多維一體化智能安防系統(tǒng)在海上平臺的應用研究

楊金麗　何驍勇　張碧霄

摘 要 根據(jù)海上平臺少人化及無人化平臺安全管理新要求，設計一種多維一體化智能安防系統(tǒng)。系統(tǒng)基于智能視頻分析識別算法、人員定位算法、聯(lián)動預警及集成算法，并應用不同的監(jiān)測前端設備，實現(xiàn)平臺生產安全監(jiān)控、人員及船舶入侵識別、人員定位、預警告警等功能。系統(tǒng)可實現(xiàn)海上平臺異常事件、潛在風險主動預警，解決了海上油氣田傳統(tǒng)安全管理模式效率低、數(shù)據(jù)分析困難等問題，極大地提高了安全管理水平。

關鍵詞 智能安防 智能視頻分析 人員定位 聯(lián)動與集成

中圖分類號 TP277? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）05-0713-07

海上平臺油氣生產是一項高風險、高強度作業(yè)，其特點是油氣生產設備分布密集緊湊，風險隱蔽性高；生產作業(yè)頻繁并遠離陸地，發(fā)生安全風險時救援困難；海上作業(yè)，存在船舶碰撞風險等。特別是渤海海域航道較多，距離海上平臺較近，同時漁民活動頻繁，存在非工作人員登臨平臺釣魚現(xiàn)象，對海上油氣生產作業(yè)產生潛在安全威脅。

傳統(tǒng)的海上油氣田安防管理系統(tǒng)主要依賴于視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）及廣播報警系統(tǒng)，主要是根據(jù)視頻監(jiān)控畫面進行人工監(jiān)控并判斷平臺內部是否有安全隱患、違章作業(yè)及人員入侵等［1］。AIS則通過標定平臺坐標讓周圍船舶識別，并監(jiān)測平臺周邊船舶航行軌跡進行船舶的監(jiān)測。此系統(tǒng)需要大量依賴人工判斷，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。在海上平臺少人化、無人化的趨勢下，智能平臺建設勢在必行，傳統(tǒng)安防系統(tǒng)已不適用于高度智能發(fā)展的海上油氣田［2］。因此，根據(jù)海上油氣作業(yè)風險特點，研究設計一套多維一體化智能安防系統(tǒng)，通過視頻智能識別分析平臺內部及周邊風險并聯(lián)動預警，從而構建完善可靠的智能安防系統(tǒng)，完成平臺安全管理模式的快速轉變。

1 項目概況及總體設計方案

中國渤海某海上油田新建一座有人8腿中心平臺A（CEPA），一座無人井口平臺B（WHPB）。中心平臺設置油氣分離、濕氣增壓/脫水、氣體回注等設施，井口平臺B全液輸送至中心平臺處理。中心平臺和井口平臺供電依托山東岸電系統(tǒng)，井口平臺與中心平臺之間通過海底復合電（光）纜進行通信。兩平臺相對位置及物流關系如圖1所示。

中心平臺與無人井口平臺安全管理除常規(guī)的生產安全監(jiān)控外，對智能分析提出了更高的要求，主要分為3個方面需求：

a. 在人員安全方面，目前絕大部分海上平臺未配置相應的智能化設備進行人員管理的提升。此項目對人員安全有了更高的要求，需要能夠滿足實時定位平臺人員位置，實時發(fā)布危險預警，發(fā)生危險時聯(lián)動視頻監(jiān)控進行人員追蹤等要求。

b. 在生產安全方面，除常規(guī)視頻監(jiān)控外，需要對人員非法入侵、人員不合規(guī)行為進行識別分析，并能實現(xiàn)火氣聯(lián)動，進行自動分析及預警。

c. CEPA與WHPB平臺距離最近的航路約1海里，附近航行船舶較多，此項目需要將常規(guī)AIS船舶識別監(jiān)測與視頻監(jiān)控結合，實現(xiàn)船舶識別、AIS預警并聯(lián)動VHF-FM進行語音警告。

根據(jù)項目安全管理需求，設計一套基于視頻監(jiān)控、人員定位及AIS預警模塊的多維一體化智能安防系統(tǒng)，構建智能安防管理平臺。根據(jù)功能分為三大功能模塊：人員安全管理模塊、生產安全監(jiān)控模塊和船舶安全監(jiān)管模塊，如圖2所示。

此方案從人員安全、生產安全和船舶安全3個維度解決海上油氣田安全風險識別、分析、預警及事件原因追蹤等一系列問題，并通過智能分析和聯(lián)動報警，極大地提高了系統(tǒng)的智能化監(jiān)控水平，為油田安全生產管理、設備運行狀態(tài)優(yōu)化及應急響應管理等提供科學數(shù)據(jù)支撐。

