警察機(jī)關(guān)、海關(guān)和軍隊(duì)歷來就借助狗的靈敏嗅覺來檢測非法或危險(xiǎn)的物質(zhì)。在過去幾年中，人們已經(jīng)將狗的優(yōu)勢擴(kuò)展至更多其他領(lǐng)域中。例如在農(nóng)業(yè)方面，人們借助狗的嗅覺來檢測特定的植物病害以及定位松露的位置；而在醫(yī)學(xué)科學(xué)方面，狗能夠用來檢測特定的細(xì)菌和癌癥。

       在一個(gè)為期兩年的項(xiàng)目中，研究員重點(diǎn)研究了如何利用狗敏銳的嗅覺來對保溫層下腐蝕（CUI）進(jìn)行檢測。管道保溫層下腐蝕一直都是煉油廠和加工廠的一大隱憂。移除保溫層然后進(jìn)行一般目視檢查，是當(dāng)前針對腐蝕檢查和維護(hù)方案的主要技術(shù)。項(xiàng)目小組在探雷領(lǐng)域以往的經(jīng)驗(yàn)表明，狗能夠很容易地檢測到由腐蝕產(chǎn)生的揮發(fā)性分子（揮發(fā)物）；作為小組對狗訓(xùn)練的一部分，有時(shí)候他們必須訓(xùn)練狗去忽視那些被掩埋的銹蝕金屬殘片，從而專注于對地雷的探測。正是因?yàn)檫@些經(jīng)驗(yàn)，促使項(xiàng)目小組產(chǎn)生利用狗來檢測保溫層下腐蝕的想法。

       關(guān)于使用狗來達(dá)到檢測目的主要是出于以下兩個(gè)主要原因：它們敏銳的嗅覺和它們的可培養(yǎng)性。但是關(guān)于嗅覺的研究很難開展，因?yàn)椴]有什么明確的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)來對氣味進(jìn)行測量。通常我們對氣味的定義是對揮發(fā)性物質(zhì)的感知。而氣味感知中的關(guān)鍵因素，似乎是動(dòng)物所具備的各種不同氣味感受器的數(shù)量，以及其用以處理氣味信息的大腦比例。狗和老鼠都具備大約1000種不同功能的氣味感受器，而人類所具備的則小于400種。同時(shí)狗的大腦中，用于處理氣味的比例也比人腦要更大。這些因素結(jié)合起來，意味著這些動(dòng)物可以感知并辨別氣味，而人類做不到這一點(diǎn)。

        在訓(xùn)練中，狗明顯要比老鼠更加靈活，具備更強(qiáng)的能力，也更容易接受新的環(huán)境。同時(shí)由于狗與人類長期相處合作，它們對于人類所給出的信號更敏感，這就更有利于訓(xùn)練的進(jìn)行。但另一方面，也正是由于狗對于人類信號的極度敏感性，因此無論是在訓(xùn)練中還是在氣味測試中，研究員都必須要做到仔細(xì)謹(jǐn)慎。

        然而有一個(gè)問題是，狗是不允許進(jìn)入煉油廠或能源加工廠的，因此無法使其直接進(jìn)行檢測。這個(gè)時(shí)候我們就需要使用一種稱為遠(yuǎn)程氣味追蹤（RST）的技術(shù)。該技術(shù)最初是用來在雷區(qū)檢測地雷炸藥的。在現(xiàn)場（遠(yuǎn)程位置）使用一種取樣技術(shù)，來收集空氣中的揮發(fā)物（氣味）。所收集到的樣品通過動(dòng)物來進(jìn)行分析，通常來說，也就是讓狗在實(shí)驗(yàn)室一類的環(huán)境下進(jìn)行分析（追蹤）。這種技術(shù)現(xiàn)在主要用于監(jiān)控空中運(yùn)輸（歐委會(huì)法規(guī)[歐盟]編號573/2010），現(xiàn)在已經(jīng)證明這種技術(shù)對于未來各種不同類型癌癥的監(jiān)控也是非常有前景的。出于CUI檢測的目的，人們可以在工廠提取樣本，然后在實(shí)驗(yàn)室將樣本提供給受訓(xùn)過的狗來檢測。

