雙光譜熱成像攝像機(jī)在輸油管道智能監(jiān)控的探討

李嬌媚

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

石油是國家經(jīng)濟(jì)的命脈，陸上原油通常采用輸油管道的方式運(yùn)輸，與公路、鐵路、航空等運(yùn)輸方式相比，輸油管道具有經(jīng)濟(jì)、安全、易運(yùn)維等特點(diǎn)，保障管道運(yùn)行安全是至關(guān)重要的任務(wù)。近年來隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷增加，已建管道周圍被外來人員違章占用的事件時(shí)有發(fā)生，同時(shí)老管道周圍的地質(zhì)環(huán)境也在逐年發(fā)生變化，一旦出現(xiàn)管道泄漏，將對(duì)周圍的人身、財(cái)產(chǎn)、生態(tài)安全造成損害。埋地原油管道難以觀測和維護(hù)，傳統(tǒng)人工巡檢的維護(hù)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有需要，迫切需要一種代替和輔助人工巡檢的24h、智能化、智能預(yù)警的輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸油管道的智能化巡檢監(jiān)控。本文基于以上需求，提出了一種基于熱成像技術(shù)的輸油管道智能監(jiān)控系統(tǒng)，幫助提高管道監(jiān)控運(yùn)維能力。

1 輸油管道監(jiān)控特點(diǎn)

輸油管道路徑長、走向復(fù)雜、不確定性大，輸油管道通常長達(dá)數(shù)十公里，時(shí)常穿跨越河流、公路、鐵路、農(nóng)田、人口密集村莊城鎮(zhèn)等地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，人員管控難。在穿越人口密集區(qū)，及加油站、化工廠等危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，安全風(fēng)險(xiǎn)增加，穿越地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變的地區(qū)，維護(hù)難度加大。除管道外部環(huán)境難以控制，埋地管道自身也存在著腐蝕、管道強(qiáng)度降低等問題，以上都是輸油管道監(jiān)控的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

2 輸油管道監(jiān)控現(xiàn)狀

輸油管道監(jiān)控措施目前通常采用“人力巡檢為主+泄漏檢測系統(tǒng)及視頻監(jiān)控為輔”的方法。人力巡檢工作量大，尤其在雨雪天氣，道路泥濘或結(jié)冰打滑，工作效率低，耗費(fèi)大量的人力物力，在現(xiàn)有油田減員增效的要求下，人力資源越發(fā)可貴，現(xiàn)有人員已無法滿足不間斷巡檢的需求。雖然人力巡檢對(duì)不法分子鉆孔盜油及違規(guī)占地的發(fā)現(xiàn)處理較有效，但是對(duì)于長距離管線的微小泄漏存在觀測不到位及漏檢的缺點(diǎn)。管道泄漏檢測系統(tǒng)主要有負(fù)壓波檢測法、聲波檢測法、光纖振動(dòng)檢測法、無人機(jī)巡檢等方法。前3種方法實(shí)際使用中存在無法精準(zhǔn)定位，誤差較大，受周圍噪聲環(huán)境影響，存在誤報(bào)情況，同時(shí)存在施工成本高，安裝復(fù)雜，工程量大的缺陷。無人機(jī)巡檢成本較高，也受續(xù)航及飛行航線管控的制約，無法大面積使用。現(xiàn)有常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過人員觀看監(jiān)控屏和錄像來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，不能在管道泄漏發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和報(bào)警，而且受到戶外天氣、光線影響較大，在夜間監(jiān)視距離和視頻清晰程度有限，無法達(dá)到有效監(jiān)控，偷盜活動(dòng)多在夜間進(jìn)行，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控方式存在弊端。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，提高傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的可靠性和使用效果，能夠讓其克服天氣、光線等因素的影響，達(dá)到真正的24h 工作，提高攝像頭監(jiān)視距離，同時(shí)通過智能算法實(shí)現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警，從而大大提升報(bào)警的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，降低了人員的工作強(qiáng)度，減輕輸油管道損壞帶來的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全影響。

3 基于熱成像的智能管道監(jiān)控技術(shù)