2 智能視頻分析

智能視頻分析是智能安防的核心技術，它利用視頻分析服務器強大的數(shù)據(jù)處理功能，對視頻畫面中的海量數(shù)據(jù)進行有用信息提取、特征分析、智能識別，為平臺人員提供有用的關鍵信息［3］。本項目智能視頻分析主要設計三大功能：視頻周界入侵識別（人臉識別、虛擬周界）、船舶識別、人員行為管理（工帽識別、危險行為識別）。

2.1 硬件配置

根據(jù)海上油氣田生產安全需求，智能前端硬件設備主要是在生產區(qū)配備高清防爆攝像頭；在導管架登臨處及直升機甲板附近設置高清紅外攝像頭和自帶功放的揚聲器；在平臺面向航道方向設置紅外熱成像雙光譜攝像機；在后臺設置視頻監(jiān)控網絡硬盤錄像機、視頻分析服務器、存儲單元、顯示大屏等硬件設備。

2.2 視頻周界入侵識別

視頻周界入侵識別是基于視頻流的智能圖像識別和虛擬周界，利用深度學習與模式識別技術，在監(jiān)控區(qū)域內劃定虛擬邊界并監(jiān)測是否有人員闖入［4］。平臺內部入侵識別主要是指識別非工作人員登臨平臺，將海上油氣田平臺作業(yè)人員的面部信息錄入人臉樣本庫，形成員工白名單。當有人闖入禁入?yún)^(qū)域，通過紅外攝像頭攝像取證，將視頻圖像傳到視頻分析服務器與樣本庫進行面部比對識別，當識別為陌生人入侵時，自動啟動揚聲器及聲光報警燈進行人員驅離和報警［5］。視頻周界入侵識別系統(tǒng)架構如圖3所示。

視頻周界入侵識別主要功能如下：

a. 人臉識別與目標監(jiān)測。系統(tǒng)可以自動識別出拍攝區(qū)域內的人員，并進行身份識別。

b. 越界行為監(jiān)測?？稍谝曨l監(jiān)控后臺劃定虛擬邊界，若存在越界行為，則報警。

c. 報警及取證。如發(fā)現(xiàn)越界行為，可進行語音報警驅離，并自動拍攝非法入侵影像，進行取證。

d. 全過程智能分析。智能視頻全自動分析，無需人為操作。

視頻周界入侵識別可以對監(jiān)控區(qū)域實時動態(tài)監(jiān)視，實現(xiàn)事前預警、事中示警、事后取證的全過程安全監(jiān)控，并及時對入侵風險因素進行安全預警處理，大幅提升平臺防范安全等級，將安防從被動監(jiān)控轉變成為主動監(jiān)管。

2.3 船舶識別

平臺主要針對附近5 km內的船舶進行識別。由于海上環(huán)境復雜，易多霧、雨、雪，夜晚情況下普通高清攝像機對遠距離船舶的識別并不適用。在本項目中采用紅外熱成像技術，利用船舶和海洋之間的溫度差或輻射差異形成的熱紅外輻射特征圖像來發(fā)現(xiàn)和識別船舶［6］。紅外熱成像的兩大基礎功能是測溫與夜視，由于紅外線的波長較長，穿透雨、霧的能力較強，熱成像技術無需外部照明，且探測距離更遠。只要目標物與其背景之間存在細微的溫差，觀測者即可通過熱像儀發(fā)現(xiàn)目標，其識別原理如圖4所示。

為了進一步提升識別精度，本項目采用紅外熱成像雙光譜攝像機，它同時具備高清攝像機功能，可作為紅外熱成像攝像機的有效補充［7］，實現(xiàn)平臺對周邊船舶24 h全天候視頻監(jiān)控與識別，且對船舶識別距離可達5 km，有效彌補了現(xiàn)有監(jiān)控手段的不足。通過遠距離船舶的識別和越界行為分析等智能應用，有效實現(xiàn)從“事后控制”向“事前預防”轉變。

2.4 視頻行為分析

安全生產一直是海上油氣生產的首要注意事項。只有保障現(xiàn)場人員的安全，才能保障油氣田的利益。戴頭盔、高空作業(yè)等行為將成為人員施工的安全注意事項，通過視頻行為分析，可實現(xiàn)對作業(yè)行為的合規(guī)性監(jiān)督，對于不合規(guī)行為，及時發(fā)出告警，從而提高海上油氣田生產安全管理水平。視頻行為分析技術是利用智能視頻分析算法對人員行為進行識別分析，包括多個人工智能視頻識別功能，如安全帽識別、高空作業(yè)識別、人員倒地識別等，并對相關行為進行預警告警。視頻行為分析流程如圖5所示。

