами социума; ат - среднее число выходов группы нарушителей к врезке за единицу времени; ру - вероятность обнаружения врезки за время одного выхода нарушителей к врезке; тт — коэффициент эффективности задержания нарушителей сотрудниками полиции при обнаружении врезки; рм — вероятность обвинительного приговора в случае судебного слушания; гТ2 -коэффициент естественного прироста количества носителей «идей незаконной врезки»; gт — размер средней группы нарушителей; 09 - доходы организации, тыс. р.; Бо — функция укрепления системы защиты ЛЧМТ; Б] — функция ослабления системы защиты ЛЧМТ; гш, гМ1 - коэффициент соответственно прироста и сокращения количества сотрудников полиции, расследующих факты незаконных врезок; гМ2 - коэффициент прироста количества сотрудников полиции за счет активности преступников при сбыте нефтепродуктов; -время задержки реагирования полиции на изменение количества незаконных врезок.

Таким образом, были установлены основные факторы, влияющие на изменение динамики процесса хищения/защиты продукта из ЛЧМТ, выявлены их связи. Полученная модель является системой нелинейных дифференциальных уравнений и достаточно сложна для теоретического анализа, однако, используя численные методы, с ее помощью можно получить выводы о развитии исследуемого процесса.

В разделе 2.3 оценена адекватность предложенной модели противоборства. Она подтверждается сравнением результатов моделирования, полученных по формулам (2), со статистическими данными по Самарской области (рис. 1), опубликованными в открытой печати.

2001 2003 2005 2007 2009 2011 Время, годы

2005

2007 2009 Время, годы

2011

Рисунок 1 - Сравнение результатов моделирования со статистическими данными по

Самарской области

Ат='\атРу{})ттрмИт{})Ым{^К А,. = 1^1 Л.(*)агЛ, (2) { { 8т

где Ат, Ау - соответственно количество обвинительных приговоров суда по фактам незаконных врезок и число устраненных незаконных врезок на временном интервале [/], /г]-

Коэффициент детерминации Д2 для количества выявленных врезок на временном интервале с 2005 года по 2010 год составил 0,884. Для числа задержанных полицией нарушителей Л2 составил 0,856. При этом соответствующие средние абсолютные погрешности составили 39,67 и 13,09, а относительные - 30,51 %. В целом можно говорить об удовлетворительной адекватности предложенной модели.

В разделе 2.4 описан и обоснован алгоритм краткосрочного прогнозирования изменения динамики незаконных врезок в ЛЧМТ, основанный на использовании предложенной модели противоборства (1).

На первом шаге алгоритма проводится обучение модели (1) статистическими данными с целью подбора методами Монте-Карло значений параметров, которые невозможно определить на основе собираемой статистики. В качестве критерия обучения можно использовать меры отклонения количеств выявляемых врезок Ау и задержанных нарушителей Ат (2), получаемых в результате моделирования, от реально зафиксированных значений, например коэффициент детерминации Л2.

Второй шаг — прогнозирование динамики количества врезок с использованием обученной модели. В ходе исследования модели в реакции участников противоборства на изменение экономических и социальных факторов была выявлена временная задержка в один год. Т.е. для получения краткосрочного годового прогноза динамики количества врезок нет необходимости прогнозирования изменения социальных и экономических факторов в регионе.

Пример построения краткосрочного прогноза на примере Самарской области приведен на рис. 2.

—*—Модель

• Сташсшка .......Пропюз

2005 2007 2009 2011 2013 2015 Время, годы

Статистика

2005 2007 2009 2011 2013 2015 Время, годы

Рисунок 2 - Сравнение результатов прогнозирования со статистическими данными по

Самарской области

Отклонение прогноза по количеству обвинительных приговоров составило 12% от фактического показателя в 2011 году, по изменению количества обнаруженных врезок - 26 % в 2012 году.

Предложенный алгоритм позволяет, учитывая сложные системные взаимосвязи в процессе защиты/хищения перекачиваемого продукта, давать краткосрочные прогнозы изменения динамики количества врезок в зависимости от выбранной стратегии защиты.

Построенные прогнозные оценки позволили сделать вывод о несоответствии используемых сегодня систем контроля ЛЧМТ современным угрозам, это неизбежно приведет к росту потерь в результате несанкционированной деятельности в ближайшей перспективе (см. рис. 2), что выявило необходимость разработки новых подходов к обеспечению безопасности ЛЧМТ.

В разделе 2.5 предлагается такой новый подход к обеспечению безопасности охранной зоны ЛЧМТ. Он основан на двух ключевых аспектах.

Во-первых, предлагается алгоритм определения экономически целесообразных параметров системы обеспечения безопасности ЛЧМТ на основе использования модели (1) (см. рис. 4). Иными словами - алгоритм выбора экономически рациональной стратегии. Он основывается на положении теории систем, согласно которому чем меньше расходов закладывается на безопасность создаваемой системы, тем больших потерь от несанкционированной деятельности следует ожидать при ее эксплуатации. Этот принцип проиллюстрирован на рис. 3.

Согласно этому принципу выбор стратегии /, максимизации надежности системы безопасности приводит к неоправданно высоким расходам на ее эксплуатацию. Слишком низкая надежность, напротив, стимулирует рост количества АНВ. Алгоритм, учитывая влияющие на динамику количества врезок факторы, находящиеся в сложной взаимозависимости, предлагает выбор рационльной стратегии контроля безопасности ЛЧМТ, основываясь на результатах имитационных экспериментов с моделью противоборства (1).

