Наверх

«Экологический вестник России», март 2020 г. : СИСТЕМА ОПТОВОЛОКОННОГО МОНИТОРИНГА ТРУБОПРОВОДОВ «ОМЕГА» С ПРИМЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Дата публикации: 01 Марта 2020

СИСТЕМА ОПТОВОЛОКОННОГО МОНИТОРИНГА ТРУБОПРОВОДОВ «ОМЕГА» С ПРИМЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

 

 

 

Виктория Дмитриевна Малкина, Российский государственный университет нефти и газа им.И.М.Губкина  

 

Александр Владимирович Кукаренко – заместитель генерального директора АО «ОМЕГА»

 

Аннотация. Применение искусственного интеллекта в системах мониторинга трубопроводов, основанных на применении распределенных оптоволоконных датчиков, открывает широкие перспективы для искоренения основного недостатка таких систем – наличия относительно большого количества ложных срабатываний, вызванного неточным распознаванием событий. Компания «ОМЕГА» одной из первых применила нейронные сети, что расширило перспективы применения системы как на трубопроводах нефти и газа, так и на других протяженных объектах.

Ключевые слова: оптоволоконные линии, трубопроводы нефти и газа, распределенные датчики, искусственный интеллект.

 

 

OMEGA pipeline monitoring system with use of artificial intelligence/

V.D.Malkina, A.D.Kukarenko

 

Annotation. The use of artificial intelligence in pipeline monitoring systems based on the use of distributed fiber-optic sensors opens up broad prospects for eradicating the main drawback of such systems - the presence of a relatively large number of false positives caused by inaccurate event recognition. OMEGA Company was one of the first companies to use neural networks, which expanded the prospects of using the system both in oil and gas pipelines and on other extended facilities.

Keywords: fiber optic lines, oil and gas pipelines, distributed sensors, artificial intelligence.    

 

 

А Послании Президента В.В.Путина Федеральному собранию от 15 января с.г. отмечалось, что российские «компании обязаны помнить о своей социальной и экологической ответственности… Нужно распространить экологический мониторинг на всю страну». В этой целью глава государства особо отметил, что «не менее 80 из 300 крупнейших предприятий должны перейти на передовые технологии, сократить загрязнение».  Тем самым президент подтвердил прямую связь между активным использованием важнейшими компаниями России новейших достижений науки, касающихся, в частности, мониторинга технологического состояния объектов инфраструктуры, и экологической безопасностью.

 

О том, насколько важно своевременно обнаруживать нештатные ситуации, возникающие в ходе эксплуатации практически любых трубопроводов, сказано и написано немало. Между тем, авторы едины во мнении о том, что только активное использование различных по принципу действия систем мониторинга способно свести к абсолютному минимуму воздействие на окружающую среду вредных факторов, активизирующихся в случае нарушения целостности трубопроводов.

Так, применение инновационных технологий мониторинга, а также не в последнюю очередь поступательный рост инвестиций в реконструкцию трубопроводов, позволил снизить количество аварий на нефтепроводах и водоводах России с 3464 по итогам 2017-го года до 2633 к концу 2018-го года.

Применительно к системам мониторинга международная практика эксплуатации выдвигает все новые требования, неукоснительное выполнение которых позволяет повышать технологическую, а также антикриминальную безопасность эксплуатации трубопроводов. Среди таких требований – осуществление мониторинга целостности нефтепроводов, газопроводов и продуктопроводов в режиме онлайн, оперативное обнаружение утечек,          предотвращение врезок и других криминальных посягательств, контроль за состоянием как труб, так и сооружений и технических объектов, расположенных на трасе трубопровода.

Рис 1. Диспетчерский пункт мониторинга технологического состояния трубопровода.

  

Для нашей страны повышение уровня безопасности трубопроводного транспорта особенно важно ввиду большой протяженности действующих и проектируемых магистральных трубопроводов. Серьезной проблемой являются несанкционированные врезки, устроители которых ни в коей мере не заботятся о чистоте окружающей среды. Между тем, при разливе всего 25 л нефти на 1 кв.м фитомасса в течение года сокращается в десять раз, а самовосстановление загрязненного углеводородами растительного покрова растянется на полтора десятилетия. Следовательно, опасны даже сверхмалые утечки, после которых наша в основном северная природа будет регенерировать долгие годы. 

Актуальность локализации слабых утечек высока, поскольку, с одной стороны, такие утечки в ряде случаев не фиксируются установленной на трубопроводе параметрической аппаратурой, а с другой – чреваты большими финансовыми потерями и даже масштабными катастрофами. В то же время, согласно данным экологов, объем потерь при транспортировке нефти в России в некоторые годы достигает 7%.