安全帽識別技術主要功能如下：

a. 人體檢測及定位。通過對背景建模，分離出運動前景，在前景提取人體特征并定位人體區(qū)域。

b. 頭部區(qū)域定位。從人體檢測上獲取頭部信息，將頭部區(qū)域寬度和高度定義為人體寬度的1/3［8］。

c. 安全帽監(jiān)測及分析。將提取頭部特征矢量進行智能分析，識別判斷是否佩戴安全帽，從而進行警告。

高空作業(yè)和人員倒地識別技術主要功能如下：

a. 運動物體檢測、定位及跟蹤。背景靜態(tài)圖像處理、運動檢測、定位及分析。

b. 視頻行為識別與報警。利用運動檢測進行分析，根據(jù)目標出現(xiàn)的時間、位置、高度等因素進行綜合判斷，實現(xiàn)高空作業(yè)/倒地等異常行為識別及報警。

各智能視頻分析算子封裝于視頻分析服務器中，通過建立模式識別樣本庫，不斷進行訓練學習及算法優(yōu)化來降低誤報率，從而提高平臺安全管理精準度。智能視頻分析技術彌補了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，通過主動的信息獲取、比對、分析、預警，將監(jiān)控變被動為主動，極大地提高了平臺安全管理效率。

3 人員定位

海上油氣田事故主要由人的不安全行為、物的不穩(wěn)定狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素和管理的不到位4方面造成，傳統(tǒng)人管人的監(jiān)管方式效率較低，且容易出現(xiàn)管控盲區(qū)，使得安全監(jiān)管壓力逐漸增大。通過綜合運用高精度定位技術、三維可視化技術、視頻聯(lián)動等技術，實現(xiàn)全自動、全區(qū)域、全天候、全目標覆蓋的主動式人員安全控制模式。

根據(jù)平臺特點定制化設計人員定位系統(tǒng)，采用超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術定位，UWB是一種無線載波通信技術，采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)［9］。超寬帶定位技術精度可達到靜態(tài)0.3 m，主要由定位基站（信標）、標簽、綜合網關和服務器（解算引擎）4部分組成，系統(tǒng)結構如圖6所示。

將平臺生產區(qū)設計為高精度定位區(qū)域，布署定位基站（信標），并放置綜合網關（交換機）。員工佩戴定位標簽（胸卡標簽和腕帶標簽）。信標持續(xù)播發(fā)信號，標簽接收到信號后將所在物理位置的相對坐標傳輸至綜合網關，由網關統(tǒng)一將數(shù)據(jù)回傳至服務器（解算引擎），并在用戶端將人員實時位置、人員軌跡等信息呈現(xiàn)在平臺三維模型上。在緊急情況或特殊作業(yè)工況下，可與視頻聯(lián)動進行人員實時視頻跟蹤，實現(xiàn)平臺內部人員的精確位置管理，同時此系統(tǒng)還可實現(xiàn)人員危險預警、智能調配與高效協(xié)同，可大幅提升人員精細化管理水平。

4 AIS船舶預警

因平臺位置處于航道附近，為了有效監(jiān)測船舶，預測潛在風險，本項目在AIS基礎上，設計了一套AIS船舶預警系統(tǒng)。AIS由VHF天線、北斗天線、傳輸控制單元、監(jiān)控顯示單元及局域網接口等組成，其主要功能包括船舶自動識別和信息交流、幫助跟蹤目標、簡化和促進信息交換、提供其他輔助信息以免發(fā)生碰撞等［10］。AIS預警系統(tǒng)在AIS基礎上以電子海圖為核心，AIS為數(shù)據(jù)源，疊加中國海油作業(yè)特色位置信息，對指定區(qū)域內海底管線及船舶進行實時、主動動態(tài)監(jiān)控。

在AIS預警系統(tǒng)中，距離平臺中心5～10 km范圍區(qū)域設定為通航控制區(qū)；距離平臺中心5 km范圍內區(qū)域設定為應急響應區(qū)，如圖7所示。通過船舶位置數(shù)據(jù)信息，電子海圖及預警區(qū)域等實現(xiàn)平臺與船舶的避碰、以及船舶與管線之間避碰。同時以熱成像雙光譜攝像機作為輔助，對靠近平臺的船舶、未配備AIS設備的游艇等進行視頻捕捉和識別。

當系統(tǒng)監(jiān)測到有船舶進入距離平臺中心10 km的通航控制區(qū)時，自動觸發(fā)VHF-FM無線電臺，向來船發(fā)出語音預警，提示來船平臺位置使其提前進行避讓。當預判來船航行軌跡與平臺存在碰撞風險時，守護船/平臺則繼續(xù)通過VHF無線電臺聯(lián)系來船，督促其采取妥善避讓措施，安全通過平臺附近水域。當來船行駛至距離平臺中心5 km應急響應區(qū)時，則聯(lián)動熱成像雙光譜攝像機對船舶型號識別、實時監(jiān)測船舶狀態(tài)并視頻取證，同時啟動聲音驅離系統(tǒng)進行強聲報警驅離。平臺人員結合AIS監(jiān)測信息做出應急反應并根據(jù)安全管理規(guī)定采取相應的應急措施以應對潛在碰撞風險。

