狗的新工作：无损检测保温层下腐蚀
2015-09-29 13:56:42
作者：本网整理来源：
警察机关、海关和军队历来就借助狗的灵敏嗅觉来检测非法或危险的物质。在过去几年中，人们已经将狗的优势扩展至更多其他领域中。例如在农业方面，人们借助狗的嗅觉来检测特定的植物病害以及定位松露的位置；而在医学科学方面，狗能够用来检测特定的细菌和癌症。
在一个为期两年的项目中，研究员重点研究了如何利用狗敏锐的嗅觉来对保温层下腐蚀（CUI）进行检测。管道保温层下腐蚀一直都是炼油厂和加工厂的一大隐忧。移除保温层然后进行一般目视检查，是当前针对腐蚀检查和维护方案的主要技术。项目小组在探雷领域以往的经验表明，狗能够很容易地检测到由腐蚀产生的挥发性分子（挥发物）；作为小组对狗训练的一部分，有时候他们必须训练狗去忽视那些被掩埋的锈蚀金属残片，从而专注于对地雷的探测。正是因为这些经验，促使项目小组产生利用狗来检测保温层下腐蚀的想法。
关于使用狗来达到检测目的主要是出于以下两个主要原因：它们敏锐的嗅觉和它们的可培养性。但是关于嗅觉的研究很难开展，因为并没有什么明确的数值标准来对气味进行测量。通常我们对气味的定义是对挥发性物质的感知。而气味感知中的关键因素，似乎是动物所具备的各种不同气味感受器的数量，以及其用以处理气味信息的大脑比例。狗和老鼠都具备大约1000种不同功能的气味感受器，而人类所具备的则小于400种。同时狗的大脑中，用于处理气味的比例也比人脑要更大。这些因素结合起来，意味着这些动物可以感知并辨别气味，而人类做不到这一点。
在训练中，狗明显要比老鼠更加灵活，具备更强的能力，也更容易接受新的环境。同时由于狗与人类长期相处合作，它们对于人类所给出的信号更敏感，这就更有利于训练的进行。但另一方面，也正是由于狗对于人类信号的极度敏感性，因此无论是在训练中还是在气味测试中，研究员都必须要做到仔细谨慎。
然而有一个问题是，狗是不允许进入炼油厂或能源加工厂的，因此无法使其直接进行检测。这个时候我们就需要使用一种称为远程气味追踪（RST）的技术。该技术最初是用来在雷区检测地雷炸药的。在现场（远程位置）使用一种取样技术，来收集空气中的挥发物（气味）。所收集到的样品通过动物来进行分析，通常来说，也就是让狗在实验室一类的环境下进行分析（追踪）。这种技术现在主要用于监控空中运输（欧委会法规[欧盟]编号573/2010），现在已经证明这种技术对于未来各种不同类型癌症的监控也是非常有前景的。出于CUI检测的目的，人们可以在工厂提取样本，然后在实验室将样本提供给受训过的狗来检测。
下面介绍涉及使用这种技术来检测CUI的三个主要元素，即工厂挥发物的远程采样，对于气味相关的理解（检测的基础），以及狗对这种气味的追踪。文中还给出了一些关键的观测结果。这项研究借鉴了基于DNV-RP-A230的企业技术资格计划、新技术资格审查程序以及现在已经相当成熟的RST技术。
远程取样
本项目中开发的采样系统主要是根据以下标准进行设计的：
为了提供更精确的采样条件信息，现场严格限制使用电子设备。通过将一个喷射真空泵连接到定量泵来进行取样，通过取样的时间来控制采集气体量。
图1给出了采样系统的草图。现场取样单元包括：一个控制压力源的插入式封盖；封盖和喷射泵之间有一根可弯曲的软管；一个控制气流的阀；一个指示气源驱动压力的压力计（从而能间接地指示流速）；一个喷射泵；一个控制滤筒真空的压力表；和滤筒架上一根可弯曲的软管。喷射泵和压力计固定在操作者的腰带上，从而允许其在高压点和取样位置之间自由移动。出于训练的目的，样品在实验室中制备。实验室中使用的是一个类似的系统，但取样是由电脑软件来控制的，该软件监测着取样系统的方方面面。