1 - расходы на эксплуатацию системы безопасности; 2, - потери от хищений продукта; 3, - суммарные издержки; і - различные социальные и экономические ситуации в регионе Рисунок 3 - Иллюстрация принципа защиты объекта по экономическому критерию

Ага - статистика количества обвинительных приговоров суда;

Ауо - статистика количества обнаруженных врезок; Ао — множество значений социальных и экономических показателей на временном отрезке обучения модели [/о,Л];

- множество значений параметров модели (1)

[/(„'1] - временной отрезок, на статистических значениях которого происходит обучение параметров модели

Обучение модели: определение значений параметров множества А модели (1) методом Монте-Карло

а - множество регулируемых параметров; ао - начальные значения параметров а; Ла - шаг изменения параметров а; «шах - максимальные значения параметров а;

а>ат„ —

НеГ"}

Решение системы (1) с

параметрами а, А0 и А на

отрезке [/], /2]

V

Вычисление й = О^+Оу

на отрезке [гь/2]

1

а= ао+і Аа

['ь'г] - временной отрезок, для которого происходит прогнозирование динамики количества АНВ;

В - сумма расходов на эксплуатацию системы безопасности ЛЧМТ О.ч и потерь от АНВ в охранной зоне ЛЧМТ йу.

Сі

атт - значения параметров множества а при которых £> принимает наименьшее значение.

С

Конец

Рисунок 4 - Схема алгоритма определения рациональных значений параметров системы обнаружения АНВ в охранной зоне ЛЧМТ

В качестве критерия рационального выбора выступает показатель экономической эффективности стратегии безопасности - минимизация суммы расходов на эксплуатацию системы безопасности ЛЧМТ и потерь от несанкционированных врезок в ЛЧМТ О у. С учетом модели противоборства (1) Оу и £)$ можно определить по формулам (3).

где ку— коэффициент сопутствующих хищению нефтепродуктов через врезку в ЛЧМТ потерь; Суо - удельные потери нефтепродуктов за единицу времени через врезку в ЛЧМТ, тыс. р.; С50 - удельные расходы на содержание каждого элемента системы защиты за единицу времени, тыс. р.

На первом шаге алгоритма проводится обучение модели (1) на временном отрезке [/0,^1] аналогично алгоритму, описанному в разделе 2.4.

Второй шаг - выбор множества регулируемых параметров а системы безопасности. Например, надежности обнаружения предвестников ЧС, дальности обнаружения, времени реакции при обнаружении нарушений и т.д.

Третий шаг заключается в выборе множества альтернативных стратегий обеспечения безопасности для внедрения в момент времени /]. Каждая стратегия описывается набором значений для регулируемых параметров множества а. Значения параметров должны выбираться из соответствующих диапазонов допустимых значений.

Четвертый шаг — прогнозирование величины суммарных расходов на эксплуатацию системы безопасности И по формулам (3) на временном отрезке [*1,*г] с использованием обученной на первом шаге модели. При этом строится отдельный прогноз для каждой из альтернативных стратегий обеспечения безопасности, т.е. производится решение обученной модели (1) с использованием соответствующих наборов значений регулируемых параметров множества а на временном отрезке [Л,^]-

На последнем шаге в качестве рациональной выбирается та стратегия (т.е. набор значений регулируемых параметров, соответствующий ей), при которой суммарные расходы О оказались минимальными.

Иными словами, алгоритм позволяет построить кривые 3, на рис. 3 и определить их минимумы — рациональные параметры системы обнаружения АНВ в охранной зоне ЛЧМТ. Остается без ответа вопрос о том, построение системы контроля охранной зоны на основе каких извещателей обеспечит нейтрализацию внешних угроз ЛЧМТ, перечисленных в главе 1.

Второй аспект предлагаемого подхода к обеспечению безопасности охранной зоны ЛЧМТ от внешних угроз заключается в использовании нескольких видов извещателей тревог, получающих информацию из различных независимых каналов распространения информации о внешних угрозах ЛЧМТ, с целью повышения надежности контроля без значительного увеличения стоимости системы контроля безопасности (см. рис. 5).

'2

(3)

Видеоаналитическая подсистема

Виброакустический детектор

Сейсмо-аналитическая подсистема

Служба Информа-

безопасности 4— ционная

разведка

Ч Г \

Обработка данных

Кадровое управление

Служба быстрого реагирования

Потери от АНВ Расходы на безопасность

Экономика системы

Информация о параметрах процесса перекачки

1 - подземный трубопровод; 2 - охранная полоса; 3 - информация о состоянии охранной полосы по телевизионному каналу; 4 - информация о появлении в охранной полосе нарушителей и их действиях по сейсмическому каналу; 5 - сигналы управления генератором упругих колебаний; 6 - информация о состоянии

контролируемого виброакустическим детектором участка трассы Рисунок 5 - Структурная схема системы обеспечения безопасности ЛЧМТ

Исходя из общей теоремы о повторении опытов проиллюстрировано достижение нужного уровня надежности при последовательном увеличении числа информативных независимых признаков, анализируемых системой обнаружения. Так, например, если каждый из признаков обеспечивает обнаружение событий с вероятностью 0,1, то при использовании четырех независимых признаков этот показатель увеличивается до 0,34.

Предлагаемая система обеспечения безопасности ЛЧМТ решает две задачи. Во-первых - обнаружение несанкционированных врезок с использованием активных виброакустических детекторов.

Выбор в качестве базового элемента для предотвращения ЧС активного виброакустического извещагеля целесообразен с точки зрения экономики системы. Предлагаемые в патентной литературе технические решения (обрывной микропровод, оптоволоконный кабель, сейсмические датчики и др.) либо на порядок превышают по стоимости предлагаемый, либо используются для разового извещения о появлении субъекта в охранной зоне, либо характеризуются высокой вероятностью ложной тревоги.