Для экологически безопасной эксплуатации трубопроводов в России и за рубежом разрабатываются системы мониторинга, действие которых основано на различных физических принципах. Кроме параметрических систем мониторинга трубопроводов, которые базируются на анализе баланса объема, скорости, изменении давления и потока газа, в настоящее время разработаны и внедряются четыре основных базовых технологии. Это системы, основанные на моделировании переходных процессов в реальном времени (RTTM), на статистическом анализе данных, поступающих от различных датчиков на трубопроводе, на анализе волны отрицательного давления (NPWA), а также на применении волоконно-оптического датчика (ВОД) в качестве чувствительного элемента.

В последние десятилетия одним из действенных общепризнанных инструментов безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов является применение для их мониторинга распределенных оптоволоконных датчиков. Пионером в их технологической разработке и применении, а также одним из российских рекордсменов по общей протяженности оснащенных системой объектов является московская компания «ОМЕГА», за десять лет работы оснастившая разработанной ею Системой обнаружения утечек и контроля активность (СОУиКА «ОМЕГА) более шести тысяч километров трубопроводов ПАО «Транснефть» и других операторов.

Рис 2. Структурная схема СОУиКА «ОМЕГА»

 

Созданный АО «ОМЕГА» универсальный контрольно-измерительный комплекс строится вокруг двух базовых разработок: распределенного оптоволоконного датчика изменения температуры (Distributed Temperature Sensor, DTS) и распределенного виброакустического датчика (Distributed Acoustic Sensor, DAS).

Архитектура DAS основана на применении волоконно-оптического кабеля в качестве набора виртуальных микрофонов и как средства передачи информации. DAS использует когерентную оптическую рефлектометрию (COTDR) для анализа обратно-рассеяного светового сигнала с целью записи колебаний в нескольких виртуальных каналах, число которых может доходить до десятков тысяч. Благодаря этому прибор способен фиксировать одновременно сотни событий: нарушение целостности трубопровода, утечку, движение автотранспорта, обрыв ВОД, проход пешеходов, работу шанцевым инструментом и другие потенциальные опасности.

DAS не чувствителен к любым изменениям свойств жидкости и не зависит от переходных процессов трубопровода, определение места утечки на газовых, жидкостных и многофазных трубопроводах происходит быстро и с высокой точностью.

 

 

Максимальная дальность действия без усилителя 

25 км

Максимальна дальность с усилителем

50 км

Протяженность виртуального канала

2 м

Тип используемого волокна

одномодовое

         Таб 1. Технические характеристики DAS «ОМЕГА»

Работа распределённого датчика температуры (DTS) основана на явлении комбинационного (Рамановского) рассеяния света. Анализируя изменения в температурном поле, прибор способен в режиме реального времени обнаруживать утечки газа, нефти и других жидкостей, в том числе в многофазных трубопроводах.

 

 

Максимальная дальность покрытия

25 км

Пространственное разрешение

до 1 м

Тепловое разрешение

0,2 - 2 oС

Тип используемого оптического волокна

Одномодовое

Таб 2. Технические характеристики DTS «ОМЕГА»

 

         Кроме оптоволоконного датчика, в состав СОУиКА «ОМЕГА» входят логический модуль, сервер с базой данных и автоматизированное рабочее место оператора.

 

 

Рис 3. Состав системы обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА «ОМЕГА») 

 

Осуществляя мониторинг трубопровода в режиме онлайн, СОУиКА «ОМЕГА» подает сигнал о событии в охраняемой зоне и определяет его характер. Служба безопасности и операторы диспетчерской службы получают от Системы привязанную к точке трубопровода информацию о таких событиях, как движение пешехода, раскопка шанцевым инструментом или работа землеройной техники, движение автомобиля, обрыв оптоволоконного датчика или утечка из трубопровода, а также движение снаряда внутритрубной очистки и диагностики (СОД).

 

 

Наименование события

Критерии, при которых система способна

достоверно определить тип события/Характеристики системы

 

Утечка

Давление в нефтепроводе – более 8 кгс/см2.

Расход утечки – более 28 м3/ч.

Время обнаружения утечки – не более 30 минут

Давление в нефтепроводе – от 4 кгс/см2 до 8 кгс/см2.

Расход утечки - более 76 м3/ч.

Время обнаружения утечки – не более 40 минут

 

Сигнализация утечки

Давление в нефтепроводе – более 8 кгс/см2.

Расход утечки – более 12 м3/ч.

Время обнаружения утечки – не более 30 минут

Давление в нефтепроводе – от 4 кгс/см2 до 8 кгс/см2.

Расход утечки – более 47 м3/ч.

Время обнаружения утечки – не более 40 минут

 

Работа ручным шанцевым

инструментом

Время обнаружения работы ручным шанцевым инструментом – не более 10 мин.

Расстояние от источника активности до ВОД– не более 3 метров.

 

Работа землеройной техники

Время обнаружения работы землеройной техники – не более 10 мин.

Расстояние от источника активности до ВОД– не более 10 метров.

Таб 3. Параметры обнаружения событий СОУиКА «ОМЕГА»

 

На уровне распознания характера потенциально опасного события СОУиКА «ОМЕГА» внедренного ныне пятого поколения применяет программное обеспечение, основанное на использовании искусственных нейронных сетей (ИНС). ИНС — это математическая модель, а также ее программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей — сетей нервных клеток живого организма. Структура простейшей нейронной сети представлена на рис. 3.