滤筒需满足以下若干标准：
气味：腐蚀挥发物
我们对从显著腐蚀区域和无腐蚀区域收集的矿物棉保温材料顶部空间的挥发性物质进行了分析。基于美国佛罗里达国际大学提供的气味信号，研究人员的第一选择是使用固相微萃取技术（SPME），来对上述腐蚀和未腐蚀保温材料的顶部空间进行采样，然后利用气相色谱/质谱法（GC/MS）来确定成份。
简单地说，该技术可以使研究人员发现许多之前无法检测到的低峰，因为这些低峰已经接近了检测的极限。腐蚀和未腐蚀样本之间没有发现系统性差异。暂定的结论是，许多峰（碳氢化合物）的收集，实际上是来自于工厂周围的空气。
第二项研究采用了不同的技术：矿棉中分别通入空气5 L，50 L和600 L（ 1.32, 13.21和158.5 gal），并将提取的化学物质置于2,6-二亚苯基-氧化聚合树脂吸附管中。随后使用热解吸-GC/MS法对吸附管进行分析。相比于之前使用的固相微萃取技术来说，这种方法是成功的，因为其得到的化学色谱范围更广。然而，我们无法根据结果做出腐蚀区域和非腐蚀区域样品的化学形态存在显著差异的结论。所有样品洗脱8至10 min的峰值总体分析结果是相似的，即都表现出了挥发性化合物的特征。仔细观察发现，每一个样品的峰值图案与其它样品都有略微不同；并且较之于腐蚀区域的两个样品，或腐蚀区域的两个对照试样，或非腐蚀区域的两个对照试样，通常我们更容易发现某一个对照试样看起来更类似于腐蚀区域的某一个样品。
虽然我们对分析程序进行改编，但仍然无法解决保留时间在8 -10 min之间这些化学物质峰相似的问题。不能排除在这个时间窗口一个合适的标记物被隐藏了的可能。通过寻找那些仅在腐蚀区域的样品中出现而未在对照样本中出现的峰，以及分析那些识别的峰的元素构成是否存在显著差异，结果均未发现有显著差异。
气味追踪
为了训练狗，研究员将挥发物从保温材料中抽离出来储存在玻璃罐中，以便使训练样品更加接近于现场样品。罐子中含有矿物棉保温材料的阳性样品取自各腐蚀地点，阴性样品或者对照试样取自非腐蚀地点。这些滤筒安置如图2所示的圆盘传送带上，以便狗进行甄别。使用塑造及纠正动物行为的技术，五只狗被教导去闻圆盘传送带上的12件样品，并要求其以坐下的方式表示对阳性样品的反应。
以这种方式训练狗的时候要非常谨慎，必须让狗只对阳性样本这一线索作出反应。这意味着，对所有滤筒的处理必须完全一致，以防止其他线索对狗的反应产生干扰。实际上，要做到这一点就要保证所有的样品都必须以相同的方式、相同的位置、相同的人员在相同的时间来制备，这样所得到的样品才不会给狗其他的判断线索；安置在圆盘传送带上的样品必须是随机的；在分析期间，训练者不能在狗的可视范围内，防止训练者无意之中给出的暗示。在操作期间拟定了标准协议，以避免发生以上问题。
所得到的结果表明，五只狗都具备鉴阳性和阴性滤筒的能力，其中一些狗相对要更敏感一些，但对于阴性滤筒的错误率也只是略微多了一些而已（略微不精确），而其他较不敏感的狗，其鉴别正确率也只是比其他狗略高（略微精确）。这也明确表明了腐蚀的程度越高，则检测的成功率越高。表1所示为采集于一家工厂的样品和实验室制备的样品，狗的平均鉴别结果。