Вторая решаемая задача - предотвращение совершения несанкционированных врезок. Это достигается путем использования сейсмовидеоаналитической подсистемы контроля безопасности ЛЧМТ. Анализ информации, передаваемой по сейсмическому и телевизионному каналу,

позволяет обнаружить не только факт появления нарушителей, но и определить вид их деятельности, что дает возможность дополнительно снизить количество ложных тревог. При этом каналы являются взаимодополняющими. Так, телевизионная подсистема обеспечивает максимальную эффективность на протяженных хорошо просматриваемых прямых участках, а сейсмическая, напротив, на пересеченной местности, но обладает малой дальностью обнаружения.

Высокую стоимость элементов сейсмотелевизионной системы защиты компенсирует тот факт, что протяженность трассы пролегания трубопровода, на которой вероятность установки врезки превышает 0,9, составляет менее 1 %. Это позволяет сократить требуемое число базовых элементов охраны (извещателей) и устанавливать их на стратегически важных участках, включая окрестности насосных и распределительных подстанции и т.д.

Предлагаемая система обеспечения безопасности ЛЧМТ от внешних угроз определяет множество используемых в системе предотвращения ЧС типов извещателей и конкретные рекомендации об их необходимом количестве и значениях их параметров. Такое построение системы предотвращения ЧС решает задачу обнаружения проведения несанкционированных работ в охранной зоне ЛЧМТ на этапе подготовки и предоставляет обслуживающей ЛЧМТ компании теоретический базис для построения обоснованных планов предотвращения ЧС.

На сегодняшний день все элементы системы обеспечения безопасности ЛЧМТ, представленной на рис. 5, проработаны достаточно полно. Однако существующие сейсмоаналитические и видеоаналитические алгоритмы слабо приспособлены к задаче обеспечения безопасности ЛЧМТ, характеризующейся высокими уровнями природных шумов и большой протяженностью охраняемого периметра.

В третьей главе описана разработка лишенного указанных недостатков алгоритма обнаружения объектов угроз на ЛЧМТ на базе видеоаналитических систем.

Раздел 3.1 описывает нашедшие широкое применение методы обнаружения нарушителей и рассматривает их с точки зрения соответствия специфике задачи на ЛЧМТ. Сделан вывод о том, что задачи обнаружения нарушителей в условиях сильных осадков и на фоне динамических природных фонов, характерных для территории пролегания ЛЧМТ, на значительном расстоянии (более 100 м) от видеодетектора на сегодняшний день не решены и являются актуальными направлениями исследований.

В разделе 3.2 предложен новый подход по обнаружению предвестников ЧС на основе учета параметров перспективной проекции видеодетектора и принципа усреднения сигнала.

Показано, что учет параметров перспективной проекции видеодетектора позволит снизить вычислительную сложность используемых алгоритмов обнаружения и снизить ложные срабатывания и пропуски целей.

Получены выражения (4) для определения реального расстояния г от видеодетектора до обнаруженного объекта и реальных размеров х обнаруженного объекта (см. рис. 6), что позволило повысить точность классификации обнаруженных объектов по признакам скорости и габаритов.

_ {2y'/SH - l)(- Я sin « + F) - 2HF eos а! h - IFsma lh + cosa(2y'/SH -1) ' w(2x'/S,r - г eos a - H sin a + F) 2F '

где F - фокусное расстояние; H - высота установки видеодетектора над уровнем земли; а - угол наклона видеодетектора; кий - линейные размеры матрицы камеры; Sw и SH - разрешение экрана, на котором будет отображаться сетка перспективной проекции.

Рисунок 6 - Примеры расчета перспективной проекции видеокамеры

То есть, обнаружив некоторый объект высоты И с нижней гранью в координате У, мы можем, воспользовавшись выражением (4), определить истинную высоту объекта и соответствует ли она ожидаемой высоте нарушителя, тем самым произведя фильтрацию результатов алгоритма обнаружения по размеру, исключив реакцию на мелких животных и т.д. Аналогично можно произвести фильтрацию по скорости движения объекта.

Далее, для снижения нагрузки на операторов системы, были сформулированы правила автоматического принятия решения о том, что обнаруженный в охранной зоне объект выполняет недопустимые виды деятельности: А, - проникновение субъекта в охранную зону, А2 - значительное отклонение субъекта от ожидаемого маршрута при прохождении охраняемой территории. Определение таких типов активности возможно на основе анализа реальных координат субъекта с использованием выражений (5).

_ íl. (j, z)eP = \JP„ _ íl,£|v(/)- v(f -1} > vm.,x или v,0 < Vmm, ~ [0, (x, z)t P = U^j, ~ jo,иначе, (5)

v(i) = v(x, - ь z, -Z,- i)/A t, где vmax - максимально допустимое накопленное изменение скорости; v,0 -среднее значение скорости за t0 кадров; v^n - минимально допустимая средняя

скорость; Xj и — реальные координаты субъекта в /-м кадре; Ы — время с момента поступления предыдущего кадра.

С целью оценки надежности и эффективности функционирования предложенного алгоритма по обнаружению нарушителей, сравнению его с некоторыми известными аналогами, была создана программная реализация алгоритма.

Учитывая, что существующие стандартные наборы испытательных видеоизображений не соответствуют реальным условиям охранной зоны ЛЧМТ, для испытания алгоритма был подготовлен набор, отличающийся от существующих наборов большим расстоянием нарушителей до камеры (до 200 м), наличием природных динамических фонов и сильных осадков (включая налипание снега на объектив камеры), животных (птиц и собак). Общее количество изображений нарушителей составило порядка 22 тыс.