Рис. 4. Структура искусственной нейронной сети

 

Применительно к СОУиКА «ОМЕГА» это означает, что система анализирует типичные случаи реакции распределенных датчиков на такие события, как утечка или несанкционированная активность в охранной зоне, и даже на основании неполных данных способна подсказать диспетчеру, на какой участке в данных момент времени происходит потенциально опасное событие. В компании разработана двухуровневая архитектура обнаружения и классификации событий, что открыло путь к определению качественных и устойчивых алгоритмов многоклассового обнаружения потенциально опасных событий.

Таким образом, инновационная СОУиКА «ОМЕГА» способна не только к самообучению, но и к формированию типичных моделей таких событий. Это важное свойство программного обеспечения системы, созданной российскими учеными и производственниками, позволяет постоянно совершенствовать полезные свойства СОУиКА, внося тем самым важный вклад в реализацию тенденции по использованию искусственного интеллекта в производстве и на транспорте. 

Эта инновационная разработка компании «ОМЕГА» позволяет на порядок (в 5-6 раз) снизить количество ложных срабатываний системы, которые, по единодушному мнению специалистов, остаются основным структурным недостатком систем, функционирующих с применением распределенных оптоволоконных датчиков.

Между тем, семейство систем интеллектуального мониторинга на основании применения распределенных оптоволоконных датчиков производства АО «ОМЕГА» разрастается сообразно реализации концепции диверсификации в применении созданного компанией универсального контрольно-измерительного комплекса. Так, быстрое и точное по времени и месту определение утечки из трубопровода позволило представить концепцию системы мониторинга трубопроводных систем (СМТС «ОМЕГА»), уже вызвавшей интерес предприятий ЖКХ в России и за её пределами. На очереди – вывод на стадию готовности к промышленным испытаниям систем противопожарного мониторинга, в частности, объектов угольной промышленности и транспортных тоннелей.

Рис.5. В лаборатории АО «ОМЕГА» с использованием катушек оптоволокна моделируются события в охранной зоне трубопровода

         Для всех перечисленных систем, также рассчитанных на использование искусственного интеллекта для более точного определения характера зафиксированного датчиками события, характерны преимущества, ранее развитые в ходе десятилетнего совершенствования главного продукта компании – Системы обнаружения утечек и контроля активности. Среди них – непрерывность анализа состояния протяженного объекта и высокая точность определения места события, двухмерное обнаружение потенциально опасного источника сигнала, дающее возможность рассчитать расстояние до него, электрическая и электромагнитная пассивность оптоволоконного кабеля, используемого в роли датчика, а также широкий простор для использование свободных оптических волокон для других целей, в частности, для телекоммуникаций.

         Применение искусственного интеллекта на пятой версии СОУиКА, внедряемой на трубопроводах ПАО «Транснефть», с технологической точки зрения открывает простор для более эффективного комплексирования систем «ОМЕГА» с другими системами мониторинга, а также поддержания технологической и антропогенной безопасности эксплуатации трубопроводов. В свою очередь, технологическое единство инновационных комплексов, обслуживающих магистральные трубопроводы, становится важным фактором укрепления экологической безопасности эксплуатации трубопроводов.

«Мы должны создать собственные технологии и стандарты по тем направлениям, которые определяют будущее, - отметил В.В.Путин в процитированном в начале статьи Послании федеральному Собранию Российской Федерации. - … Это стимул для молодых талантливых людей идти в науку». Отрадно, что компания «ОМЕГА» изыскала потенциал, чтобы в полной мере способствовать созданию в своих лабораториях и на опытный участках атмосферы продуктивного научного поиска.  

 

 

ЛИТЕРУТУРА

 

  1. А.И.Турбин, В.Д.Малкина. Мониторинг трубопроводов: инновационный аспект реализации экологической политики ПАО «Транснефть». Журнал «Экологический вестник России», №9¸ 2019 г., стр.22-26     
  2. Нефтегазовые компании направят 24 млрд рублей на реконструкцию нефтепроводов в Югре. https://tass.ru/ekonomika/6651410 . Дата обращение – 4 февраля 2020 г.
  3. Обзор технологий обнаружения утечек на трубопроводах, Джун Жанг, Энди Хофман, Киф Мёрфи, Джон Люис, Майкл Твуми – ATMOS International. Доклад на конференции PSIG 2013 в Праге, 2013.
  4. К.С.Мауленов, А.И.Турбин. Равнение на экологическую безопасность. Экономика и право Казахстана, N23/2015, стр. 36-45.
  5. В.Малкина. БРИКС: в поисках инновационных решений для экологии. Экологический вестник России, декабрь 2015 г., стр. 21.
  6. Вероятность утечки нефти из трубы в зависимости от ее возраста. http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/oil-spills/. Дата обращения – 03 февраля 2020 г.