3.1 熱成像監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控技術(shù)根據(jù)采集光譜的范圍，分為可見光和非可見光兩類。可見光視頻監(jiān)控技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的監(jiān)控手段，盡管可見光視頻的清晰度已達(dá)到1080P 甚至4K級(jí)，但是其受周圍環(huán)境影響較大，當(dāng)光線較弱的時(shí)候，即使是星光攝像機(jī)也需要依賴微弱的光線，可見光攝像頭在夜間和惡劣天氣情況下，可觀測范圍和清晰程度大打折扣。

紅外熱成像攝像是工作在非可見（紅外）光譜范圍內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，按工作方式分為主動(dòng)紅外和被動(dòng)紅外兩種。主動(dòng)紅外技術(shù)是主動(dòng)發(fā)射光源，利用目標(biāo)反射的紅外光來進(jìn)行監(jiān)控，常用的有紅外補(bǔ)光及激光夜視監(jiān)控技術(shù)。這兩種技術(shù)受自身發(fā)射光源的能量限制，在沙暴和雨霧天氣時(shí)光源被分散，導(dǎo)致監(jiān)控效果不佳。被動(dòng)紅外熱成像是通過觀測目標(biāo)自身的紅外輻射來監(jiān)控，根據(jù)不同物體之間的紅外輻射溫差來區(qū)分和識(shí)別目標(biāo)，即熱成像技術(shù)。熱成像攝像機(jī)成像結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、能耗低、價(jià)格經(jīng)濟(jì)。雙光譜熱成像攝像機(jī)則兼具可見光和紅外光譜下的視頻監(jiān)控功能，在光線微弱時(shí)，紅外光譜可以進(jìn)行成像，對(duì)于在輸油管道監(jiān)控方面，雙光譜熱成像攝像機(jī)能夠彌補(bǔ)普通攝像頭在微弱光線時(shí)的不足，達(dá)到24h 不間斷監(jiān)控，觀測范圍更大，具體性價(jià)比高的特點(diǎn)，并且熱成像技術(shù)不發(fā)出光源，具有隱蔽性，不易被狡猾偷油的不法分子發(fā)現(xiàn)。

3.2 熱成像智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

熱成像智能監(jiān)控系統(tǒng)由“雙光譜熱成像攝像機(jī)+傳輸介質(zhì)+網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備+視頻監(jiān)控終端+智能分析平臺(tái)（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器）+手機(jī)APP”組成，通過雙光譜熱成像攝像機(jī)采集視頻圖像，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字圖像上傳至視頻監(jiān)控終端進(jìn)行查看，上傳至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器的圖像經(jīng)過智能分析平臺(tái)的分析運(yùn)算，篩選出對(duì)輸油管道存在安全隱患的危險(xiǎn)因素進(jìn)行報(bào)警提示，發(fā)送到監(jiān)控終端和手機(jī)APP 提示監(jiān)控人員。

3.3 熱成像智能監(jiān)控系統(tǒng)功能

3.3.1 基礎(chǔ)功能

雙光譜熱成像攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)可見光和夜間紅外攝像功能，雙光聯(lián)動(dòng)，白加黑24h 成像，在惡劣氣候天氣環(huán)境下，通過紅外熱成像功能成像，視頻不間斷監(jiān)控。攝像機(jī)可監(jiān)控范圍≥3km，具備定時(shí)視頻巡檢功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道周圍環(huán)境變化，例如對(duì)于產(chǎn)生積水的路面進(jìn)行遠(yuǎn)距離重點(diǎn)觀測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，第一時(shí)間搶修，提高維搶修速度。

除常規(guī)可見光下人員、車輛信息的自動(dòng)識(shí)別，還可通過紅外成像功能，在有樹木、農(nóng)作物等對(duì)管道有遮擋的地方，通過散熱量識(shí)別遮擋物后方的人體、車輛。雙光譜對(duì)比顯示，同一場景在顯示器上同時(shí)顯示紅外及可見光圖像，方便人員觀測對(duì)比，發(fā)現(xiàn)問題。

通過紅外測溫功能，溫度實(shí)時(shí)可視化檢測、視頻監(jiān)控和錄像，實(shí)現(xiàn)精確測溫，實(shí)時(shí)對(duì)畫面中識(shí)別出的物體進(jìn)行溫度測量，測溫范圍：-40℃～150℃，測溫精度±1℃?？蛇M(jìn)行高溫報(bào)警，火點(diǎn)識(shí)別，可進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。

