淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)研究

吳可嘉，靳 嵩，劉冬洋，來 斌，劉彥彤

（1.中國石油天然氣股份有限公司大港油田分公司 對外合作項目部，天津 300450；2.中油工程項目管理公司天津設(shè)計院，天津 300450）

0 前言

近年來，國內(nèi)海上油氣開發(fā)事業(yè)發(fā)展迅猛，對海上油氣平臺安防系統(tǒng)的要求不斷提高，傳統(tǒng)安防系統(tǒng)依賴大量人工進行監(jiān)控、風(fēng)險判斷，已不再適用?；诤Ｉ巷L(fēng)險信息智能判斷、無效信息自動過濾、警報信息及時傳送至應(yīng)急決策管理部門和海警部門建設(shè)等智能安防需求，如何構(gòu)建完善可靠的海上油氣智能安防系統(tǒng)，成為當(dāng)今淺灘海上油氣平臺安防建設(shè)備受關(guān)注的問題。

淺灘海域的油氣生產(chǎn)平臺的主要特點是：靠近海岸線，周邊船舶航道與海上平臺距離較近，來往船舶較多，附近漁民活動頻繁，對油氣生產(chǎn)運輸有較大的安全威脅。傳統(tǒng)的海上平臺安防系統(tǒng)建成后，需要根據(jù)視頻內(nèi)容人工判斷視頻畫面內(nèi)的違章或者入侵行為，對歷史數(shù)據(jù)的查詢也需要人工檢索，極大地增加了工作量。當(dāng)航道進入繁忙時段時，淺灘海上油氣平臺安防管理人員無法完全保障對周邊船只進行有效的實時監(jiān)控。

本文從淺灘海上油氣平臺安防現(xiàn)狀入手，基于智能視頻監(jiān)控、船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）及防爆巡檢機器人技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合人工智能圖像識別分析算法，研究探索一套集高清紅外成像儀管理、AIS 識別、機器人巡檢于一體的適用于淺灘海上油氣平臺的智能安防系統(tǒng)。

1 淺灘海上油氣平臺安防現(xiàn)狀

淺灘海上油氣平臺主要部署模擬攝像機和數(shù)字攝像機，分辨率較低，并且需要安全監(jiān)管員實時監(jiān)控，判斷周邊是否有非法船舶靠近。

現(xiàn)有攝像機受所處環(huán)境影響，外殼及鏡頭上經(jīng)常有霧氣，影響其視頻效果，經(jīng)常需要人工擦拭。由于平臺周邊均為海面，水波反射較大，畫面刺眼，人工跟蹤分析難度大，安全管理人員經(jīng)常眼睛過度疲勞，工作效率低。

當(dāng)出現(xiàn)極端大霧、雨雪等天氣時，海上平臺內(nèi)部需要進行生產(chǎn)安全巡檢，海上平臺人員過道狹窄，人工巡檢難度大，勞動強度大，安全風(fēng)險較高，嚴重影響油氣生產(chǎn)安防人員的人身安全。

2 淺灘海上油氣平臺智能安防所要達到的要求

（1）對淺灘海上平臺主要生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場區(qū)域、配電間、數(shù)據(jù)機房等進行攝像機全覆蓋。

（2）對海上平臺周圍海域500 m 范圍內(nèi)的船只進行實時監(jiān)測，對周圍300 m 范圍內(nèi)的船舶進行監(jiān)測跟蹤預(yù)警，并及時報警和驅(qū)離。

（3）通過應(yīng)用船舶智能分析算法，對非法船只進行自動識別。

（4）對海上平臺的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進行本地存儲，實現(xiàn)異地容災(zāi)備份。

（5）視頻數(shù)據(jù)上傳至統(tǒng)一的工業(yè)視頻監(jiān)控平臺。

（6）遠程監(jiān)控管理終端設(shè)置在陸地的生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，實現(xiàn)對海上平臺生產(chǎn)運行和鉆井作業(yè)狀態(tài)的有效監(jiān)控。

3 淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)構(gòu)成及其功能要求

海上平臺智能安防系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控、AIS船舶識別、定向擴音、智能分析算法組成，具體功能要求分析如下。

