視頻監(jiān)控系統(tǒng)在長輸管道及油氣田高后果地區(qū)應(yīng)用淺析

王曉程

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

隨著長輸管道的快速建設(shè)和迅猛發(fā)展，尤其是智能管道、智慧管網(wǎng)概念的提出，針對長輸管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)行提出了更高的要求。沿線人員密集、地貌類型多樣，在該區(qū)域內(nèi)可能存在相對頻繁的人員活動及第三方施工作業(yè)，對管道形成潛在威脅，并且當(dāng)管道受到第三方等破壞后可能引起管道缺陷甚至失效，造成泄漏、燃爆等不利后果，會給該區(qū)域內(nèi)人員及環(huán)境帶來極大的安全風(fēng)險。本工程針對上述環(huán)境特點(diǎn)，在高后果區(qū)安裝前端監(jiān)控設(shè)備，對現(xiàn)場進(jìn)行音視頻采集，并在相鄰站場實(shí)現(xiàn)音視頻的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，滿足調(diào)控管理部門實(shí)時監(jiān)控、防災(zāi)監(jiān)測、應(yīng)急搶險、事故預(yù)警等多種需求，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享。

綜上所述，針對管道的破壞事件多發(fā)，安全巡護(hù)形勢嚴(yán)峻，已建的人防及技防不能完全滿足管道安全生產(chǎn)需求。需通過在管道高后果區(qū)、無伴行路巡線不便區(qū)及人口密集區(qū)增設(shè)區(qū)域視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對輸油管道沿線24h 實(shí)時監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)并制止針對管道的破壞活動；對突發(fā)事故快速應(yīng)急響應(yīng)，減少原油泄漏帶來的經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)問題；同時，減少巡護(hù)人員用工量及巡護(hù)工作強(qiáng)度。

圖1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall architecture design diagram

1 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 概述

對于智慧管道來說，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控主要安裝在管道沿線。因環(huán)境惡劣，設(shè)備除了應(yīng)滿足功耗低、易安裝、易維護(hù)的要求外，需要滿足的最重要的技術(shù)指標(biāo)是智能化及高清化。

智能化視頻前端設(shè)備通過智能視頻分析現(xiàn)場或存儲的視頻流，檢測出可疑活動、事件或者行為模式，使視頻監(jiān)控的功能從事后追溯轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)警。目前，業(yè)界主流的智能化監(jiān)控設(shè)備，包括集成視頻分析軟件的DVR 和視頻服務(wù)器等，可實(shí)現(xiàn)針對基本行為和場景的判斷，但若希望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜獨(dú)立的行為判斷，除了依托前端的智能感知技術(shù)外，還需配合強(qiáng)大的智能分析算法，通過大量采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部的聯(lián)系，從而提高視頻數(shù)據(jù)的利用率?？紤]到煙臺港原油管道復(fù)線工程中，重點(diǎn)地區(qū)視頻監(jiān)控的關(guān)注點(diǎn)在第三方人員、機(jī)械開挖對管道造成不利影響，及輔助地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)確認(rèn)地表環(huán)境狀態(tài)改變上。因此，視頻前端設(shè)備應(yīng)至少具備運(yùn)動目標(biāo)檢測（包括車輛及人員）、絆線檢測、入侵檢測、徘徊檢測、流量統(tǒng)計(jì)等功能，并可通過智能學(xué)習(xí)，有效過濾植物、陰影、水面等因素對現(xiàn)場場景變化的影響。視頻前端設(shè)備的高清化，首先必須有智能化做基礎(chǔ)，配合智能化的感知方式，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場情況的事前有效預(yù)警、事中快速響應(yīng)的目的。目前，業(yè)界主流的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)根據(jù)需求及應(yīng)用場合不同，表征圖像清晰度的主要參數(shù)——分辨率，從之前的D1，到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的720P、1080P、500W，視頻清晰度逐步得到提高?？紤]到智能管道網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控前端需安裝在管道沿線，為避免出現(xiàn)看得見圖像、看不清圖像細(xì)節(jié)而產(chǎn)生大量誤報，增加人工被動監(jiān)控，降低運(yùn)營維護(hù)管理效率的現(xiàn)象，本工程應(yīng)用的高清攝像機(jī)清晰度至少應(yīng)為1080P，在500m 內(nèi)可進(jìn)行車輛、人員及目標(biāo)的清晰識別、報警。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在條件允許情況下，為保證遠(yuǎn)端管理、控制中心對管道沿線高后果區(qū)視頻圖像的監(jiān)控需求，盡量選擇像素更高的產(chǎn)品。