Результаты испытания предложенного алгоритма и его сравнения с аналогами приведены в табл. 1. В ней приняты обозначения: р{ - вероятность ложной тревоги, р0 - вероятность пропуска цели; уровень значимости а равен 0,9.

Верхний и нижний пределы доверительного интервала для р0 с уровнем значимости а определяются в соответствии с выражением (6).

* ОН)=(б)

где п — общее количество изображений нарушителей во всех кадрах; т — число не обнаруженных изображений нарушителей во всех кадрах.

Аналогичным образом можно определить доверительный интервал для вероятности ложной тревоги. С учетом выражения (6), на примере видеосюжета «Двор», с уровнем значимости 0,9 вероятность пропуска цели составила р0 — 0,041 ± 0,003, а вероятность ложной тревоги р\ = 0,003 ± 0,001.

Таблица 1 — Результаты испытания алгоритмов

Название Видеосюжет

алгоритма «Двор» «Периметр» «Периметр- «Перекрытие»

снег»

Р\ Ро Р\ Ро Р\ Ро Р\ Ро

Смесь 0,118± 0,015± 0,423± 0,242± 0,683± 0,371± 0 0

нормальных 0,004 0,002 0,016 0,014 0,017 0,018

распределе-

нии

Статисти- 0,124± 0,043± 0,659± 0,228± 0,831± 0,772± 0,092± 0,056±

ческая 0,005 0,003 0,015 0,013 0,014 0,015 0,008 0,007

модель фона

Предложен- 0,041± 0,003± 0,175± 0,125± 0,298± 0,171± 0 0

ный подход 0,003 0,001 0,012 0,010 0,017 0,014

Таким образом, можно говорить об экономической целесообразности использования видеодатчиков на участках повышенной стратегической важности и на протяженных прямых участках с умеренной полевой растительностью. При этом для участков с высокой концентрацией деревьев, перекрывающих обзор необходимо предусмотреть альтернативные методы контроля охранной зоны.

В главе 4 предлагаются способы усовершенствования сейсмического метода обнаружения предвестников ЧС в охранной зоне ЛЧМТ, заключающиеся в повышении надежности при работе в дальней зоне обнаружения.

Раздел 4.1 посвящен обзору существующих сейсмических систем обнаружения предвестников ЧС и соответствующих алгоритмов обработки сейсмических сигналов. Показано, что специфика охранной зоны ЛЧМТ (высокая протяженность) требует увеличения радиуса обнаружения существующих сейсмодатчиков, без ухудшения надежности, с целью снижения стоимости системы обнаружения предвестников ЧС посредством уменьшения количества необходимых элементов.

Показано, что достижение поставленной задачи возможно путем повышения отношения сигнал/шум (ОСШ) и усиления сигнала на входе сейсмоаналитической системы. Разработка таких способов описана в следующих разделах.

Раздел 4.2 описывает и обосновывает структуру предлагаемой сейсмоаналитической подсистемы, использующей операцию согласованной фильтрации для повышения ОСШ на ее входе.

Был проведен анализ обнаруживаемых сейсмических предвестников ЧС, техногенных и природных сейсмических шумов. В результате было выявлено, что энергии полезного сигнала и шумов сосредоточены в разных частотных полосах, что делает целесообразным введение операции согласованной фильтрации сигнала на входе сейсмодатчиков с эталонами предвестников ЧС.

В предлагаемой структуре подсистемы решение о появлении сигнала предвестника ЧС осуществляется по одной из классических схем: стратегии Байеса, Неймана-Пирсона и др. Для их применения в рамках экспериментов были получены плотности распределения вероятностей амплитуд на выходе согласованного фильтра, как при наличии полезного сигнала, так и при его отсутствии (только шум). Такие распределения представлены на рис. 7. Видно, что распределения пространственно разнесены, это позволяет проводить классификацию источников сигнала с высокой надежностью.

В табл. 2 приведены результаты оценки вероятностей ошибок пропуска цели (р0) и ложных тревог (/?]) для двух разных эталонов шагов нарушителей на расстоянии 1 м и 10 м от сейсмодатчика.

Вероятность ложной тревоги при использовании согласованной фильтрации на случайных шумах достаточно мала. Но увеличение расстояния снижает эффективность обнаружения сейсмических предвестников ЧС. Таким образом, был сделан вывод о необходимости повышения надежности обнаружения в дальней зоне.

----Шаги человека (1 м)

.......Шаги человека (10 ы)

Индустриальный шум 12 авто/мин -Шум от пстра. 0 м/с-

-0.5 ,0 0,5 1

Значение коэффициента корреляции

Рисунок 7 — Распределения коэффициентов корреляции эталона шага человека,

записанного на расстоянии 1 м, с сигналами от различных источников

Таблица 2 — Вероятности пропуска цели и ложных тревог с учетом вида шумов

Источник шума Источник сигнала Размер выборки, тыс. шт.

человек 80 кг (расстояние -1м) человек 100 кг (расстояние -10 м)

Ра р. Ро

Корни деревьев с/„ш = 1 м, Скорость ветра 0-0,2 м/с 0,0001 0,0001 0,0006 0,0003 480

Корни деревьев с/иш = 1 м, Скорость ветра 3-6 м/с 0,0004 0,0006 0,0015 0,0029 480

Автомобильная трасса ¿„ш = 1 м, 12 автомобилей в минуту 0,0003 0,0005 0,0025 0,0019 240

В разделе 4.3 предлагается и теоретически обосновывается способ повышения надежности работы сейсмоаналитической системы обеспечения безопасности ЛЧМТ в дальней зоне обнаружения, основанный на математической модели вынужденных колебаний тонкой пластины, закрепленной по контуру и установленной на упругом фунте, при воздействии плоских сейсмических волн (см. рис. 8).

