視頻智能分析在油氣田中的應(yīng)用

蘇嘯吟

（中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司 河南 鄭州 450018）

引言

隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)由模擬系統(tǒng)逐步發(fā)展為數(shù)字系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)、設(shè)備逐漸成熟，造價(jià)大幅下降，系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城市、智能交通、金融、能源行業(yè)等領(lǐng)域[1]。

1 油氣田視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

1.1 油氣田視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)架

油氣田視頻監(jiān)控系統(tǒng)全面覆蓋井、站庫、管線等重要油氣生產(chǎn)設(shè)施，形成井，站，管理區(qū)的三級架構(gòu)。

在井場及小型站場，設(shè)高清攝像機(jī)，配套廣播等，視頻信號在上級統(tǒng)一存儲。在大型站場，對大門、周界、罐區(qū)及泵房等重點(diǎn)設(shè)備和關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)控，配套存儲、控制設(shè)備，在本地對視頻信號進(jìn)行存儲、管理。在管理區(qū)控制室，設(shè)視頻服務(wù)器、存儲設(shè)備、拼接屏、工作站等，對整個(gè)管理區(qū)內(nèi)所有視頻進(jìn)行管理、存儲，并擁有整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中最高管理權(quán)限[2]。

系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用有線與無線相結(jié)合的方式組建。各站場采用有線方式，利用光纜線路上傳視頻數(shù)據(jù)至管理區(qū)、廠統(tǒng)一管理；各井場、重要路口采用無線方式，利用運(yùn)營商4G、無線網(wǎng)橋等上傳視頻數(shù)據(jù)。

1.2 油氣田視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為三級，每級相應(yīng)的功能不同。

在井場及小型站場，對主要設(shè)備、出入口進(jìn)行晝夜監(jiān)控，清晰采集現(xiàn)場視、音頻數(shù)據(jù)，識別相應(yīng)報(bào)警信息，并上傳相關(guān)數(shù)據(jù)至管理區(qū)。

在大型站場，對站內(nèi)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)置本地監(jiān)控室，能夠控制、管理前端攝像機(jī)并存儲圖像。

在管理區(qū)對下轄所有相關(guān)視頻信號進(jìn)行管理?？蓪θ我宦窋z像機(jī)進(jìn)行控制，回放任一攝像機(jī)歷史畫面；同屏顯示多路畫面，輪巡管理所有攝像機(jī)；對系統(tǒng)本身進(jìn)行自診斷，并能夠自恢復(fù)。

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)維中存在的問題

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)全面覆蓋井、站庫等油氣生產(chǎn)設(shè)施，導(dǎo)致視頻數(shù)據(jù)過多。前端攝像機(jī)數(shù)量眾多，畫面多，而系統(tǒng)的智能化程度較低，現(xiàn)有監(jiān)控方式缺陷明顯：

1.3.1 無效報(bào)警率較高

因系統(tǒng)本身的智能分析技術(shù)水平限制，無效告警率較高。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很多地區(qū)將報(bào)警功能關(guān)閉。無效報(bào)警次數(shù)遠(yuǎn)超過真實(shí)報(bào)警，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每臺攝像機(jī)每天告警次數(shù)平均超過1000次。其中多數(shù)由蚊蟲聚集、樹葉、小型動(dòng)物如兔、狗、貓等引起，這些報(bào)警均實(shí)際使用中無需重點(diǎn)關(guān)注的無效報(bào)警。

1.3.2 對目標(biāo)特征無法精確識別

隨著大型站場對視頻監(jiān)控系統(tǒng)與各種安防、自控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的要求的逐步提高，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化的需求也有所提高。因目標(biāo)庫覆蓋不全面，且現(xiàn)有視頻分析功能不具有深度學(xué)習(xí)功能，無法火焰、工衣工帽等目標(biāo)。

1.3.3 對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析、查詢困難

視頻畫面是全天24小時(shí)持續(xù)不斷錄制，數(shù)據(jù)量巨大。由于安防要求的提高，現(xiàn)在所有視頻的存儲時(shí)間都擴(kuò)大至90天。現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)分析和查詢采用人工方式，在進(jìn)行視頻分析、查詢時(shí)非常耗時(shí)，需要瀏覽大量的視頻畫面，且難以獲得所有相關(guān)信息。

因此，為了提高現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能分析水平，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御、準(zhǔn)確報(bào)警、黑屏管理，提高管理效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，完善技能分析技術(shù)，使其具有深度學(xué)習(xí)功能是必然的趨勢。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能分析技術(shù)簡介

智能分析是采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對視頻圖像進(jìn)行分析并提取場景中的關(guān)鍵信息，最終形成相應(yīng)事件，來實(shí)現(xiàn)智能化[3]。

實(shí)現(xiàn)智能分析功能的常見方式有以下幾種：

2.1 前端智能

將智能分析算法寫入硬件中，并嵌入到前端攝像機(jī)內(nèi)，用單臺攝像機(jī)即可實(shí)現(xiàn)智能分析。

目前常見的前端智能主要應(yīng)用于車輛抓拍、車牌識別、區(qū)域入侵及實(shí)時(shí)抓拍等，也是各油氣田視頻系統(tǒng)中主要的智能分析方式。

2.2 后端智能

將智能分析算法安裝在后臺服務(wù)器中。前端攝像機(jī)將視頻傳至后臺設(shè)備，由服務(wù)器對圖像進(jìn)行分析和處理，即前端攝像機(jī)僅起錄像作用。