表1 五只狗对实验室制备或现场采集已知状态样品的反应正确平均百分比。结果来源于2012年6月至12月间进行的分析，使用的是一家天然气处理工厂的矿物棉保温层材料。
第二步是从现场引入阳性和阴性样品。这些样品收集于一家天然气处理厂，该工厂同样也为训练提供了材料。每个采样区域都制备了一至五个样本，这些样品通过带有标签的排水塞来确认。在收集到样品不久之后，这些区域都开放以供检测员进行目视检测，然后再将这些区域所采集到的样品用于训练中，因为通过目视检测已经确定了其阴性或阳性的状态。表1同样示出了同一家工厂的现场样品，狗的平均检测结果。
基于这些结果，研究人员开发了一个系统的方法，来对现场样品检测获得的结果进行分类。使用这种方法，研究人员可以将检测的灵敏度进一步优化，从而发现所有的腐蚀，但是可能会接收一些错误的警报（I型误差）。另一种选择是，可以使检测的精确性进一步优化，但是这样可能会遗漏一些腐蚀（II型误差），但可以尽量减少错误警报。结果总结在图3中。在本案例中，我们选择的是高灵敏系统，因为我们认为检测到所有的腐蚀才是最重要的。
在一个指定地点，由五只狗在不同的日子，至少分析两份样品，换言之就是每个区域至少要准备十份样品。然后根据五只狗的分析结果对每个地点进行分类，样品反应率大于10%的区域定义为腐蚀存疑区，等于或小于10%的区域定义为非腐蚀区。表2所示为已知现场样品的系统分析结果。
表2在用狗进行分析之前，已经知道地区的正确结果，之后对这些结果进行验证。
还有一些其他区域的样品，在目视检测之前就已经开始进行了分析。这些测试符合双盲测试法的定义，其本身就是一种用来纠正测试的标准。后来这些区域中的许多地方，研究人员都进行了目视检测。表2中同样也给出了之后使用系统方法对这些区域进行验证的结果。分析结果表明狗对腐蚀/存疑地区检测样品的识别精确度非常高，而对非腐蚀/干净区域的样品也没有给出响应，但其中唯一值得注意的是，我们分析的区域数量是有限的。
之后，研究人员将训练中和双盲测试阶段收集到的有限的数据结合起来，以计算系统的灵敏度和特定性。这种系统方法中的灵敏性，在本质上就是对可能的腐蚀区域标记上“存疑”，其准确率为92％ 。而系统方法中的特定性，在本质上就是将可能的未腐蚀区域标记上“干净”，经计算准确率为93％。这个数字结果是令人满意的，达到了RST技术项目发展的预期目标。
结论
通过对该技术发展进行评估，得出以下结论：
将使用狗来检测CUI的技术结合至工厂维护系统中后，所产生的价值可以说是巨大的。通过一段时间在各个地点的重复采样，那些正在发生腐蚀的区域就可以被及时识别。这些信息可以帮助维修人员优先进行计划维修。那么工厂中那些必需进行一般目视检测的昂贵资源，也因此可以更有效的得到利用。
在一个为期两年的项目中，研究员重点研究了如何利用狗敏锐的嗅觉来对保温层下腐蚀（CUI）进行检测。管道保温层下腐蚀一直都是炼油厂和加工厂的一大隐忧。移除保温层然后进行一般目视检查，是当前针对腐蚀检查和维护方案的主要技术。项目小组在探雷领域以往的经验表明，狗能够很容易地检测到由腐蚀产生的挥发性分子（挥发物）；作为小组对狗训练的一部分，有时候他们必须训练狗去忽视那些被掩埋的锈蚀金属残片，从而专注于对地雷的探测。正是因为这些经验，促使项目小组产生利用狗来检测保温层下腐蚀的想法。