Модель выражается в форме решения уравнения вынужденных колебаний пластины на упругом основании (7):

где <7 = оа>„ / ду - напряжение упругой среды в направлении оси у; \'(1(х, :) -амплитуда колебаний пластины; У1(х, г) - амплитуда колебаний основания вдоль оси у; р{х) — сила реакции основания, О - цилиндрическая жесткость пластины; Л0 - толщина пластины; р0 - плотность пластины; Д - оператор Лапласа.

О— прямоугольная упругая пластина; 1 - упругий грунт

Рисунок 8 - Схема постановки задачи построения математической модели вынужденных упругих колебаний тонкой пластины

Решение уравнения было получено в форме Навье (8) при условии соблюдения граничных условий проскальзывающего контакта для плоскости раздела упругой среды и пластины у=уо, 0 < х < а: г0 (х,у0,:) = _у0, г), аху = О,

(Ту, = 0:

^■АЯ.В, ехр(-/Ую) . {тюЛ . (пжЛ у„ = > > —————г^эт - вт — ,

В, =— \2А2 ехр| - г—у соз <? А + // + соб 2 вт 6> -

а { {. Р )

-^Л, ехр^-/ — + А„ ехр^1—уСО5 0^(Я + 2//СО52 (8)

-1 + (-1)" ехр /а —в1П0 , . ,\2

В2=4 — ((-1)" -1)-/ - 2 К В.-пЛ^) +

" I V ( ш ■ ^ \а ъ ) а

\тл) — I аг—51П <9 I

При этом амплитуды отраженных продольной А, и поперечной Л2 волн выражаются в форме (9).

: 4,Є

= 2V

1-2

(я+ 2//cos2 g)2

"""У0"*) (л+ 2//cos2 ¿»У

: (я + 2¡л cos2 б»)2 -

(A

+ Г— - p(,/n,iylcosi? + 2^fiHA + 2fi-^s'm2e) sin в sin 26». Л V to J

Были проведены вычислительные эксперименты с уравнениями (8)-(9), по результатам которых было показано, что амплитуда колебаний центра закрепленной по краям пластины превосходит амплитуду падающей из упругой среды сейсмической волны в этой же точке в отсутствии пластины. Этот эффект объясняется перераспределением упругих напряжений в пластине от закрепленных краев к свободно покоящемуся на основании центру пластины.

При этом коэффициент усиления падающей волны принял форму (10).

К =

.1 --І ' 2"~ 2'

0

/А-

(10)

Так, например, на рис. 9 показаны графики зависимости коэффициента усиления амплитуды сейсмического сигнала (10) от частоты для пластин размером 0,5x0,25 м разной толщины.

Предложенный подход по усилению амплитуды сейсмических волн, генерируемых нарушителями, может применяться с любыми типами сейсмодатчиков. Как видно из выражений (8)-(9) применение прямоугольных пластин для фокусировки сейсмических волн при усилении сигнала приведет к искажению частотного спектра регистрируемого сигнала, но, используя предложенную модель колебаний пластины, можно подобрать параметры пластины таким образом, чтобы максимизировать наиболее интересные с точки зрения обнаружения нарушителей частоты 5—40 Гц.

Ё 2

•е> і

-е<

S ы

Сигнал Шум

; ^ —t---

j /

І .••'

f—f~\ • ■

-- /¡=0,001 м

— >2=0,002 м ...../з=0.003 м

— Грунт без пластины

О 50 100 150 200

Частота падающей волны, Гц Рисунок 9 - Коэффициент усиления амплитуды падающей волны для пластины 0,5x0,25 м различной толщины h

Эффект от внедрения предложенного подхода был теоретически определен сравнением ОСИ! на входе сейсмического извещателя с

использованием предложенного подхода и без. Без пластины ОСШ составило 0,22. Результаты расчетов ОСШ для случая с пластиной показаны на рис. 10.

Толщина пластины Ы, мм

Рисунок 10 - Зависимость ОСШ от толщины пластины размеров 0,5x0,25 м

На основе полученных оценок по увеличению ОСШ были произведены расчеты увеличения максимального расстояния регистрации сейсмических сигналов извещателем. В результате был сделан вывод о возможности сокращения количества необходимых извещателей в сейсмоаналитической системе при использовании предложенного подхода в 1,5-6 раз в зависимости от типов грунтов без снижения надежности обнаружения предвестников ЧС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ

1. Предложены модель и алгоритм, позволяющие теоретически обосновать рациональные требования к системам обеспечения безопасности ЛЧМТ с учетом прогнозирования изменения динамики внещних угроз.

2. Сделан вывод о задержке влияния внешних факторов на динамику количества АНВ в охранной зоне ЛЧМТ в 1-2 года.

3. Сделан вывод о неизбежности роста количества АНВ в охранной зоне ЛЧМТ в ближайшей перспективе и необходимости разработки и внедрения новых подходов к обеспечению безопасности ЛЧМТ.

4. Предложена и обоснована структура системы обеспечения безопасности ЛЧМТ от внешних угроз, основанной на комплексировании виброакустических извещателей и сейсмовидеоаналитической подсистемы и решающей задачи обнаружения несанкционированных врезок в ЛЧМТ и предотвращения совершения противоправных действий в охранной зоне ЛЧМТ.