       下面介紹涉及使用這種技術(shù)來檢測CUI的三個(gè)主要元素，即工廠揮發(fā)物的遠(yuǎn)程采樣，對于氣味相關(guān)的理解（檢測的基礎(chǔ)），以及狗對這種氣味的追蹤。文中還給出了一些關(guān)鍵的觀測結(jié)果。這項(xiàng)研究借鑒了基于DNV-RP-A230的企業(yè)技術(shù)資格計(jì)劃、新技術(shù)資格審查程序以及現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟的RST技術(shù)。

       遠(yuǎn)程取樣

       本項(xiàng)目中開發(fā)的采樣系統(tǒng)主要是根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的：

• 能夠安全應(yīng)用于分類區(qū)域的加固系統(tǒng)；
• 易于操作和使用；
• 提供不會(huì)互相污染的一致的樣本；
• 根據(jù)環(huán)境及采樣規(guī)范進(jìn)行調(diào)整。

       現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明以下原因會(huì)導(dǎo)致管道和保溫層狀態(tài)發(fā)生大幅度變化：工藝管道覆蓋了過于密集的保溫層，或是由于加熱電線、電纜，水侵等其他原因?qū)е卤貙赢a(chǎn)生顯著的空洞或不連續(xù)性。研究小組決定利用通常用于隔熱管中的排水塞來進(jìn)行取樣。穿過壁爐架將排水塞安裝到覆蓋工藝管道的保溫層上。將濾筒直接嵌入至排水塞中，防止所用材料可能發(fā)生的一些污染。

        為了提供更精確的采樣條件信息，現(xiàn)場嚴(yán)格限制使用電子設(shè)備。通過將一個(gè)噴射真空泵連接到定量泵來進(jìn)行取樣，通過取樣的時(shí)間來控制采集氣體量。

        圖1給出了采樣系統(tǒng)的草圖。現(xiàn)場取樣單元包括：一個(gè)控制壓力源的插入式封蓋；封蓋和噴射泵之間有一根可彎曲的軟管；一個(gè)控制氣流的閥；一個(gè)指示氣源驅(qū)動(dòng)壓力的壓力計(jì)（從而能間接地指示流速）；一個(gè)噴射泵；一個(gè)控制濾筒真空的壓力表；和濾筒架上一根可彎曲的軟管。噴射泵和壓力計(jì)固定在操作者的腰帶上，從而允許其在高壓點(diǎn)和取樣位置之間自由移動(dòng)。出于訓(xùn)練的目的，樣品在實(shí)驗(yàn)室中制備。實(shí)驗(yàn)室中使用的是一個(gè)類似的系統(tǒng)，但取樣是由電腦軟件來控制的，該軟件監(jiān)測著取樣系統(tǒng)的方方面面。

圖1.采樣系統(tǒng)的示意圖

       濾筒需滿足以下若干標(biāo)準(zhǔn)：

• 應(yīng)該保證實(shí)驗(yàn)室制備的訓(xùn)練用樣品和現(xiàn)場采集樣品的質(zhì)量；
• 確保樣品的正確存儲，且易于研究人員將樣品從現(xiàn)場運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室；
• 確保過濾器無需經(jīng)過任何其他處理，直接呈現(xiàn)在狗的面前。

       濾筒（專利申請中）包括上下兩部分，在這個(gè)訓(xùn)練筒上方或者下方增加一個(gè)外殼后，一個(gè)現(xiàn)場用濾筒就做好了。在這項(xiàng)研究中主要使用了白色聚乙烯/聚丙烯過濾器。過濾器的進(jìn)出口都用蓋子蓋住。所有組件都嚴(yán)絲合縫，保證不會(huì)有氣體泄漏。濾筒主要是為了現(xiàn)場更方便地處理及更安全地存儲樣品。在可控的環(huán)境中除去外罩后，就能直接將濾筒給狗來進(jìn)行分析了。