关于使用狗来达到检测目的主要是出于以下两个主要原因：它们敏锐的嗅觉和它们的可培养性。但是关于嗅觉的研究很难开展，因为并没有什么明确的数值标准来对气味进行测量。通常我们对气味的定义是对挥发性物质的感知。而气味感知中的关键因素，似乎是动物所具备的各种不同气味感受器的数量，以及其用以处理气味信息的大脑比例。狗和老鼠都具备大约1000种不同功能的气味感受器，而人类所具备的则小于400种。同时狗的大脑中，用于处理气味的比例也比人脑要更大。这些因素结合起来，意味着这些动物可以感知并辨别气味，而人类做不到这一点。
在训练中，狗明显要比老鼠更加灵活，具备更强的能力，也更容易接受新的环境。同时由于狗与人类长期相处合作，它们对于人类所给出的信号更敏感，这就更有利于训练的进行。但另一方面，也正是由于狗对于人类信号的极度敏感性，因此无论是在训练中还是在气味测试中，研究员都必须要做到仔细谨慎。
然而有一个问题是，狗是不允许进入炼油厂或能源加工厂的，因此无法使其直接进行检测。这个时候我们就需要使用一种称为远程气味追踪（RST）的技术。该技术最初是用来在雷区检测地雷炸药的。在现场（远程位置）使用一种取样技术，来收集空气中的挥发物（气味）。所收集到的样品通过动物来进行分析，通常来说，也就是让狗在实验室一类的环境下进行分析（追踪）。这种技术现在主要用于监控空中运输（欧委会法规[欧盟]编号573/2010），现在已经证明这种技术对于未来各种不同类型癌症的监控也是非常有前景的。出于CUI检测的目的，人们可以在工厂提取样本，然后在实验室将样本提供给受训过的狗来检测。
下面介绍涉及使用这种技术来检测CUI的三个主要元素，即工厂挥发物的远程采样，对于气味相关的理解（检测的基础），以及狗对这种气味的追踪。文中还给出了一些关键的观测结果。这项研究借鉴了基于DNV-RP-A230的企业技术资格计划、新技术资格审查程序以及现在已经相当成熟的RST技术。
远程取样
本项目中开发的采样系统主要是根据以下标准进行设计的：
- 能够安全应用于分类区域的加固系统；
- 易于操作和使用；
- 提供不会互相污染的一致的样本；
- 根据环境及采样规范进行调整。
为了提供更精确的采样条件信息，现场严格限制使用电子设备。通过将一个喷射真空泵连接到定量泵来进行取样，通过取样的时间来控制采集气体量。
图1给出了采样系统的草图。现场取样单元包括：一个控制压力源的插入式封盖；封盖和喷射泵之间有一根可弯曲的软管；一个控制气流的阀；一个指示气源驱动压力的压力计（从而能间接地指示流速）；一个喷射泵；一个控制滤筒真空的压力表；和滤筒架上一根可弯曲的软管。喷射泵和压力计固定在操作者的腰带上，从而允许其在高压点和取样位置之间自由移动。出于训练的目的，样品在实验室中制备。实验室中使用的是一个类似的系统，但取样是由电脑软件来控制的，该软件监测着取样系统的方方面面。
图1.采样系统的示意图
滤筒需满足以下若干标准：
- 应该保证实验室制备的训练用样品和现场采集样品的质量；
- 确保样品的正确存储，且易于研究人员将样品从现场运送至实验室；
- 确保过滤器无需经过任何其他处理，直接呈现在狗的面前。
气味：腐蚀挥发物
我们对从显著腐蚀区域和无腐蚀区域收集的矿物棉保温材料顶部空间的挥发性物质进行了分析。基于美国佛罗里达国际大学提供的气味信号，研究人员的第一选择是使用固相微萃取技术（SPME），来对上述腐蚀和未腐蚀保温材料的顶部空间进行采样，然后利用气相色谱/质谱法（GC/MS）来确定成份。