5. Разработан метод повышения надежности обнаружения предвестников ЧС в охранных зонах трубопровода при использовании видеоаналитических систем посредством учета параметров перспективной проекции видеодетектора.

6. Построена математическая модель вынужденных колебаний тонкой пластины, закрепленной по контуру и установленной на упругом грунте. На ее основе предложены усовершенствованный способ и устройство

сейсмоаналитического контроля состояния безопасности охранной зоны JI4MT для заблаговременного обнаружения угроз объекту контроля в дальней зоне.

7. Сделан вывод о возможности сократить количество требуемых сейсмических извещателей в 1,5-6 раз без снижения надежности обнаружения предвестников ЧС при использовании предложенного метода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук

1. Епифанцев Б.Н., Пятков A.A. Предупреждение чрезвычайных ситуаций на магистральных продуктопроводах: в 2-х частях. Ч. 1. Обнаружение несанкционированных вторжений в охранную зону продуктопровода: монография / Б.Н. Епифанцев, A.A. Пятков. - Омск: СибАДИ, 2013. - 122 с.

2. Епифанцев Б.Н., Пятков A.A. Математическая модель противоборства конфликтующих сторон // Безопасность в техносфере. — 2012. - №5. - С. 55-59.

3. Пятков A.A. Модель противоборства сторон при хищении-защите перекачиваемых по трубопроводам продуктов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». — 2012. - №5. - С. 569-579.

4. Пятков A.A. Подход к прогнозированию врезного терроризма на магистральных нефтепродуктопроводах // Технологии нефти и газа. - 2012. -№1. - С. 60-63.

5. Мишурин А.О., Пятков A.A. Подход к определению минимальных расходов на системы защиты объектов информатизации на основе математической модели противоборства сторон // Омский научный вестник. -2011.—№1 (97).-С. 172-177.

Публикации в других научных журналах и изданиях

6. Пятков A.A. Разработка математической модели противоборства защитников и нарушителей с использованием теории массового обслуживания // Труды молодых ученых, аспирантов и студентов: межвуз. сб. — Омск: СибАДИ, 2010.-241 с.

7. Пятков A.A., Федотов A.A. Программно-аппаратный комплекс предотвращения несанкционированной деятельности на магистральных продуктопроводах // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. — 2011. — Т. 2. - №4. — С. 88-91.

8. Пятков A.A. Интегрированная модель взаимодействия противоборствующих сторон по хищению-защите информации // Электронное правительство - новые возможности управления государством. Материалы международного информационного конгресса «МИК-2012». Правительство Омской области. - 2012. - С. 221-227.

Подписано к печати 22.11.2013. Формат 60x84 '/,6. Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 783.

Тираж изготовлен в типографии «Печатный двор Филипп» с оригинал-макета заказчика. 644024, г. Омск, ул. Ленина, 22. Тел./факс: 308-308

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

04201454944

На правах_рукописи

ПЯТКОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОХРАННОЙ ЗОНЫ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ УГРОЗ

ЕГО БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Епифанцев Б.Н., д.т.н., проф.

Омск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

1 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ОХРАННЫХ ЗОН МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ВНЕШНИХ УГРОЗ...............................................................9

1.1 Угрозы безопасности трубопроводным системам.................................9

1.2 Методы предотвращения внешних угроз магистральным трубопроводам............................................................................................................16

1.3 Выводы......................................................................................................18

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОХРАННОЙ ЗОНЫ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ПРОДУКТОПРОВОДОВ......20

2.1 Модели противоборств............................................................................20

2.1.1 Модель войны или сражения..................................................23

2.1.2 Модель «хищник-жертва»......................................................24

2.1.3 Модели Вольтерра с учетом конкуренции............................25

2.1.4 Модель Холлинга-Тэннера.....................................................26

2.2 Модель взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность ЛЧМТ от внешних угроз................28

2.3 Адекватность модели..............................................................................37

2.4 Прогнозные оценки по интенсивности

нарушений безопасности ЛЧМТ..............................................................................41

2.5 Облик системы обеспечения безопасности ЛЧМТ на современном этапе и в ближайшей перспективе....................................................46

2.5.1 Принцип экономической целесообразности.........................46

2.5.2 Облик системы обеспечения безопасности ЛЧМТ...............50

2.6 Выводы......................................................................................................55

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЧС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ВИДЕОАНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ......................................................................56

3.1 Обоснование эффективности видеоаналитических систем в

задаче обнаружения предвестников нарушений.....................................................56

3.2 Методы обнаружения субъектов на видеоизображениях....................60

3.3 Метод обнаружения субъектов на видеоизображениях

в сложных природных условиях...............................................................................62

3.4 Выводы......................................................................................................75

4 СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЧС ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ КОЛЕБАНИЯМ.........................77

4.1 Обзор алгоритмов обнаружения предвестников ЧС по сейсмическому каналу...............................................................................................77

4.2 Способ повышения ОСШ на входе сейсмоаналитической

системы на основе согласованной фильтрации......................................................83

4.3 Способ повышения надежности обнаружения предвестников ЧС

по сейсмическим колебаниям в дальней зоне.........................................................92

4.4 Выводы....................................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................112

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................117

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРОГРАММА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОТИВОБОРСТВ «СФЕРА»..................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Б КОМПЛЕКС «М-1П» ДЛЯ ОТРАБОТКИ АЛГОРИТМОВ ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЧИСЛЕННОСТИ НАРУШИТЕЛЕЙ В ОХРАНЯЕМОЙ ЗОНЕ ЛЧМТ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОВОДИМЫХ ИМИ РАБОТ............................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Доходная часть бюджета России по итогам 2011 года на 52 % состояла из доходов от экспорта нефти и газа. Поэтому обеспечение бесперебойного функционирования нефтегазового комплекса страны является стратегически важной задачей государственного уровня. Порядка 98 % объема углеводородного сырья транспортируется до потребителей по трубопроводам, по оценкам экспертов от 1,5 % до 10 % этого объема теряется в результате хищений посредством несанкционированных врезок в продуктопроводы [1, 2]. Такие врезки зачастую являются причинами выхода продуктопроводов из строя, разлива продуктов и экологических катастроф. Суммарный ущерб бюджету России от потерь оценивается в 19-37 млрд. р. [3].