        氣味：腐蝕揮發(fā)物

        我們對從顯著腐蝕區(qū)域和無腐蝕區(qū)域收集的礦物棉保溫材料頂部空間的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了分析。基于美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)提供的氣味信號，研究人員的第一選擇是使用固相微萃取技術(shù)（SPME），來對上述腐蝕和未腐蝕保溫材料的頂部空間進(jìn)行采樣，然后利用氣相色譜/質(zhì)譜法（GC/MS）來確定成份。

        簡單地說，該技術(shù)可以使研究人員發(fā)現(xiàn)許多之前無法檢測到的低峰，因?yàn)檫@些低峰已經(jīng)接近了檢測的極限。腐蝕和未腐蝕樣本之間沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性差異。暫定的結(jié)論是，許多峰（碳?xì)浠衔铮┑氖占瑢?shí)際上是來自于工廠周圍的空氣。

        第二項(xiàng)研究采用了不同的技術(shù)：礦棉中分別通入空氣5 L，50 L和600 L（ 1.32, 13.21和158.5 gal），并將提取的化學(xué)物質(zhì)置于2,6-二亞苯基-氧化聚合樹脂吸附管中。隨后使用熱解吸-GC/MS法對吸附管進(jìn)行分析。相比于之前使用的固相微萃取技術(shù)來說，這種方法是成功的，因?yàn)槠涞玫降幕瘜W(xué)色譜范圍更廣。然而，我們無法根據(jù)結(jié)果做出腐蝕區(qū)域和非腐蝕區(qū)域樣品的化學(xué)形態(tài)存在顯著差異的結(jié)論。所有樣品洗脫8至10 min的峰值總體分析結(jié)果是相似的，即都表現(xiàn)出了揮發(fā)性化合物的特征。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)樣品的峰值圖案與其它樣品都有略微不同；并且較之于腐蝕區(qū)域的兩個(gè)樣品，或腐蝕區(qū)域的兩個(gè)對照試樣，或非腐蝕區(qū)域的兩個(gè)對照試樣，通常我們更容易發(fā)現(xiàn)某一個(gè)對照試樣看起來更類似于腐蝕區(qū)域的某一個(gè)樣品。

        雖然我們對分析程序進(jìn)行改編，但仍然無法解決保留時(shí)間在8 -10 min之間這些化學(xué)物質(zhì)峰相似的問題。不能排除在這個(gè)時(shí)間窗口一個(gè)合適的標(biāo)記物被隱藏了的可能。通過尋找那些僅在腐蝕區(qū)域的樣品中出現(xiàn)而未在對照樣本中出現(xiàn)的峰，以及分析那些識別的峰的元素構(gòu)成是否存在顯著差異，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有顯著差異。

        氣味追蹤

        為了訓(xùn)練狗，研究員將揮發(fā)物從保溫材料中抽離出來儲存在玻璃罐中，以便使訓(xùn)練樣品更加接近于現(xiàn)場樣品。罐子中含有礦物棉保溫材料的陽性樣品取自各腐蝕地點(diǎn)，陰性樣品或者對照試樣取自非腐蝕地點(diǎn)。這些濾筒安置如圖2所示的圓盤傳送帶上，以便狗進(jìn)行甄別。使用塑造及糾正動(dòng)物行為的技術(shù)，五只狗被教導(dǎo)去聞圓盤傳送帶上的12件樣品，并要求其以坐下的方式表示對陽性樣品的反應(yīng)。

圖2.正在圓盤傳送帶旁聞樣品的狗

          以這種方式訓(xùn)練狗的時(shí)候要非常謹(jǐn)慎，必須讓狗只對陽性樣本這一線索作出反應(yīng)。這意味著，對所有濾筒的處理必須完全一致，以防止其他線索對狗的反應(yīng)產(chǎn)生干擾。實(shí)際上，要做到這一點(diǎn)就要保證所有的樣品都必須以相同的方式、相同的位置、相同的人員在相同的時(shí)間來制備，這樣所得到的樣品才不會(huì)給狗其他的判斷線索；安置在圓盤傳送帶上的樣品必須是隨機(jī)的；在分析期間，訓(xùn)練者不能在狗的可視范圍內(nèi)，防止訓(xùn)練者無意之中給出的暗示。在操作期間擬定了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以避免發(fā)生以上問題。