3.3.2 智能分析功能

管道泄漏報(bào)警功能，利用埋地輸油管線與周圍土壤的溫差，通過紅外熱成像將埋地管網(wǎng)顯示出來，通過圖像處理技術(shù)、智能分析，識(shí)別管道泄漏情況。

通過熱成像攝像機(jī)采集的管道熱圖，經(jīng)過圖像處理、色彩增強(qiáng)、圖像分析、骨架跟蹤可以將埋地管道的紅外圖像顯示在監(jiān)控畫面上[1]。

智能分析平臺(tái)通過地表溫差精準(zhǔn)定位管道泄漏點(diǎn)。通常輸油管道先將原油進(jìn)行加熱升溫，防止原油凝結(jié)，提高輸送效率，較高溫的輸油管道會(huì)與四周土壤進(jìn)行熱交換，管道與周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)可概括為3 個(gè)步驟：管道外壁和保溫層間的熱傳導(dǎo)；保溫層與周圍土壤直接的熱傳導(dǎo)；地表與大氣之間的熱對(duì)流。參考石油學(xué)報(bào)《用紅外成像法探測埋地輸油管道》這篇論文，數(shù)值模擬計(jì)算一條加熱到60℃、埋深1m，DN300 管徑的埋地管道，其上方地表溫度場分布曲線，管道上方和距離管中心2m 處有≥1℃的溫差[1]。參考化工學(xué)報(bào)《埋地輸油管道泄漏污染物地表運(yùn)移特征》這篇論文，模擬埋地輸油管道泄漏污染物地表運(yùn)移過程，在泄漏孔徑設(shè)定為40mm 時(shí)，原油3000s 到達(dá)地表形成污染區(qū)，地表形成較大污染區(qū)域且污染區(qū)域具有較大的攤鋪厚度，地表特征非常明顯[2]。隨著時(shí)間的推移，泄漏量擴(kuò)大，熱交換影響區(qū)域逐漸擴(kuò)大，對(duì)地表的溫度場影響不斷增強(qiáng)，同時(shí)向四周輻射紅外光譜，此時(shí)對(duì)紅外熱成像攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行智能分析，捕捉溫度場變化，識(shí)別輸油管道泄漏點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精確定位泄漏點(diǎn)，提高管道泄漏報(bào)警效率。參考城市供熱管網(wǎng)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使用雙光譜熱成像攝像機(jī)，對(duì)地下供熱管道泄漏檢測，可以明顯觀察到埋地管道的熱水泄漏位置，通過熱成像檢測到的溫度場，對(duì)比識(shí)別畫面中的最低、最高溫度出現(xiàn)的位置，精確定位泄漏位置[3]。通過紅外熱成像加智能分析，彌補(bǔ)人眼觀測的盲區(qū)，智能識(shí)別地下管道泄漏點(diǎn)，大大縮短了泄漏點(diǎn)的定位時(shí)間，加快了事故處理速度，降低漏油事故造成的安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)損失。

智能目標(biāo)鎖定及報(bào)警功能：外來人員及車輛的智能識(shí)別，人工設(shè)定觀測區(qū)域內(nèi)車輛和人員的駐留時(shí)間，對(duì)長時(shí)間駐留的大型車輛及人體進(jìn)行報(bào)警，短時(shí)間和移動(dòng)車輛不進(jìn)行報(bào)警，對(duì)大型車輛的駐留進(jìn)行報(bào)警，可人工設(shè)置不同的報(bào)警車型，針對(duì)大型作業(yè)工程車輛碾壓管道的情況進(jìn)行識(shí)別，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。

4 結(jié)束語

雙光譜熱成像攝像機(jī)在輸油管道智能監(jiān)控中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)24h 全天候，遠(yuǎn)距離、大范圍的視頻監(jiān)控，有效克服雨雪、風(fēng)沙等惡劣天氣的影響，同時(shí)擁有強(qiáng)大的智能分析功能，精準(zhǔn)定位地下管道泄漏位置，提高了管道泄漏位置定位的準(zhǔn)確性，降低了巡線人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，加快事故應(yīng)急響應(yīng)速度，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。