1.2 視頻采集點(diǎn)

視頻采集點(diǎn)是監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，由攝像機(jī)、工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)太陽能電源（含蓄電池）、防雷、監(jiān)控立桿及傳輸線纜組成，將現(xiàn)場監(jiān)控圖像信息通過設(shè)備采集并上傳到視頻接入節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)布置方式，可分為：單點(diǎn)全覆蓋、高點(diǎn)區(qū)域覆蓋。

1）單點(diǎn)全覆蓋

在每處風(fēng)險隱患點(diǎn)均設(shè)置1 座通信立桿，每處桿上按裝2 臺攝像機(jī)，朝向兩個方向進(jìn)行監(jiān)控。單臺攝像機(jī)采用雙光譜搶球聯(lián)動攝像機(jī)，按照覆蓋300m 計(jì)算（采用可變焦鏡頭，視場角取27°時），在合適位置方式立桿，可對每處風(fēng)險隱患點(diǎn)的關(guān)鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全程覆蓋。

2）高點(diǎn)區(qū)域覆蓋

該方案采用在運(yùn)營商鐵塔上安裝高點(diǎn)攝像機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的區(qū)域覆蓋，通過少量監(jiān)控點(diǎn)位對高后果區(qū)實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋。在每座鐵塔上安裝雙光譜重載云臺攝像機(jī)，采用連續(xù)變焦設(shè)備，探測距離≥5km，辨認(rèn)距離≥3m；鐵塔采用租用方式。

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，人員密集區(qū)點(diǎn)位較為分散（平均5km ～20km 之間），附近的運(yùn)營商鐵塔位置距離隱患點(diǎn)位較遠(yuǎn)，需要較多的鐵塔覆蓋。

采用高點(diǎn)區(qū)域覆蓋，畫面可辨識度較低、不支持虛擬周界，需要固定人員進(jìn)行監(jiān)看，且重載云臺攝像機(jī)投資較高（每處約30 萬），而單點(diǎn)覆蓋方案雖然施工周期相對較長、協(xié)調(diào)工作難度相對較大，但總體監(jiān)控效果較好，特別是智能分析功能可大大減少人工管理工作。另外，可根據(jù)高后果區(qū)現(xiàn)場情況，以及運(yùn)營商鐵塔條件（現(xiàn)有鐵塔位置、租用費(fèi)用、維護(hù)方式等）、監(jiān)控桿征地難度等，采用兩種方案相結(jié)合的方式。

1.3 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

高后果視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像機(jī)建設(shè)、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控中心3 部分組成?？傮w架構(gòu)圖如圖1 所示。

1.3.1 前端攝像機(jī)建設(shè)

高后果區(qū)是人員密集、廠房密集或多路口交匯的區(qū)域，一旦發(fā)生油氣管線泄漏等情況，會造成嚴(yán)重后果。對于這樣的區(qū)域，有嚴(yán)禁特殊車輛通行或進(jìn)入的特殊法規(guī)，而僅僅架設(shè)高點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備不足以做到不漏看，所以能及時捕捉可疑場景是提高對高后果區(qū)重點(diǎn)關(guān)注的迫切需求。

集成一體化智能控制終端設(shè)備，借助智能化管道平臺，通過智慧管道平臺在智能視頻分析、行為模式識別和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)特征提取與分類技術(shù)的基礎(chǔ)上，用大數(shù)據(jù)技術(shù)綜合基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)完成對疑似違法行為的交叉信息驗(yàn)證，從而形成更精確地目標(biāo)行為判讀結(jié)果，更完備的目標(biāo)行為模板庫。