        所得到的結(jié)果表明，五只狗都具備鑒陽性和陰性濾筒的能力，其中一些狗相對要更敏感一些，但對于陰性濾筒的錯(cuò)誤率也只是略微多了一些而已（略微不精確），而其他較不敏感的狗，其鑒別正確率也只是比其他狗略高（略微精確）。這也明確表明了腐蝕的程度越高，則檢測的成功率越高。表1所示為采集于一家工廠的樣品和實(shí)驗(yàn)室制備的樣品，狗的平均鑒別結(jié)果。

        表1 五只狗對實(shí)驗(yàn)室制備或現(xiàn)場采集已知狀態(tài)樣品的反應(yīng)正確平均百分比。結(jié)果來源于2012年6月至12月間進(jìn)行的分析，使用的是一家天然氣處理工廠的礦物棉保溫層材料。

材料	實(shí)驗(yàn)室制備的樣品	已知的現(xiàn)場樣品
被腐蝕的材料	58.8% （n=449）	57.1% （n=165）
未腐蝕的材料	97.1% （n=6654）	97.7% （n=650）

        第二步是從現(xiàn)場引入陽性和陰性樣品。這些樣品收集于一家天然氣處理廠，該工廠同樣也為訓(xùn)練提供了材料。每個(gè)采樣區(qū)域都制備了一至五個(gè)樣本，這些樣品通過帶有標(biāo)簽的排水塞來確認(rèn)。在收集到樣品不久之后，這些區(qū)域都開放以供檢測員進(jìn)行目視檢測，然后再將這些區(qū)域所采集到的樣品用于訓(xùn)練中，因?yàn)橥ㄟ^目視檢測已經(jīng)確定了其陰性或陽性的狀態(tài)。表1同樣示出了同一家工廠的現(xiàn)場樣品，狗的平均檢測結(jié)果。

        基于這些結(jié)果，研究人員開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)的方法，來對現(xiàn)場樣品檢測獲得的結(jié)果進(jìn)行分類。使用這種方法，研究人員可以將檢測的靈敏度進(jìn)一步優(yōu)化，從而發(fā)現(xiàn)所有的腐蝕，但是可能會(huì)接收一些錯(cuò)誤的警報(bào)（I型誤差）。另一種選擇是，可以使檢測的精確性進(jìn)一步優(yōu)化，但是這樣可能會(huì)遺漏一些腐蝕（II型誤差），但可以盡量減少錯(cuò)誤警報(bào)。結(jié)果總結(jié)在圖3中。在本案例中，我們選擇的是高靈敏系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為檢測到所有的腐蝕才是最重要的。

圖3.可能的系統(tǒng)結(jié)果表征
靈敏度=％正確的檢測/n腐蝕的區(qū)域；特異性=％正確的排斥/n非腐蝕區(qū)域。

        在一個(gè)指定地點(diǎn)，由五只狗在不同的日子，至少分析兩份樣品，換言之就是每個(gè)區(qū)域至少要準(zhǔn)備十份樣品。然后根據(jù)五只狗的分析結(jié)果對每個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行分類，樣品反應(yīng)率大于10%的區(qū)域定義為腐蝕存疑區(qū)，等于或小于10%的區(qū)域定義為非腐蝕區(qū)。表2所示為已知現(xiàn)場樣品的系統(tǒng)分析結(jié)果。

        表2在用狗進(jìn)行分析之前，已經(jīng)知道地區(qū)的正確結(jié)果，之后對這些結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

材料	實(shí)驗(yàn)室制備的樣品	之后驗(yàn)證的現(xiàn)場樣品
被腐蝕的材料	87.5% （n=8）存疑	100.0% （n=6）存疑
未腐蝕的材料	94.6% （n=37）干凈	90.1% （n=11）干凈