3.1 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（Internet Protocol，IP）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由紅外熱成像儀、防爆球型一體化遠距離攝像機、固定槍型攝像機、傳輸網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、本地監(jiān)控終端、遠程監(jiān)控終端以及大屏幕顯示墻等組成。以某淺灘海上油氣平臺為例，視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視區(qū)域主要分為平臺周邊海面500 m 范圍區(qū)域監(jiān)控、平臺防爆油氣生產(chǎn)區(qū)域監(jiān)控、平臺非防爆區(qū)域監(jiān)控共計3 個區(qū)域。

在平臺四周圍欄部署防爆球型攝像機和紅外熱成像儀，用于實時監(jiān)控周邊海域船只，能實現(xiàn)周邊海面500 m 范圍區(qū)域的實時安全警戒監(jiān)控。在平臺油氣生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控和出入口處，設(shè)置防爆固定槍型攝像機，用于平臺防爆區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控和出入口智能抓拍。在平臺的室內(nèi)非防爆區(qū)域，如電氣設(shè)備間等，設(shè)置非防爆固定槍型攝像機，用于房間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)控。平臺前端攝像機通信組網(wǎng)物理介質(zhì)采用單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線。在平臺值班室設(shè)置匯聚層光口交換機，前端攝像機區(qū)域設(shè)接入層光口以太網(wǎng)交換機，采用星型組網(wǎng)方式進行組網(wǎng)。

前端攝像機電源：室內(nèi)攝像機采用有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet，POE）供電或DC 24V 直流電源供電，電源引自平臺不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）機柜間。單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線及電源線敷設(shè)，可依托平臺內(nèi)已建的電力橋架和儀表橋架同路由敷設(shè)。平臺值班室設(shè)有本地監(jiān)控終端和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機等，安防指揮室設(shè)大屏幕顯示墻，可實現(xiàn)平臺視頻畫面和其他信息系統(tǒng)畫面顯示。

非法船只航速最快按照20 km 計算，換算約為617.45 m/min，經(jīng)過計算，拉設(shè)500 m 預(yù)警和300 m預(yù)警的警戒線，設(shè)定約30～60 s 的過渡時間。攝像機水平夾角4°，按照30 s 內(nèi)使用攝像機鎖定船只，攝像機按照每3 s移動一個預(yù)制位，設(shè)定10 個預(yù)制位，單個攝像機可覆蓋40°海域。

按照實時360°完全覆蓋500 m 海域的監(jiān)控要求，平臺上至少配置防爆固定槍型遠距離攝像機90臺。由于淺灘海上油氣平臺安裝攝像機位置有限，視頻監(jiān)控系統(tǒng)要滿足為按照10 s 內(nèi)360°完全覆蓋500 m 海域的監(jiān)控要求，平臺上還要配置防爆球型一體化遠距離攝像機9 臺。

3.2 AIS 船舶識別系統(tǒng)及聲驅(qū)系統(tǒng)

船舶識別系統(tǒng)主要是基于AIS 系統(tǒng)，包括AIS 船舶識別終端、水處理系統(tǒng)（Water Treatment System，WTS）平臺端軟件、AIS 服務(wù)器（含報警輸出單元、串口服務(wù)器、海域地圖）、控制話站模塊、音頻控制報警模塊、防爆警示燈、防爆強聲揚聲器等。

平臺四周攝像機監(jiān)控桿上安裝定向擴音喇叭，音源輸入信號取自高清遠距離攝像機，在本地監(jiān)控終端智能安防系統(tǒng)平臺進行驅(qū)離語音錄入。

船舶識別系統(tǒng)能實現(xiàn)對平臺周邊海域1 km 內(nèi)的船舶進行識別，當(dāng)識別到非本單位船舶靠近平臺且靠近距離小于300 m 時，輸出提示信號（定義為報警信號）。

AIS 報警信號將傳送至聲驅(qū)系統(tǒng)（喇叭）和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，聲驅(qū)系統(tǒng)通過高功率喇叭進行警告驅(qū)離，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過AIS 傳輸信號調(diào)動攝像頭云臺，使攝像頭旋轉(zhuǎn)到指定位置拍攝并存儲，同時進行畫面彈屏。如果非法闖入平臺的船只不撤離，攝像機就跟蹤拍攝錄像存儲，上報至該區(qū)域海警部門處理。

