基于人工智能的電廠油罐區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測

石彥鵬，潘作為

(1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000;2.北京京能電力股份有限公司，北京 100025)

0 引言

油罐區(qū)是電廠重要敏感區(qū)域，油罐充油是一項(xiàng)操作風(fēng)險較高的作業(yè)。由于油罐區(qū)屬于易燃易爆區(qū)域，稍有不慎就可能引發(fā)大范圍火災(zāi)，對人身財產(chǎn)安全造成巨大損失。因此，電廠油罐區(qū)的安全是全廠安全管理工作的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

工作人員在油罐區(qū)進(jìn)行輸油過程中出現(xiàn)操作失誤或作業(yè)不規(guī)范屬于電廠運(yùn)行的重大誤操作事故，可能會造成設(shè)備損壞或人身傷害。為實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督管理，全過程、全方位、全天候監(jiān)控輸油作業(yè)現(xiàn)場十分必要。目前，多數(shù)作業(yè)現(xiàn)場都采用安全管理人員現(xiàn)場巡查和視頻監(jiān)控人工審查方式進(jìn)行安全隱患和違章作業(yè)排查，這類方法可能存在人為疏忽且效率比較低下的問題。人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對電廠安全生產(chǎn)全過程的智能化管理，有效解決上述問題，為此提出引入一種基于人工智能的電廠油罐區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測系統(tǒng)。

1 油罐區(qū)作業(yè)管理現(xiàn)狀

電廠油罐區(qū)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、危險源點(diǎn)多面廣，而人員的專業(yè)技能和安全意識參差不齊，作業(yè)違章現(xiàn)象時有發(fā)生，依靠傳統(tǒng)的人員監(jiān)管效率低下，管理手段單一，且人工巡檢并不能完全實(shí)時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)隱患。視頻監(jiān)控的興起雖然很大程度上解決了傳統(tǒng)人力監(jiān)管工作難度大的問題，但是過多的視頻冗余依然給監(jiān)護(hù)人員帶來了監(jiān)控和辨識難度。

目前，國內(nèi)部分企業(yè)已開始對油罐區(qū)自動化系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，逐步建立更為先進(jìn)、高效、精確、可靠的現(xiàn)代化儲運(yùn)系統(tǒng)。從油罐區(qū)管理方面，企業(yè)開發(fā)使用了各種集成管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、出貨量統(tǒng)計、共享數(shù)據(jù)等。在安全生產(chǎn)方面，采用人工智能和高精度定位為主的技術(shù)手段，以其特有的智能程度高、準(zhǔn)確性能強(qiáng)等特性，可針對現(xiàn)場傳統(tǒng)安全防范的痛點(diǎn)、難點(diǎn)提出有效的解決方案，為生產(chǎn)安全提供技術(shù)保障。

2 智能化的非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測系統(tǒng)

基于人工智能的電廠油罐區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測系統(tǒng)聯(lián)合多個攝像頭以及超寬帶定位(ultra-wide band，UWB)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對違規(guī)行為的判斷和預(yù)警。該系統(tǒng)涉及多個模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油罐區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 車輛檢測模塊

車輛檢測模塊由深度目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)Faster RCNN構(gòu)成，主要包括卷積層、RPN網(wǎng)絡(luò)、ROI Pooling層、分類和回歸層四個層級內(nèi)容。卷積層用于提取圖片的特征，輸入為整張圖片，輸出為提取出的特征圖；RPN網(wǎng)絡(luò)用于生成候選區(qū)域，輸入為第一步中生成的特征圖，輸出為多個候選區(qū)域；ROI Pooling層收集輸入的特征圖和候選區(qū)域，綜合這些信息后，提取得到固定尺寸的特征圖；分類和回歸層輸出候選區(qū)域所屬的類和候選區(qū)域在圖像中的精確位置。

利用提前訓(xùn)練好的車輛檢測模型對油罐區(qū)外攝像頭所采集的視頻圖片信息進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定是否有油車出現(xiàn)。

2.2 接地線行為檢測模塊

接地線行為檢測模塊由行為檢測深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)R-C3D組成。R-C3D是一個端到端的視頻行為檢測模型，有3個組成部分，分別是3D特征提取網(wǎng)絡(luò)、建議子網(wǎng)和分類子網(wǎng)。

3D特征提取網(wǎng)絡(luò)以視頻幀作為輸入，通過卷積計算出3D特征；建議子網(wǎng)則生成不同長度的建議以及相應(yīng)的置信分?jǐn)?shù)；分類子網(wǎng)對建議進(jìn)行過濾，將3D特征圖通過3D ROI Pooling池化成固定長度的特征，然后進(jìn)行行為類別分類并預(yù)測出精修后的行為邊界。

利用提前訓(xùn)練好的接地線行為檢測模型，對油罐區(qū)外攝像頭采集的視頻圖片信息進(jìn)行檢測，檢測人員是否有將接地線掛在油車接地柱上的行為。

2.3 門口觸摸靜電釋放球行為檢測模塊

門口觸摸靜電釋放球行為檢測模塊由行為檢測深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)R-C3D組成，利用多行為檢測模型對油罐區(qū)門口攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行行為檢測，用于捕獲門口工作人員觸摸靜電釋放球的行為，其中多行為檢測模型是對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)R-C3D進(jìn)行訓(xùn)練得到的，可檢測工作人員觸摸靜電釋放球以及打開輸油管輸油閥門兩種行為類別。

