警察機關、海關和軍隊歷來就借助狗的靈敏嗅覺來檢測非法或危險的物質。在過去幾年中，人們已經將狗的優勢擴展至更多其他領域中。例如在農業方面，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；而在醫學科學方面，狗能夠用來檢測特定的細菌和癌癥。

       在一個為期兩年的項目中，研究員重點研究了如何利用狗敏銳的嗅覺來對保溫層下腐蝕（CUI）進行檢測。管道保溫層下腐蝕一直都是煉油廠和加工廠的一大隱憂。移除保溫層然后進行一般目視檢查，是當前針對腐蝕檢查和維護方案的主要技術。項目小組在探雷領域以往的經驗表明，狗能夠很容易地檢測到由腐蝕產生的揮發性分子（揮發物）；作為小組對狗訓練的一部分，有時候他們必須訓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。正是因為這些經驗，促使項目小組產生利用狗來檢測保溫層下腐蝕的想法。

       關于使用狗來達到檢測目的主要是出于以下兩個主要原因：它們敏銳的嗅覺和它們的可培養性。但是關于嗅覺的研究很難開展，因為并沒有什么明確的數值標準來對氣味進行測量。通常我們對氣味的定義是對揮發性物質的感知。而氣味感知中的關鍵因素，似乎是動物所具備的各種不同氣味感受器的數量，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。這些因素結合起來，意味著這些動物可以感知并辨別氣味，而人類做不到這一點。

        在訓練中，狗明顯要比老鼠更加靈活，具備更強的能力，也更容易接受新的環境。同時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，這就更有利于訓練的進行。但另一方面，也正是由于狗對于人類信號的極度敏感性，因此無論是在訓練中還是在氣味測試中，研究員都必須要做到仔細謹慎。

        然而有一個問題是，狗是不允許進入煉油廠或能源加工廠的，因此無法使其直接進行檢測。這個時候我們就需要使用一種稱為遠程氣味追蹤（RST）的技術。該技術最初是用來在雷區檢測地雷炸藥的。在現場（遠程位置）使用一種取樣技術，來收集空氣中的揮發物（氣味）。所收集到的樣品通過動物來進行分析，通常來說，也就是讓狗在實驗室一類的環境下進行分析（追蹤）。這種技術現在主要用于監控空中運輸（歐委會法規[歐盟]編號573/2010），現在已經證明這種技術對于未來各種不同類型癌癥的監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，然后在實驗室將樣本提供給受訓過的狗來檢測。

       下面介紹涉及使用這種技術來檢測CUI的三個主要元素，即工廠揮發物的遠程采樣，對于氣味相關的理解（檢測的基礎），以及狗對這種氣味的追蹤。文中還給出了一些關鍵的觀測結果。這項研究借鑒了基于DNV-RP-A230的企業技術資格計劃、新技術資格審查程序以及現在已經相當成熟的RST技術。

       遠程取樣

       本項目中開發的采樣系統主要是根據以下標準進行設計的：

• 能夠安全應用于分類區域的加固系統；
• 易于操作和使用；
• 提供不會互相污染的一致的樣本；
• 根據環境及采樣規范進行調整。

       現場經驗表明以下原因會導致管道和保溫層狀態發生大幅度變化：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，水侵等其他原因導致保溫層產生顯著的空洞或不連續性。研究小組決定利用通常用于隔熱管中的排水塞來進行取樣。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生的一些污染。

        為了提供更精確的采樣條件信息，現場嚴格限制使用電子設備。通過將一個噴射真空泵連接到定量泵來進行取樣，通過取樣的時間來控制采集氣體量。

        圖1給出了采樣系統的草圖。現場取樣單元包括：一個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；一個控制氣流的閥；一個指示氣源驅動壓力的壓力計（從而能間接地指示流速）；一個噴射泵；一個控制濾筒真空的壓力表；和濾筒架上一根可彎曲的軟管。噴射泵和壓力計固定在操作者的腰帶上，從而允許其在高壓點和取樣位置之間自由移動。出于訓練的目的，樣品在實驗室中制備。實驗室中使用的是一個類似的系統，但取樣是由電腦軟件來控制的，該軟件監測著取樣系統的方方面面。

圖1.采樣系統的示意圖

       濾筒需滿足以下若干標準：

• 應該保證實驗室制備的訓練用樣品和現場采集樣品的質量；
• 確保樣品的正確存儲，且易于研究人員將樣品從現場運送至實驗室；
• 確保過濾器無需經過任何其他處理，直接呈現在狗的面前。

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

        氣味：腐蝕揮發物

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

        簡單地說，該技術可以使研究人員發現許多之前無法檢測到的低峰，因為這些低峰已經接近了檢測的極限。腐蝕和未腐蝕樣本之間沒有發現系統性差異。暫定的結論是，許多峰（碳氫化合物）的收集，實際上是來自于工廠周圍的空氣。

        第二項研究采用了不同的技術：礦棉中分別通入空氣5 L，50 L和600 L（ 1.32, 13.21和158.5 gal），并將提取的化學物質置于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法對吸附管進行分析。相比于之前使用的固相微萃取技術來說，這種方法是成功的，因為其得到的化學色譜范圍更廣。然而，我們無法根據結果做出腐蝕區域和非腐蝕區域樣品的化學形態存在顯著差異的結論。所有樣品洗脫8至10 min的峰值總體分析結果是相似的，即都表現出了揮發性化合物的特征。仔細觀察發現，每一個樣品的峰值圖案與其它樣品都有略微不同；并且較之于腐蝕區域的兩個樣品，或腐蝕區域的兩個對照試樣，或非腐蝕區域的兩個對照試樣，通常我們更容易發現某一個對照試樣看起來更類似于腐蝕區域的某一個樣品。