3.3 非法船只視頻識別算法

基于人工智能機器視覺的非法船舶識別算法，以淺灘海油氣平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為載體，針對登陸的各類船舶，研發(fā)一套海上平臺特殊場景的非法船舶入侵智能識別算法，作為海上油氣平臺安防系統(tǒng)的智能化手段。本文中非法船舶識別智能算法應(yīng)用的是YOLOv3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效識別給定照片中一個或多個目標(biāo)的存在位置和類型，并利用K-mean 均值聚類算法為每個網(wǎng)格預(yù)測9 個模板框，實現(xiàn)多目標(biāo)預(yù)測。YOLOv3 模型可以通過改變模型結(jié)構(gòu)的大小來調(diào)整速度與精度，進行多尺度預(yù)測，這是當(dāng)今機器視覺領(lǐng)域經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)手段。

將海上平臺實景拍攝的船舶照片作為數(shù)據(jù)集，經(jīng)過圖像標(biāo)記與處理、模型訓(xùn)練與優(yōu)化、評估模型表現(xiàn)、模型優(yōu)化調(diào)參等多輪機器視覺識別訓(xùn)練，通過對多段實景船舶視頻的識別測試，識別工作船只的準(zhǔn)確率超過94%，識別非法船只的準(zhǔn)確率超過92%，工作船只檢測平均精度（Average Precision，AP）為0.95，非法船只檢測平均精度為0.92（見圖1），工作船只平均召回率(Average Recall，AR)為94.80%，其他船只平均召回率(Average Recall，AR)為92.07%，可以用于識別闖入平臺周邊300 m 警戒區(qū)域的非法船只、工作船只并報警，減少監(jiān)控管理人員數(shù)量，提高海上平臺安防水平，填補針對海上平臺非法船舶安防的技術(shù)空白。

圖1 最終模型檢測平均精度

3.4 淺灘海上油氣平臺巡檢機器人系統(tǒng)

淺灘海上油氣平臺巡檢機器人系統(tǒng)能接收智能安防系統(tǒng)的聯(lián)動信號，為個別視頻監(jiān)控盲區(qū)及生產(chǎn)人員巡檢提供有效的技術(shù)支撐和安防技術(shù)補充。

機器人巡檢系統(tǒng)基于國產(chǎn)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，主要由防爆仿人機器人本體與其他環(huán)境傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)采集及生產(chǎn)安全巡檢調(diào)度平臺等部分組成。

根據(jù)平臺安全生產(chǎn)十年內(nèi)人工巡檢的線路圖，在平臺上設(shè)置機器人巡檢路線和重點裝置，明確巡檢主要工作。平臺上進行無線接入點（Access Point，AP）覆蓋建設(shè)，實現(xiàn)機器人與控制室之間的數(shù)據(jù)聯(lián)通。在平臺的控制室和二級監(jiān)控中心部署機器人數(shù)據(jù)采集控制軟件、中心端北斗智能機器人巡檢調(diào)度平臺，實現(xiàn)本地和遠程對機器人巡檢的實時監(jiān)控。

4 淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)的應(yīng)用效果

在未來的淺灘海上油氣平臺建設(shè)中，智能安防將是必不可少的重要組成部分，可以作為平臺無人值守的重要監(jiān)控手段。智能安防系統(tǒng)應(yīng)用在未來的淺灘海上油氣平臺中，能夠有效避免非法船只給油氣生產(chǎn)平臺帶來的威脅，提高油氣平臺工作效率，減少人員工作量，達到減員增效的目的。此外，隨著機器人巡檢系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷成熟，其綜合價格將越來越低，可靠性越來越高，必將成為淺灘海上油氣田安防領(lǐng)域的重要應(yīng)用工具。

5 結(jié)語

智能安防系統(tǒng)的建設(shè)要符合數(shù)字化、智能化海上油氣開發(fā)的要求，可逐步按照“事前預(yù)防，事中響應(yīng)、事后追查”流程進行部署。本文討論的智能安防系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)融入海上安防，與AIS、定向廣播及機器人巡檢系統(tǒng)之間形成互相配合的集成智能系統(tǒng)，使管理人員根據(jù)智能安防系統(tǒng)提供的結(jié)論進行科學(xué)決策，從而有效減少傳統(tǒng)安防工作中人工巡檢、人工監(jiān)控等工作量，從技術(shù)手段及設(shè)備應(yīng)用上實現(xiàn)數(shù)字化、智能化安防。此外，筆者也更加期待，在科技飛速發(fā)展、人工智能日新月異的時代，會有更加高效、智能、安全的技術(shù)應(yīng)用到海上油氣平臺安全防范工作中，為海上油氣開發(fā)提供重要保障。