简单地说，该技术可以使研究人员发现许多之前无法检测到的低峰，因为这些低峰已经接近了检测的极限。腐蚀和未腐蚀样本之间没有发现系统性差异。暂定的结论是，许多峰（碳氢化合物）的收集，实际上是来自于工厂周围的空气。
第二项研究采用了不同的技术：矿棉中分别通入空气5 L，50 L和600 L（ 1.32, 13.21和158.5 gal），并将提取的化学物质置于2,6-二亚苯基-氧化聚合树脂吸附管中。随后使用热解吸-GC/MS法对吸附管进行分析。相比于之前使用的固相微萃取技术来说，这种方法是成功的，因为其得到的化学色谱范围更广。然而，我们无法根据结果做出腐蚀区域和非腐蚀区域样品的化学形态存在显著差异的结论。所有样品洗脱8至10 min的峰值总体分析结果是相似的，即都表现出了挥发性化合物的特征。仔细观察发现，每一个样品的峰值图案与其它样品都有略微不同；并且较之于腐蚀区域的两个样品，或腐蚀区域的两个对照试样，或非腐蚀区域的两个对照试样，通常我们更容易发现某一个对照试样看起来更类似于腐蚀区域的某一个样品。
虽然我们对分析程序进行改编，但仍然无法解决保留时间在8 -10 min之间这些化学物质峰相似的问题。不能排除在这个时间窗口一个合适的标记物被隐藏了的可能。通过寻找那些仅在腐蚀区域的样品中出现而未在对照样本中出现的峰，以及分析那些识别的峰的元素构成是否存在显著差异，结果均未发现有显著差异。
气味追踪
为了训练狗，研究员将挥发物从保温材料中抽离出来储存在玻璃罐中，以便使训练样品更加接近于现场样品。罐子中含有矿物棉保温材料的阳性样品取自各腐蚀地点，阴性样品或者对照试样取自非腐蚀地点。这些滤筒安置如图2所示的圆盘传送带上，以便狗进行甄别。使用塑造及纠正动物行为的技术，五只狗被教导去闻圆盘传送带上的12件样品，并要求其以坐下的方式表示对阳性样品的反应。
图2.正在圆盘传送带旁闻样品的狗
以这种方式训练狗的时候要非常谨慎，必须让狗只对阳性样本这一线索作出反应。这意味着，对所有滤筒的处理必须完全一致，以防止其他线索对狗的反应产生干扰。实际上，要做到这一点就要保证所有的样品都必须以相同的方式、相同的位置、相同的人员在相同的时间来制备，这样所得到的样品才不会给狗其他的判断线索；安置在圆盘传送带上的样品必须是随机的；在分析期间，训练者不能在狗的可视范围内，防止训练者无意之中给出的暗示。在操作期间拟定了标准协议，以避免发生以上问题。
所得到的结果表明，五只狗都具备鉴阳性和阴性滤筒的能力，其中一些狗相对要更敏感一些，但对于阴性滤筒的错误率也只是略微多了一些而已（略微不精确），而其他较不敏感的狗，其鉴别正确率也只是比其他狗略高（略微精确）。这也明确表明了腐蚀的程度越高，则检测的成功率越高。表1所示为采集于一家工厂的样品和实验室制备的样品，狗的平均鉴别结果。
表1 五只狗对实验室制备或现场采集已知状态样品的反应正确平均百分比。结果来源于2012年6月至12月间进行的分析，使用的是一家天然气处理工厂的矿物棉保温层材料。
| 材料 | 实验室制备的样品 | 已知的现场样品 |
|---|---|---|
| 被腐蚀的材料 | 58.8% （n=449） | 57.1% （n=165） |
| 未腐蚀的材料 | 97.1% （n=6654） | 97.7% （n=650） |
第二步是从现场引入阳性和阴性样品。这些样品收集于一家天然气处理厂，该工厂同样也为训练提供了材料。每个采样区域都制备了一至五个样本，这些样品通过带有标签的排水塞来确认。在收集到样品不久之后，这些区域都开放以供检测员进行目视检测，然后再将这些区域所采集到的样品用于训练中，因为通过目视检测已经确定了其阴性或阳性的状态。表1同样示出了同一家工厂的现场样品，狗的平均检测结果。
