基于雙光譜圖像的凈化廠周界入侵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳元科，秦 軍，龔德洪，張 霖

（中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 江油 621700）

0 引 言

近年來，隨著國(guó)家“碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)天然氣這類清潔能源的需求逐步提高，這對(duì)中國(guó)石油天然氣勘探開采帶來不小挑戰(zhàn)。在天然氣開采過程中，部分氣井采出的天然氣含一定濃度硫化氫氣體。眾所周知，硫化氫是無色劇毒氣體，故含硫天然氣在輸送至終端用戶之前，需由天然氣凈化廠對(duì)其進(jìn)行凈化處理，確保輸出的天然氣質(zhì)量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于石油企業(yè)而言，天然氣凈化廠的全天候安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是那些日處理量較大的廠區(qū)。若出現(xiàn)不法分子翻越圍墻進(jìn)入廠區(qū)導(dǎo)致硫化氫泄漏，勢(shì)必會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為防止上述情況發(fā)生，目前凈化廠安防主要采用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和定時(shí)人工巡邏兩種方式，既耗費(fèi)大量安保力量，也存在時(shí)間空窗期，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。近年來，隨著人工智能和新型傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，新型安防手段層出不窮[1]。當(dāng)前，石油企業(yè)正處于減員增效和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，借助數(shù)字化手段提高凈化廠安防能力，建設(shè)智能周界入侵報(bào)警系統(tǒng)極為必要，此舉將為含硫天然氣凈化廠的安全生產(chǎn)提供重要保障。

高暢[2]分析了多種安防技術(shù)融合的油田場(chǎng)站周界安全防護(hù)系統(tǒng)；杜強(qiáng)[3]根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，探討了防范技術(shù)在油田中的建設(shè)思路。上述兩項(xiàng)研究均采用周界圍欄和視頻監(jiān)控組合方案，能夠在特定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的周界入侵檢測(cè)，但存在系統(tǒng)復(fù)雜、漏檢率高和維護(hù)量大等問題。對(duì)此，為得到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率高和全天候應(yīng)用系統(tǒng)，本文研究了基于雙光譜圖像的天然氣凈化廠周界入侵報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠雙光譜攝像機(jī)和深度學(xué)習(xí)算法，不僅實(shí)現(xiàn)了指定區(qū)域的可疑目標(biāo)入侵檢測(cè)報(bào)警，還能夠快速獲取入侵地點(diǎn)的實(shí)時(shí)畫面。

1 系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)方案

周界入侵報(bào)警系統(tǒng)一般是指利用傳感器獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算單元分析處理后判斷區(qū)域邊界是否產(chǎn)生入侵事件的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，多用于具有特殊安防需求的重點(diǎn)場(chǎng)所。目前，已在行業(yè)中得到實(shí)際運(yùn)用的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)主要分為三類[4-5]：

（1）布線式入侵報(bào)警系統(tǒng)，這類系統(tǒng)大多以振動(dòng)電纜和振動(dòng)光纜作為傳感器，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)可疑人員越過周界時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)入侵行為預(yù)警；

（2）對(duì)射式入侵報(bào)警系統(tǒng)，包括紅外對(duì)射、激光對(duì)射和微波對(duì)射等，這類系統(tǒng)的典型特征為：須要在應(yīng)用場(chǎng)所邊界兩端安裝發(fā)射和接收裝置；

（3）監(jiān)控式入侵報(bào)警系統(tǒng)，這類系統(tǒng)須在邊界圍墻上安裝高清攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效降低人工巡邏成本，目前已在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

天然氣凈化廠大多處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，周圍環(huán)境十分惡劣。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，布線式入侵報(bào)警系統(tǒng)和對(duì)射式入侵報(bào)警系統(tǒng)用于天然氣凈化廠時(shí)存在以下不足：

（1）這兩類系統(tǒng)均須在廠區(qū)四周安裝大量振動(dòng)電纜和光纜，或者對(duì)射發(fā)射頭和接收頭，復(fù)雜地理環(huán)境下施工難度大，維護(hù)成本較高；

（2）布線式和對(duì)射式入侵報(bào)警系統(tǒng)僅僅能夠觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，并不能遠(yuǎn)程查看報(bào)警點(diǎn)實(shí)時(shí)畫面。