后端服務(wù)器可以進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，即根據(jù)已出現(xiàn)的報(bào)警事件，將報(bào)警事件分類匯總，總結(jié)不同周期下、不同背景下的規(guī)律，更新相應(yīng)的規(guī)則，不斷自學(xué)習(xí)，完善并適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境下，與實(shí)際情況最相適應(yīng)的智能分析規(guī)則；利用GPU，應(yīng)用更多基于圖像處理發(fā)展的智能分析技術(shù)，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能夠具有指向性的查找相應(yīng)畫面。因此其智能分析的效果相對更好[4]。

2.3 對比分析

前端智能的優(yōu)勢在于，因?yàn)闊o需將信號傳輸至后臺，僅需將報(bào)警信號傳回，故對傳輸帶寬要求很低。但建成后，在不更換前端的情況下，擴(kuò)展新的功能也頗具難度。后端智能優(yōu)勢在于，可以使非智能前端具有智能分析功能，實(shí)現(xiàn)智能分析功能，充分利舊，節(jié)約成本。

故而，利舊各油氣田已建攝像機(jī)，少量更換老舊攝像機(jī)，在后端增加分析服務(wù)器，即可整合所有視頻信息，同時(shí)進(jìn)行前端、后端分析，以提高視頻智能分析功能的效率。

3 智能分析技術(shù)在油氣田中的應(yīng)用

3.1 油氣田常用智能分析功能

常用的智能分析功能有入侵檢測、停留檢測、徘徊檢測、自動(dòng)跟蹤，物體識別、火焰識別、工衣工帽識別等。

除了以上常規(guī)智能分析功能外，還需要深度學(xué)習(xí)功能。因油氣田所需常用功能與城市常用功能不完全相同，故需利用深度學(xué)習(xí)功能，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行糾正、擴(kuò)展，以完成與油氣田生產(chǎn)周期、環(huán)境相適應(yīng)的的智能分析規(guī)則。在后端管理平臺部署具有深度學(xué)習(xí)功能的GPU服務(wù)器和智能分析軟件，對每次報(bào)警結(jié)果由人工進(jìn)行反饋，建立報(bào)警事件數(shù)據(jù)庫，讓分析系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)并更新建模，不斷細(xì)化、深化目標(biāo)庫[5]。

3.2 可深度學(xué)習(xí)的智能分析技術(shù)在油田的應(yīng)用

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面覆蓋，每天報(bào)警達(dá)到5萬次左右，無效報(bào)警次數(shù)約占總報(bào)警次數(shù)的99%。本文選用中石化渭北油田對管理平臺重新部署的實(shí)驗(yàn)為例，列舉實(shí)驗(yàn)報(bào)警相關(guān)數(shù)據(jù)，對增加深度學(xué)習(xí)功能前后的報(bào)警情況。

3.2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目地處陜西省銅川市黃陵縣和宜君縣之間的山中，地理位置偏僻，井場散落在不同山頭、山腰、山谷中。共安裝56套攝像機(jī)，通過光纖、4G、VPN方式傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心已配置相應(yīng)的視頻服務(wù)器、VPN服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)等，并通過租用移動(dòng)運(yùn)營商專線上傳至渭北油田基地。本次實(shí)驗(yàn)增設(shè)GPU服務(wù)器1套，智能分析軟件包1套。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）完成對人、車、工服工帽的識別。

（2）對告警事件進(jìn)行人工判讀，并給予系統(tǒng)反饋，測試深度學(xué)習(xí)能力。

（3）對告警記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，對比驗(yàn)證告警的準(zhǔn)確率。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)原理

利用GPU服務(wù)器強(qiáng)大的圖像處理能力，將非結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)易于識別和處理的結(jié)構(gòu)化信息，將視頻中包含的關(guān)鍵信息提取出來，轉(zhuǎn)換成文字、數(shù)字描述，建立與視頻幀的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對視頻的分析、對比、搜索功能。

利用智能分析軟件的深度學(xué)習(xí)功能，對背景、監(jiān)測區(qū)域自定義形狀，并組合多個(gè)規(guī)則、多種算法同時(shí)處理。建立反饋機(jī)制，由人工對每次報(bào)警的結(jié)果進(jìn)行判斷，并反饋給軟件，讓分析系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)并更新，以建立報(bào)警事件數(shù)據(jù)庫。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)對人、車、工服工帽的識別。以下為實(shí)驗(yàn)過程中識別目標(biāo)時(shí)的視頻圖像。

(2)下表為7天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.5 結(jié)論

本次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，在視頻智能分析設(shè)備運(yùn)行良好，光照良好，傳輸通道滿足要求的情況下，智能識別準(zhǔn)確率達(dá)到85%，在經(jīng)過7天的學(xué)習(xí)后，智能識別準(zhǔn)確率達(dá)到90%。剔除虛假告警達(dá)到99.6%以上，有效告警平均1.5次/每天每井。

4 結(jié)語

綜上所述，提高油氣田信息化的智能分析水平非常重要。通過增強(qiáng)管理平臺的智能化，引入深度學(xué)習(xí)能力，在不斷學(xué)習(xí)中，提高報(bào)警準(zhǔn)確率，最大限度地減少誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生，降低管理人員工作強(qiáng)度，提升安全防范管理水平，有效地協(xié)助處理危機(jī)事件，真正實(shí)現(xiàn)黑屏管理。