        雖然我們對分析程序進行改編，但仍然無法解決保留時間在8 -10 min之間這些化學物質峰相似的問題。不能排除在這個時間窗口一個合適的標記物被隱藏了的可能。通過尋找那些僅在腐蝕區域的樣品中出現而未在對照樣本中出現的峰，以及分析那些識別的峰的元素構成是否存在顯著差異，結果均未發現有顯著差異。

        氣味追蹤

        為了訓練狗，研究員將揮發物從保溫材料中抽離出來儲存在玻璃罐中，以便使訓練樣品更加接近于現場樣品。罐子中含有礦物棉保溫材料的陽性樣品取自各腐蝕地點，陰性樣品或者對照試樣取自非腐蝕地點。這些濾筒安置如圖2所示的圓盤傳送帶上，以便狗進行甄別。使用塑造及糾正動物行為的技術，五只狗被教導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。

圖2.正在圓盤傳送帶旁聞樣品的狗

          以這種方式訓練狗的時候要非常謹慎，必須讓狗只對陽性樣本這一線索作出反應。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產生干擾。實際上，要做到這一點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間來制備，這樣所得到的樣品才不會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的；在分析期間，訓練者不能在狗的可視范圍內，防止訓練者無意之中給出的暗示。在操作期間擬定了標準協議，以避免發生以上問題。

        所得到的結果表明，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驗室制備的樣品，狗的平均鑒別結果。

        表1 五只狗對實驗室制備或現場采集已知狀態樣品的反應正確平均百分比。結果來源于2012年6月至12月間進行的分析，使用的是一家天然氣處理工廠的礦物棉保溫層材料。

材料	實驗室制備的樣品	已知的現場樣品
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，該工廠同樣也為訓練提供了材料。每個采樣區域都制備了一至五個樣本，這些樣品通過帶有標簽的排水塞來確認。在收集到樣品不久之后，這些區域都開放以供檢測員進行目視檢測，然后再將這些區域所采集到的樣品用于訓練中，因為通過目視檢測已經確定了其陰性或陽性的狀態。表1同樣示出了同一家工廠的現場樣品，狗的平均檢測結果。

        基于這些結果，研究人員開發了一個系統的方法，來對現場樣品檢測獲得的結果進行分類。使用這種方法，研究人員可以將檢測的靈敏度進一步優化，從而發現所有的腐蝕，但是可能會接收一些錯誤的警報（I型誤差）。另一種選擇是，可以使檢測的精確性進一步優化，但是這樣可能會遺漏一些腐蝕（II型誤差），但可以盡量減少錯誤警報。結果總結在圖3中。在本案例中，我們選擇的是高靈敏系統，因為我們認為檢測到所有的腐蝕才是最重要的。

圖3.可能的系統結果表征
靈敏度=％正確的檢測/n腐蝕的區域；特異性=％正確的排斥/n非腐蝕區域。

        在一個指定地點，由五只狗在不同的日子，至少分析兩份樣品，換言之就是每個區域至少要準備十份樣品。然后根據五只狗的分析結果對每個地點進行分類，樣品反應率大于10%的區域定義為腐蝕存疑區，等于或小于10%的區域定義為非腐蝕區。表2所示為已知現場樣品的系統分析結果。

        表2在用狗進行分析之前，已經知道地區的正確結果，之后對這些結果進行驗證。

材料	實驗室制備的樣品	之后驗證的現場樣品
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

       還有一些其他區域的樣品，在目視檢測之前就已經開始進行了分析。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準。后來這些區域中的許多地方，研究人員都進行了目視檢測。表2中同樣也給出了之后使用系統方法對這些區域進行驗證的結果。分析結果表明狗對腐蝕/存疑地區檢測樣品的識別精確度非常高，而對非腐蝕/干凈區域的樣品也沒有給出響應，但其中唯一值得注意的是，我們分析的區域數量是有限的。

       之后，研究人員將訓練中和雙盲測試階段收集到的有限的數據結合起來，以計算系統的靈敏度和特定性。這種系統方法中的靈敏性，在本質上就是對可能的腐蝕區域標記上“存疑”，其準確率為92％ 。而系統方法中的特定性，在本質上就是將可能的未腐蝕區域標記上“干凈”，經計算準確率為93％。這個數字結果是令人滿意的，達到了RST技術項目發展的預期目標。

       結論

       通過對該技術發展進行評估，得出以下結論：

• 經過訓練的狗來監測CUI能夠達到預期的要求（腐蝕區域監測的可靠性>70%， 非腐蝕區域排除的可靠性>90%）；
• 研究人員開發了一種用戶體驗良好，能夠在油氣工廠使用的采樣器；
• 研究人員開發了一種供現場采樣及實驗室用的穩定濾筒系統（專利申請中）；
• 研究人員開發了一個報告評估采樣區域的概念體系；
• 文中描述了一種可供檢驗部門使用的潛在系統，該系統能夠為涉及檢驗的各部門都帶來便利；
• 通過化學方法來對揮發物進行鑒定，從而判別是否腐蝕是不可行的。

       雖然在現場組織開展研究需要花費大量精力、資源和時間，同時項目持續的時間可能也超出預期，但研究結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信息。在一個后續項目中，將檢測CUI的狗納入檢驗部門的行動正在進行中。這無疑會帶來用以精確確定技術靈敏性和特定性，以及確定其他參數更多的數據，如評估采樣點至腐蝕區域距離之間腐蝕程度的參數。

       將使用狗來檢測CUI的技術結合至工廠維護系統中后，所產生的價值可以說是巨大的。通過一段時間在各個地點的重復采樣，那些正在發生腐蝕的區域就可以被及時識別。這些信息可以幫助維修人員優先進行計劃維修。那么工廠中那些必需進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。

責任編輯：王元

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