       還有一些其他區(qū)域的樣品，在目視檢測之前就已經(jīng)開始進(jìn)行了分析。這些測試符合雙盲測試法的定義，其本身就是一種用來糾正測試的標(biāo)準(zhǔn)。后來這些區(qū)域中的許多地方，研究人員都進(jìn)行了目視檢測。表2中同樣也給出了之后使用系統(tǒng)方法對這些區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果。分析結(jié)果表明狗對腐蝕/存疑地區(qū)檢測樣品的識別精確度非常高，而對非腐蝕/干凈區(qū)域的樣品也沒有給出響應(yīng)，但其中唯一值得注意的是，我們分析的區(qū)域數(shù)量是有限的。

       之后，研究人員將訓(xùn)練中和雙盲測試階段收集到的有限的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以計(jì)算系統(tǒng)的靈敏度和特定性。這種系統(tǒng)方法中的靈敏性，在本質(zhì)上就是對可能的腐蝕區(qū)域標(biāo)記上“存疑”，其準(zhǔn)確率為92％ 。而系統(tǒng)方法中的特定性，在本質(zhì)上就是將可能的未腐蝕區(qū)域標(biāo)記上“干凈”，經(jīng)計(jì)算準(zhǔn)確率為93％。這個(gè)數(shù)字結(jié)果是令人滿意的，達(dá)到了RST技術(shù)項(xiàng)目發(fā)展的預(yù)期目標(biāo)。

       結(jié)論

       通過對該技術(shù)發(fā)展進(jìn)行評估，得出以下結(jié)論：

• 經(jīng)過訓(xùn)練的狗來監(jiān)測CUI能夠達(dá)到預(yù)期的要求（腐蝕區(qū)域監(jiān)測的可靠性>70%， 非腐蝕區(qū)域排除的可靠性>90%）；
• 研究人員開發(fā)了一種用戶體驗(yàn)良好，能夠在油氣工廠使用的采樣器；
• 研究人員開發(fā)了一種供現(xiàn)場采樣及實(shí)驗(yàn)室用的穩(wěn)定濾筒系統(tǒng)（專利申請中）；
• 研究人員開發(fā)了一個(gè)報(bào)告評估采樣區(qū)域的概念體系；
• 文中描述了一種可供檢驗(yàn)部門使用的潛在系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?yàn)樯婕皺z驗(yàn)的各部門都帶來便利；
• 通過化學(xué)方法來對揮發(fā)物進(jìn)行鑒定，從而判別是否腐蝕是不可行的。

       雖然在現(xiàn)場組織開展研究需要花費(fèi)大量精力、資源和時(shí)間，同時(shí)項(xiàng)目持續(xù)的時(shí)間可能也超出預(yù)期，但研究結(jié)果還是非常值得期待的。使用狗來檢測CUI，本身就是屬于無損范疇，另外該研究提供了所使用的測量系統(tǒng)信息。在一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目中，將檢測CUI的狗納入檢驗(yàn)部門的行動(dòng)正在進(jìn)行中。這無疑會(huì)帶來用以精確確定技術(shù)靈敏性和特定性，以及確定其他參數(shù)更多的數(shù)據(jù)，如評估采樣點(diǎn)至腐蝕區(qū)域距離之間腐蝕程度的參數(shù)。

       將使用狗來檢測CUI的技術(shù)結(jié)合至工廠維護(hù)系統(tǒng)中后，所產(chǎn)生的價(jià)值可以說是巨大的。通過一段時(shí)間在各個(gè)地點(diǎn)的重復(fù)采樣，那些正在發(fā)生腐蝕的區(qū)域就可以被及時(shí)識別。這些信息可以幫助維修人員優(yōu)先進(jìn)行計(jì)劃維修。那么工廠中那些必需進(jìn)行一般目視檢測的昂貴資源，也因此可以更有效的得到利用。

責(zé)任編輯：王元

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