5 聯(lián)動及集成

智能視頻分析與聯(lián)動報警是提升智能安防管理效率的核心技術。智能安防系統(tǒng)將視頻監(jiān)控、人員定位、AIS預警及廣播告警等系統(tǒng)進行適當集成開發(fā)，實現(xiàn)各監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網聯(lián)動，從而提升整個安防系統(tǒng)的管理效率。將各監(jiān)測、報警信號匯聚至安防管理服務器，進行數(shù)據(jù)處理、分析。并將各數(shù)據(jù)進行關聯(lián)從而觸發(fā)相應視頻彈窗、廣播告警、聲光警示等聯(lián)動反應，系統(tǒng)架構如圖8所示。

智能安防系統(tǒng)主要涉及四方面聯(lián)動：火氣與視頻聯(lián)動、AIS預警與視頻聯(lián)動、人員定位與視頻系統(tǒng)聯(lián)動、視頻監(jiān)控與廣播告警系統(tǒng)聯(lián)動。火氣系統(tǒng)、AIS預警系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)將預警或報警信號協(xié)議轉換后傳輸至智能安防管理服務器聯(lián)動模塊與相應區(qū)域的攝像機IP地址進行軟對應。各系統(tǒng)在觸發(fā)現(xiàn)場報警的同時，通過聯(lián)動報警模塊判別出報警區(qū)域，自動彈出相應區(qū)域攝像機，對準現(xiàn)場位置，確?；鹎?、人員及船舶潛在風險的第一時間確認信息，從而采取正確的安防措施進行下一步救援或防護工作，及時制止安全風險事件的發(fā)生。智能安防系統(tǒng)通過智能視頻分析確認危險動作后，在自動彈出監(jiān)控畫面的同時，聯(lián)動廣播告警系統(tǒng)進行區(qū)域廣播，提醒工作人員第一時間處理警情。

集成及聯(lián)動設計將探測的工作前置，采用智能分析功能將被動式探測變?yōu)橹鲃邮筋A警，從傳統(tǒng)依靠人力安全管理實現(xiàn)向智能化管理轉變。通過各系統(tǒng)聯(lián)網聯(lián)動，實時掌握平臺安全狀態(tài)，實現(xiàn)自動監(jiān)控報警、自主取證，極大地提升了海上油氣田智能化管理水平，并大幅節(jié)省了海上平臺人力、物力。

6 結束語

通過對視頻智能分析、人員定位及聯(lián)動預警等技術進行深入研究，設計一種適合海上油田群的多維度、多方位、管理高效的監(jiān)控、預警一體化智能安防系統(tǒng)。通過視頻周界入侵、行為分析、人員定位及船舶識別等技術，實現(xiàn)海上平臺安全防護合規(guī)性監(jiān)督，實時監(jiān)測不合規(guī)行為，及時發(fā)出報警。同時各監(jiān)測系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播告警系統(tǒng)進行聯(lián)動，實現(xiàn)風險因素第一時間確認，及時采取安全措施?，F(xiàn)場作業(yè)反饋，此系統(tǒng)極大地提高了平臺安全管理水平與效率，將平臺潛在風險降至最低，對海上油氣田生產安全管理、海上平臺少人化、無人化建設都具有重要意義。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-09）

Application Study of Multi-dimensional Integrated Intelligent Security System on Offshore Platform

YANG Jin-li， HE Xiao-yong， ZHANG Bi-xiao

（CNOOC Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract? ?Considering? new requirements of undermanned or? unmanned security management of the offshore platforms， a multi-dimensional integrated intelligent security system was designed. In which， having both intelligent video analysis and identification algorithm， personnel positioning algorithm， response warning and integration algorithm based and different monitoring front-end equipment adopted to achieve production safety monitoring， personnel and ship intrusion identification， personnel positioning， early warning and alarm functions. The system can realize the active early warning of abnormal events and potential risks of the offshore platforms， including solving low efficiency and difficult data analysis of traditional safety management mode so as to greatly improve the level of safety management.

Key words? ?intelligent security， video analysis， personnel location， linkage and integration

作者簡介：楊金麗（1984-），高級工程師，從事海上平臺通信系統(tǒng)設計、系統(tǒng)監(jiān)測及智能化設計工作，yangjl4@cnooc.com.cn。

引用本文：楊金麗，何驍勇，張碧霄.多維一體化智能安防系統(tǒng)在海上平臺的應用研究［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：713-719.