基于这些结果，研究人员开发了一个系统的方法，来对现场样品检测获得的结果进行分类。使用这种方法，研究人员可以将检测的灵敏度进一步优化，从而发现所有的腐蚀，但是可能会接收一些错误的警报（I型误差）。另一种选择是，可以使检测的精确性进一步优化，但是这样可能会遗漏一些腐蚀（II型误差），但可以尽量减少错误警报。结果总结在图3中。在本案例中，我们选择的是高灵敏系统，因为我们认为检测到所有的腐蚀才是最重要的。
图3.可能的系统结果表征
灵敏度=％正确的检测/n腐蚀的区域；特异性=％正确的排斥/n非腐蚀区域。
在一个指定地点，由五只狗在不同的日子，至少分析两份样品，换言之就是每个区域至少要准备十份样品。然后根据五只狗的分析结果对每个地点进行分类，样品反应率大于10%的区域定义为腐蚀存疑区，等于或小于10%的区域定义为非腐蚀区。表2所示为已知现场样品的系统分析结果。
表2在用狗进行分析之前，已经知道地区的正确结果，之后对这些结果进行验证。
| 材料 | 实验室制备的样品 | 之后验证的现场样品 |
|---|---|---|
| 被腐蚀的材料 | 87.5% （n=8）存疑 | 100.0% （n=6）存疑 |
| 未腐蚀的材料 | 94.6% （n=37）干净 | 90.1% （n=11）干净 |
还有一些其他区域的样品，在目视检测之前就已经开始进行了分析。这些测试符合双盲测试法的定义，其本身就是一种用来纠正测试的标准。后来这些区域中的许多地方，研究人员都进行了目视检测。表2中同样也给出了之后使用系统方法对这些区域进行验证的结果。分析结果表明狗对腐蚀/存疑地区检测样品的识别精确度非常高，而对非腐蚀/干净区域的样品也没有给出响应，但其中唯一值得注意的是，我们分析的区域数量是有限的。
之后，研究人员将训练中和双盲测试阶段收集到的有限的数据结合起来，以计算系统的灵敏度和特定性。这种系统方法中的灵敏性，在本质上就是对可能的腐蚀区域标记上“存疑”，其准确率为92％ 。而系统方法中的特定性，在本质上就是将可能的未腐蚀区域标记上“干净”，经计算准确率为93％。这个数字结果是令人满意的，达到了RST技术项目发展的预期目标。
结论
通过对该技术发展进行评估，得出以下结论：
- 经过训练的狗来监测CUI能够达到预期的要求（腐蚀区域监测的可靠性>70%， 非腐蚀区域排除的可靠性>90%）；
- 研究人员开发了一种用户体验良好，能够在油气工厂使用的采样器；
- 研究人员开发了一种供现场采样及实验室用的稳定滤筒系统（专利申请中）；
- 研究人员开发了一个报告评估采样区域的概念体系；
- 文中描述了一种可供检验部门使用的潜在系统，该系统能够为涉及检验的各部门都带来便利；
- 通过化学方法来对挥发物进行鉴定，从而判别是否腐蚀是不可行的。
将使用狗来检测CUI的技术结合至工厂维护系统中后，所产生的价值可以说是巨大的。通过一段时间在各个地点的重复采样，那些正在发生腐蚀的区域就可以被及时识别。这些信息可以帮助维修人员优先进行计划维修。那么工厂中那些必需进行一般目视检测的昂贵资源，也因此可以更有效的得到利用。
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