На сегодняшний день для решения задачи обнаружения действующих незаконных врезок в линейную часть магистральных трубопроводов (ЛЧМТ) предложено множество методов: внутритрубная диагностика, пассивные и активные акустические методы, измерение электронной проводимости оболочек трубопроводов и др. Однако, по ряду причин, они еще не нашли широкого применения. Главными методами обнаружения врезок остаются визуальный контроль ЛЧМТ и контроль внутритрубного давления продукта. Стратегии безопасности ЛЧМТ, принятые в России, оказались неспособными переломить негативную тенденцию распространения незаконных врезок. Крупнейшие нефтегазовые компании России признают остроту проблемы незаконных врезок и говорят о неэффективности существующих подходов к борьбе с ней.

Доступные на сегодняшний день решения безопасности ЛЧМТ обладают рядом недостатков. Во-первых, существующие методы в основном нацелены на обнаружение уже действующих врезок. Тогда как обнаружение врезок на этапе подготовки позволило бы значительно снизить потери, связанные с ремонтом и устранением разливов нефти. Во-вторых, при внедрении тех или иных изменений в стратегию безопасности ЛЧМТ, не учитывается их системное влияние на

динамику количества незаконных врезок, что может привести к неоправданно завышенным расходам на обеспечение безопасности или, напротив, к недопустимым размерам хищений. Это делает актуальными задачи поиска рациональных стратегий безопасности продуктопроводов и выработки методов обнаружения незаконных врезок на этапе подготовки.

Объектом исследования является охранная зона магистрального трубопровода — элемента природной среды.

Целью работы является повышение безопасности подземных магистральных трубопроводов от внешних угроз.

Задачи исследования:

- разработать математический инструментарий для анализа взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность магистральных трубопроводов от внешних угроз, для оценки требований к системам обнаружения этих угроз контролируемым объектам;

- основываясь на разработанном инструментарии, обосновать подход по оценке требуемых параметров системы обнаружения AHB в охранной зоне трубопровода;

- разработать технологию видеоанализа охранных зон контролируемого объекта, обеспечивающую достижение требуемых параметров видеоаналитической системы, обоснованных на основе экономических критериев;

- разработать требования к сейсмоаналитической системе контроля безопасности охранных зон магистральных трубопроводов и обосновать способ их достижения на современном этапе развития сейсмических приемников.

Методологической основой исследования работы послужили работы В.В. Клюева, М.Д Генкина, С.П. Тимошенко, Р. Шериффа, Л.Д. Ландау, A.C. Боровского.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель влияния внешних факторов на процесс контроля ЛЧМТ в рассматриваемый период и в ближайшей перспективе;

- алгоритм краткосрочного прогнозирования изменения состояния объекта контроля, в условиях изменения внешних факторов;

- метод повышения надежности обнаружения субъектов на динамических фонах с низким отношением сигнал/шум;

- математическая модель вынужденных колебаний тонкой пластины, закрепленной по контуру и установленной на упругом грунте, при воздействии плоских сейсмических волн.

Практическая значимость заключается в возможности:

- прогнозирования изменения динамики AHB в охранной зоне в ближайшей перспективе;

- определения рациональных параметров систем контроля охранной зоны JT4MT, использование которых позволит минимизировать суммарные ожидаемые расходы, связанные с внедрением и эксплуатацией средств контроля и потерь от AHB;

- создания новых видов приборов сейсмического контроля на основе эффекта усиления, описываемого предложенной моделью колебаний пластины на упругом основании, характеризующихся повышенной дальностью и помехоустойчивостью при обнаружении AHB в охранной зоне объекта контроля;

- повышения дальности и помехоустойчивости при обнаружении субъектов видеоаналитическими системами на динамических фонах с низким отношением сигнал/шум.

Методы исследований. В работе применялись методы системного анализа, математической теории устойчивости биологических сообществ, теории вероятностей, статистической теории обнаружения сигналов, теории упругости, численных методов, языков программирования, моделирование и расчет упругих колебаний пластин проводились в математическом пакете Wolfram Mathematica.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены и опубликованы автором лично. Автор разработал математическую модель влияния внешних факторов на процесс контроля ЛЧМТ, основанные на ней алгоритмы, их программную реализацию и провел ее испытание на статистических данных.

Автор разработал видеоаналитический алгоритм и его программную реализацию, сформировал набор испытательных видеосигналов и провел на нем оценку надежности алгоритма. Вклад автора был определяющим среди других участников при разработке сейсмического метода контроля охранной зоны и равным с другими участниками при проведении его экспериментальных испытаний. Автор разработал модель пластины, закрепленной на упругом основании, и ее программную реализацию, провел вычислительные эксперименты. Вклад автора в обоснование и определение структуры комплексной системы контроля охранной зоны был равным с другими участниками.