在管道沿線設(shè)置探測距離為500m 的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)，攝像機(jī)采用夜視功能+激光補(bǔ)光，并配備揚(yáng)聲器和聲光報警器，一旦出現(xiàn)非法入侵，通過網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)的智能分析功能實(shí)現(xiàn)自動報警，所屬作業(yè)區(qū)監(jiān)控終端上彈出畫面，操作人員可遠(yuǎn)程喊話。

1.3.2 監(jiān)控攝像機(jī)正常運(yùn)行采取的措施

管道沿線攝像機(jī)可有效記錄一些非法情況，有其不可取代的優(yōu)勢，也是順應(yīng)智慧管道的要求以及為管線安全運(yùn)行提供一些保障。但是，管道沿線設(shè)置的攝像機(jī)存在被盜以及引接的光纜可能被破壞的風(fēng)險，目前沒有有效的措施來確保攝像機(jī)百分百的安全運(yùn)行，需要巡檢人員定期進(jìn)行巡檢來提升攝像機(jī)運(yùn)行的安全性，一旦發(fā)生攝像機(jī)無信號等情況即去往現(xiàn)場處理。

1.3.3 供電方案

為了保證系統(tǒng)供電可靠性，建議攝像機(jī)采用風(fēng)光互補(bǔ)供電方式，采用風(fēng)光互補(bǔ)太陽能供電模式給監(jiān)控前端設(shè)備供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能的互補(bǔ)性，形成的新能源應(yīng)用發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用太陽能板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）所發(fā)出的電能，存儲到蓄電池組中。

通過風(fēng)光互補(bǔ)控制器，供電后備時間為5 天～7 天。風(fēng)光互補(bǔ)供電設(shè)備包括太陽能光伏組件、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、風(fēng)光互補(bǔ)專用轉(zhuǎn)換電源及蓄電池組等組成，其中：①充放電控制器具備高效率整流器，支持多路高效輸出（5V/12V/24V），支持MDBUS 通信協(xié)議，電池箱進(jìn)水監(jiān)測、防盜報警等，支持強(qiáng)大編程功能；②蓄電池采用高密度膠體鉛酸蓄電池；③太陽能光伏組件采用高效單晶硅太陽能電池片，光電轉(zhuǎn)化率不低于15%，具備減反射膜，提高光吸收率，工作溫度為-30℃～50℃，年衰減率不大于5%，整體組件通過2400Pa 風(fēng)壓和5400Pa 風(fēng)壓測試，符合IEC、UV、UL、CE 等認(rèn)證；④小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，MINI 3-12V，功率300w，電壓12V，玻璃尼龍纖維復(fù)合材料葉片，葉片輪轂安裝采用鑲嵌式設(shè)計(jì)，葉片直徑1.17m，2.5m/s 啟動風(fēng)速，3m/s 切入風(fēng)速，最大承受風(fēng)速35m/s，機(jī)身全鋁合金，SKF 耐低溫進(jìn)口軸承，48mm 鋼管連接。

圖2 前端監(jiān)控編碼器及太陽能供電系統(tǒng)Fig.2 Front end monitoring encoder and solar power supply system

1.3.4 傳輸方案

傳輸方式主要有：通信光纜、4G 網(wǎng)絡(luò)[1]，考慮到投資以及傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，建議管道沿線設(shè)置的視頻監(jiān)控采用引接光纜+以太網(wǎng)交換機(jī)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。不同地區(qū)攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)，通過帶光口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)8 芯光纜接入本工程干線光纜，傳輸至所屬作業(yè)區(qū)管轄的就近站場進(jìn)行存儲，本工程選擇與管道同溝敷設(shè)的36 芯光纖中空余的4 芯光纖作為工業(yè)電視傳輸通道（原則上串接的以太網(wǎng)交換機(jī)數(shù)量不超過7 個，超過7 個以太網(wǎng)交換機(jī)的需采用另外2 芯傳輸）。