2.4 輸油管處人員行為檢測模塊

輸油管處人員行為檢測模塊由行為檢測深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)R-C3D組成，利用多行為檢測模型對輸油管處的監(jiān)控攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行行為檢測，用于捕獲工作人員觸摸靜電釋放球的行為或者打開輸油管輸油閥門的行為。

2.5 UWB定位模塊

UWB定位模塊利用UWB基站和定位標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的精確定位。UWB基站是一種基于超寬帶技術(shù)的基站，安裝于油罐區(qū)內(nèi)，其主要作用是定位，提供位置基準(zhǔn)參考，再配合定位標(biāo)簽就能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的精確定位。UWB標(biāo)簽體積小巧，固定在人員身上，可適用于多種應(yīng)用場合。

UWB定位模塊提前預(yù)存有油罐區(qū)門口位置范圍，UWB定位模塊通過基站與作業(yè)人員佩戴的UWB標(biāo)簽的通信，并利用定位算法來確定作業(yè)人員的準(zhǔn)確位置，根據(jù)人員位置及預(yù)存的油罐區(qū)門口位置范圍判斷人員是否進(jìn)入油罐區(qū)門內(nèi)。

2.6 非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測模塊

非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測模塊對上述接地線行為檢測模塊、門口觸摸靜電釋放球行為檢測模塊、輸油管處人員行為檢測模塊檢測結(jié)果以及UWB定位模塊定位結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，最終判斷有無違規(guī)作業(yè)。

2.7 主控單元

主控單元根據(jù)車輛檢測模塊的檢測結(jié)果，當(dāng)檢測到油車出現(xiàn)時，主控單元下達(dá)檢測命令，傳遞給非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測模塊，由非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測模塊調(diào)用與之相連的各個檢測模塊進(jìn)行識別與判斷，并接受各個檢測模塊傳遞的結(jié)果。非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測模塊根據(jù)各個檢測模塊傳遞的結(jié)果綜合判斷作業(yè)違規(guī)情況，將是否違規(guī)作業(yè)判別信息傳遞給主控單元，主控單元根據(jù)是否違規(guī)作業(yè)判別信息判斷是否報警，如果需要報警則控制報警裝置進(jìn)行報警。

3 非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)檢測流程

(1) 循環(huán)讀取UWB定位模塊人員發(fā)送的定位結(jié)果以及油罐區(qū)門內(nèi)區(qū)域范圍，判斷人員在油罐區(qū)門內(nèi)還是門外。

(2) 若人員在油罐區(qū)門外，則執(zhí)行以下內(nèi)容。

① 調(diào)用門口觸摸靜電釋放球行為檢測模塊，得到行為檢測結(jié)果；若行為檢測結(jié)果為存在觸摸行為，則令觸摸標(biāo)志加1。

② 調(diào)用接地線行為檢測模塊，得到行為檢測結(jié)果；若行為檢測結(jié)果為存在接地線行為，則令接地線標(biāo)志等于1。

③ 如接地線標(biāo)志等于1且觸摸標(biāo)志為0，表示進(jìn)入油罐區(qū)前未觸摸靜電釋放球，設(shè)置違規(guī)作業(yè)標(biāo)志為1，將該違規(guī)作業(yè)標(biāo)志傳遞給主控單元，由主控單元啟動報警裝置報警。

(3) 若人員已進(jìn)入油罐區(qū)，則執(zhí)行以下內(nèi)容。

① 如觸摸標(biāo)志為0，表示進(jìn)入油罐區(qū)前未觸摸靜電釋放球，設(shè)置違規(guī)作業(yè)標(biāo)志為1；將該違規(guī)作業(yè)標(biāo)志傳遞給主控單元，由主控單元啟動報警裝置報警。

② 如此時接地線標(biāo)志為0，表示此次作業(yè)過程中未接地線，設(shè)置違規(guī)作業(yè)標(biāo)志為4；將該違規(guī)作業(yè)標(biāo)志傳遞給主控單元，由主控單元啟動報警裝置報警。

③ 如接地線標(biāo)志等于1且觸摸標(biāo)志小于2,則設(shè)置違規(guī)作業(yè)標(biāo)志為2，表示接完地線后第二次進(jìn)入油罐區(qū)前未觸摸靜電釋放球，將該違規(guī)作業(yè)標(biāo)志傳遞給主控單元，由主控單元啟動報警裝置報警。

④ 調(diào)用輸油管處人員行為檢測模塊，若檢測到觸摸靜電釋放球行為，則令輸油管處觸摸標(biāo)志2的值為1；若檢測到有打開輸油閥門行為，表示開始了輸油過程，此時如輸油管處觸摸標(biāo)志2的值為0，則設(shè)置違規(guī)作業(yè)標(biāo)志為3，表示打開輸油閥前未觸摸靜電釋放球，將該違規(guī)作業(yè)標(biāo)志傳遞給主控單元，由主控單元啟動報警裝置報警；否則，設(shè)置檢測過程結(jié)束標(biāo)志為1 (初始值為0)。

(4) 若檢測過程結(jié)束標(biāo)志為1，退出循環(huán)讀取UWB定位；此輪檢測結(jié)束。

4 結(jié)束語

內(nèi)蒙古某電廠的運(yùn)行實(shí)踐表明，該系統(tǒng)在對油罐區(qū)輸油流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化智能跟蹤中的捕捉率達(dá)97 %，成功識別率達(dá)95 %，在80次輸油作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為2次，有效實(shí)現(xiàn)了電廠油罐區(qū)現(xiàn)場作業(yè)違章管控的智能化和自動化，大幅度提升了人員的安全意識和安全管理效率。