Внедрение научной работы. Результаты проведенных исследований являются составной частью научно-исследовательской работы, выполненной в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, г. Омск) в рамках реализации программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», контракт № П215 от 22.07.09 г.

Достоверность результатов исследования обосновывается:

- соответствием результатов моделирования со статистическими данными;

- проведением испытаний алгоритмов с использованием реальных сигналов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- международной научно-практической конференции «БШогЫ» Украина, г. Одесса, 2011 г.,

- десятом Всероссийском конкурсе-конференции студентов и аспирантов по информационной безопасности 81ВЕЧРО-2010 Томск, 2010 г.,

- научно-практической конференции «Международный информационный конгресс МИК-2012» Омск, 2012 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в журналах из Перечня ВАК, 2 статьи по материалам докладов на конференциях, 1 монография (в соавторстве), 2 отчета по НИР (в соавторстве). Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

- математическая модель взаимодействия технических и организационных мероприятий, определяющих безопасность магистральных трубопроводов от внешних угроз, и требования на ее основе к системам контроля безопасности этих объектов в ближайшей перспективе;

- алгоритм определения рациональных параметров системы обнаружения актов незаконного вмешательства в охранную зону трубопровода на основе модели влияния внешних факторов на процесс контроля и разбиения пространства параметров контроля на совокупность локальных подпространств;

- метод повышения надежности обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций в охранных зонах трубопровода при использовании видеоаналитических систем через введение операции учета параметров перспективной проекции видеодетектора;

- усовершенствование метода сейсмоаналитического контроля состояния безопасности охранной зоны трубопровода для заблаговременного обнаружения угроз объекту контроля.

Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1, 4, 6 области исследований паспорта специальности 05.11.13.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, иллюстрируется 44 рисунками и 7 таблицами, состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы из 87 наименований и 2 приложений.

1 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ОХРАННЫХ ЗОН МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ВНЕШНИХ

УГРОЗ

Актуальность проблемы повышения безопасности магистральных трубопроводов от внешних угроз определяется следующими факторами: высокая вероятность реализации этих угроз, причиняемый ими значительный экономический ущерб, а также неспособность существующих систем и методов контроля эффективно нейтрализовать их. Анализу указанных факторов посвящена данная глава.

1.1 Угрозы безопасности трубопроводным системам

Магистральные трубопроводы являются субъектом ФЗ от 21.07.1997 №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», в соответствии с которым под безопасностью понимается состояние защищенности интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах. Состояние защищенности в соответствии с проектом «Правил безопасности для МТ» Ростехнадзора РФ определяется количественной оценкой уровней риска аварий вследствие реализации угроз. В качестве таких количественных оценок риска выступают частота (вероятность) реализации угроз и возможные последствия, в конечном итоге определяемые денежным эквивалентом.

Угрозы безопасности трубопроводных систем могут стать причинами чрезвычайных ситуаций (ЧС), сопровождающихся выходом перекачиваемого продукта в окружающую среду, т.е. экологическими катастрофами, нанесением вреда здоровью граждан и экономического ущерба юридическим лицам и государству.

Источниками ЧС на линейной части подземных магистральных трубопроводов (ЛЧМТ), как видно из рисунка 1.1, являются следующие основные факторы [4]:

1) коррозионный износ стенок трубопровода;

2) проведение несанкционированных работ в полосе пролегания ЛЧМТ (в значительной части — несанкционированные врезки в трубопровод с целью хищения перекачиваемого продукта);

3) террористические акты.

^007 ¿0 06 | 0 05 о 00t = 0 0} | 0 02 £ оо1

у

0

о

¿г

о

с

у

— у

о У о г

У — _ У

У

У с_

ч

□ 1962-2004

□ 2000-2001

у о — с_

у у

— ^ '-> о

У

у

у у

Причина

Рисунок 1.1 - Статистика причин чрезвычайных ситуаций на магистральных

трубопроводах

В соответствии с российским законодательством [5] второй и третий факторы являются видами актов незаконного вмешательства (AHB), совершенных «нарушителями».

Идеальное решение проблемы предотвращения ЧС на ЛЧМТ позволит исключить случаи выхода перекачиваемого продукта в окружающую среду Сегодня реализация этих угроз приводит к потере от 1,5% до 10% от

перекачиваемого объема нефти и нефтепродуктов при перекачке по магистральным продуктопроводам и является источником загрязнения окружающей среды [1, 2]. В среднем за последние три года 8 % случаев разливов нефти из трубопроводов ОАО «Транснефть» являются следствием незаконных врезок [6]. Приведенные цифры с позиций защитников природной среды слишком велики.

Опубликовано большое количество работ по методам и средствам контроля состояния действующего продуктопровода и предупреждению аварий вследствие первого фактора — коррозионного износа. Не все они удовлетворяют требованиям по желаемой чувствительности и оперативности контроля. Изменение скорости расходов и метод отрицательных ударных волн можно отнести к методам обнаружения появления аварийной ситуации в реальном масштабе времени. Однако пороговая чувствительность этих методов (>100 м7ч) не может быть признана приемлемой. Объем вытекшей за сутки нефти (нефтепродукта) в объеме 2400 м"1 в водоем или прилегающие почво-грунты считается недопустимым (приводящим к ЧС). Таким образом, для предотвращения ЧС от утечек через сквозные дефекты продуктопроводов должно выполняться условие:

О, Азб' ^пр — 0ПОР5

где - объем вытекающего продукта;

/'об - время, необходимое для приостановления утечки;

У„р — объем вытекающего продукта в единицу времени;

£}пор - пороговая величина загрязнения территории (воды), на которую согласились защитники природной среды в соответствии с нормативными до