1.3.5 視頻數(shù)據(jù)存儲

管道沿線的視頻數(shù)據(jù)存儲于所屬作業(yè)區(qū)就近的站場，需在各個無人值守站場設(shè)置1 套存儲服務(wù)器，用以存儲本工程管道沿線的視頻數(shù)據(jù)，管道沿線視頻監(jiān)控圖像采用本地SD 卡及遠(yuǎn)程存儲同時存儲模式[2]，即前端圖像在本地攝像機(jī)SD 卡內(nèi)存儲，同時數(shù)據(jù)傳輸至就近的無人值守站場進(jìn)行遠(yuǎn)端存儲，以實(shí)現(xiàn)站場端存儲和錄像管理的功能。管道沿線重點(diǎn)高后果區(qū)攝像機(jī)的實(shí)時監(jiān)控畫面采用1080P@30fps格式，存儲及圖像上傳統(tǒng)一采用720P@25ps 格式，720P 動態(tài)視頻圖像采用H.265 技術(shù)編碼，碼流約為2Mbps/路。數(shù)字視頻圖像變化運(yùn)動率按照20%考慮，存儲服務(wù)器可存儲不低于90 天的壓縮后的16 畫面圖像資料計(jì)算[3]圖像存儲容量：

每路視頻全動態(tài)存儲速率為：2Mbps÷8 ＝256KBps

每路視頻全動態(tài)存儲1 天的容量為：256KBps×3600s×24 ＝21GB

90 天每路全動態(tài)存儲容量為：21GB×90 ＝1890GB

90 天每路估算（20%動態(tài)）容量為：1890GB×20%＝378GB

存儲服務(wù)器的配置容量應(yīng)≥378G×數(shù)字視頻存儲路數(shù)，總的存儲容量為：13608G

1.4 視頻智能分析

借助智能化管道平臺，通過智慧管道平臺在智能視頻分析、行為模式識別和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)特征提取與分類技術(shù)的基礎(chǔ)上，用大數(shù)據(jù)技術(shù)綜合基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)完成對疑似違法行為的交叉信息驗(yàn)證，從而形成更精確的目標(biāo)行為判讀結(jié)果，更完備的目標(biāo)行為模板庫。

1.5 視頻監(jiān)控與其它泄漏檢測系統(tǒng)融合

針對管道的破壞事件多發(fā)，安全巡護(hù)形勢嚴(yán)峻，通過在管道高后果區(qū)、無伴行路巡線不便區(qū)及人口密集區(qū)增設(shè)區(qū)域設(shè)視頻監(jiān)控，并與負(fù)壓波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對輸油管道沿線24h 實(shí)時監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)并制止針對管道的破壞活動；對突發(fā)事故快速應(yīng)急響應(yīng)，減少原油泄漏帶來的經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)問題；同時，減少巡護(hù)人員用工量及巡護(hù)工作強(qiáng)度。

2 結(jié)束語

面臨的各類突發(fā)事件壓力、社會輿論壓力加大，高后果區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)為解決以上的問題和矛盾提供了管理手段和技術(shù)手段，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）全面提升精細(xì)管理水平。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對管道周邊的第三方施工、可疑人員動態(tài)等信息及時發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確掌握、調(diào)配力量、合理處置，管控由被動巡查向主動管控轉(zhuǎn)變。

2）降低勞動強(qiáng)度

通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以直觀地了解管道沿線狀況，減少工作人員人工巡線次數(shù)，優(yōu)化了人力資源，降低勞動強(qiáng)度，降低生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用。

3）降低安全風(fēng)險

通過現(xiàn)場視頻遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)的報警、預(yù)警等功能，可有效防范事故的發(fā)生，降低安全風(fēng)險。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢充分發(fā)揮，人防力量得到最大優(yōu)化，人防力量和技防手段相輔相成，有效提升安全生產(chǎn)防控能力，全面提升精細(xì)管理水平。