因此，這兩類系統(tǒng)一般需要和視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合使用。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的監(jiān)控式入侵報(bào)警系統(tǒng)得到長(zhǎng)足研究[6-7]。目前，利用單光譜圖像（可見光或紅外）進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的監(jiān)控式入侵報(bào)警系統(tǒng)已在機(jī)場(chǎng)[8]、鐵路[9]等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了一定效果。在對(duì)天然氣凈化廠周界入侵問題綜合分析后，基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)的監(jiān)控式入侵報(bào)警系統(tǒng)屬于相對(duì)合適的方案。但從行業(yè)應(yīng)用來看，基于單光譜圖像的目標(biāo)區(qū)域入侵檢測(cè)方案存在準(zhǔn)確率較低的問題。比如，可見光圖像可檢測(cè)范圍廣，在光照條件良好的白天能夠取得較好效果，但在光照條件差的夜晚或霧天難以達(dá)到預(yù)期效果；而利用紅外圖像進(jìn)行區(qū)域入侵檢測(cè)，在任意時(shí)刻檢測(cè)人體特征都能取得較好效果，但紅外相機(jī)焦距越長(zhǎng)，視場(chǎng)角越小，圖像視野就越窄，無法拍攝到攝像機(jī)近端的畫面，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。天然氣凈化廠大多為全天24 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，具有較高的防護(hù)需求，故若凈化廠周界入侵系統(tǒng)采用基于單光譜圖像的特定目標(biāo)入侵檢測(cè)方案，可能無法滿足凈化廠全天候準(zhǔn)確檢測(cè)的要求。

為解決上述問題，本文提出基于雙光譜圖像目標(biāo)入侵檢測(cè)的天然氣凈化廠周界入侵報(bào)警系統(tǒng)方案。該方案采用可見光和紅外光二合一的攝像機(jī)作為信號(hào)源，根據(jù)深度學(xué)習(xí)算法目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果和廠區(qū)自定義周界區(qū)域來實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警。在本方案中，任意時(shí)刻都要對(duì)可見光和紅外圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，但白天光照強(qiáng)度大，主要以可見光檢測(cè)結(jié)果作為報(bào)警依據(jù)，而夜晚則以紅外檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷。具體方案流程如下：

（1）在攝像機(jī)圖像視野中（可見光和紅外圖像）完成入侵周界區(qū)域自定義規(guī)劃；

（2）實(shí)時(shí)獲取攝像機(jī)雙光譜圖像，利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)兩種圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，分析圖像中是否包含目標(biāo)特征；

（3）當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)特征時(shí)，判斷目標(biāo)是否進(jìn)入兩種圖像的自定義規(guī)劃區(qū)域，若目標(biāo)越過自定義區(qū)域邊界，將判定產(chǎn)生區(qū)域入侵行為，系統(tǒng)自動(dòng)輸出報(bào)警事件，否則繼續(xù)進(jìn)行第（2）步。

方案流程如圖1 所示。

圖1 方案流程

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合凈化廠實(shí)際情況，雙光譜圖像與深度學(xué)習(xí)算法相融合的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、事件管理服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、工業(yè)交換機(jī)和攝像機(jī)等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)建立在局域網(wǎng)中，廠區(qū)所有攝像機(jī)連接在由工業(yè)交換機(jī)組成的工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，同時(shí)要求攝像機(jī)支持目標(biāo)檢測(cè)邊緣計(jì)算及分析，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)輸出報(bào)警事件。監(jiān)控中心、事件管理服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器通過工業(yè)交換機(jī)連接到工業(yè)環(huán)網(wǎng)。其中，監(jiān)控中心用于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控廠區(qū)周界，并接收周界入侵報(bào)警信號(hào)；事件管理服務(wù)器統(tǒng)一對(duì)全部攝像機(jī)報(bào)警事件進(jìn)行管理，同時(shí)將報(bào)警事件推送至監(jiān)控中心客戶端；存儲(chǔ)服務(wù)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)全部攝像機(jī)拍攝的視頻畫面，以支持監(jiān)控中心對(duì)攝像機(jī)歷史畫面的查詢和事件分析。

圖2 凈化廠周界入侵報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)部署及測(cè)試

2.1 系統(tǒng)部署

以西南油氣田川西北氣礦某凈化廠為例，廠區(qū)外圍周界為長(zhǎng)方形，將兩個(gè)為一組的攝像機(jī)間隔一定距離，按面對(duì)面方式安裝在凈化廠四周圍墻上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)凈化廠全部周界的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖3 所示。根據(jù)凈化廠環(huán)境特點(diǎn)，選擇雙光譜筒形攝像機(jī)，該攝像機(jī)功能強(qiáng)，算力高，支持深度學(xué)習(xí)算法模型的下發(fā)和運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與分類；同時(shí)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，即使在光照條件較差或霧霾嚴(yán)重的惡劣天氣條件下，也可呈現(xiàn)良好的圖像效果，確保監(jiān)控周界安全。

圖3 圍墻上的雙光譜筒形攝像機(jī)

由于廠區(qū)大量的攝像機(jī)均存在視頻傳輸需求，搭建網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。因此，為保證視頻傳輸?shù)恼w流暢性，沿廠區(qū)四周圍墻搭建了一套千兆光通道環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)上包含若干個(gè)千兆工業(yè)交換機(jī)，用于連接交換機(jī)附近的雙光譜攝像機(jī)。

由于周界入侵報(bào)警要求較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，因此選擇具有高性能CPU 的計(jì)算機(jī)作為事件管理服務(wù)器，確保監(jiān)控中心客戶端能夠及時(shí)收到入侵報(bào)警信號(hào)。除此之外，考慮到廠區(qū)所有攝像機(jī)的視頻存儲(chǔ)需求，選擇超大容量硬盤存儲(chǔ)服務(wù)器來保存攝像機(jī)畫面。由于廠區(qū)設(shè)有專用機(jī)房統(tǒng)一管理服務(wù)器等硬件，故事件管理服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器均選擇刀片式架構(gòu)，直接安裝于機(jī)房機(jī)柜內(nèi)。兩個(gè)服務(wù)器和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過千兆交換機(jī)與工業(yè)環(huán)網(wǎng)相連，保證了攝像機(jī)圖像和報(bào)警信號(hào)的低時(shí)延傳輸。

圍墻上雙光譜筒形攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)試完成后，按照系統(tǒng)方案，在系統(tǒng)后臺(tái)逐個(gè)對(duì)每個(gè)攝像機(jī)雙光譜視野畫面中的圍墻邊界進(jìn)行自定義區(qū)域劃分，劃分后周界入侵系統(tǒng)只對(duì)自定義邊界區(qū)域作特定目標(biāo)的入侵檢測(cè)報(bào)警，降低誤報(bào)率。由于凈化廠周界環(huán)境復(fù)雜，本文目標(biāo)檢測(cè)主要針對(duì)人類，以防止不法分子翻越圍墻造成重大安全事故。對(duì)廠區(qū)某處攝像機(jī)可見光和紅外畫面規(guī)劃的自定義周界區(qū)域如圖4所示。

圖4 自定義周界區(qū)域

2.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)在部署完成后，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。當(dāng)有可疑人員靠近圍墻周界或企圖翻越圍墻時(shí)，系統(tǒng)可快速檢測(cè)可疑人員的入侵行為，在監(jiān)控中心屏幕上給出報(bào)警信號(hào)和語音提示，并同時(shí)彈出入侵點(diǎn)實(shí)時(shí)畫面。為更好地測(cè)試周界入侵系統(tǒng)效果，選擇在白天和晚上不同時(shí)段對(duì)圍墻周界多個(gè)不同場(chǎng)景地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。白天某次測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，夜晚某次測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 白天報(bào)警界面

圖6 夜晚報(bào)警界面

從圖5 和圖6 的報(bào)警結(jié)果可以看出，建立的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)在白天和夜晚均能夠有效檢測(cè)到出現(xiàn)在廠區(qū)周界圍墻附近的可疑人員，監(jiān)控中心客戶端及時(shí)接收到周界入侵報(bào)警提示信號(hào)后，工作人員可根據(jù)報(bào)警信號(hào)快速核實(shí)可疑人員的身份，避免不法分子翻越圍墻進(jìn)入廠區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明：攝像機(jī)可見光和紅外圖像對(duì)可疑人員的目標(biāo)檢測(cè)距離均超過60 m，相鄰攝像頭對(duì)向布置保證了凈化廠周界的無死角監(jiān)控。凈化廠周界入侵報(bào)警系統(tǒng)投用后，可顯著減少安保人員的數(shù)量及巡檢工作量，有效助力企業(yè)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)。

3 結(jié) 語

針對(duì)天然氣凈化廠周界入侵安防需求，給出基于雙光譜圖像與深度學(xué)習(xí)算法相融合的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)雙光譜攝像機(jī)可見光和紅外兩種圖像劃分自定義周界入侵區(qū)域，再與深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法相結(jié)合，使得面對(duì)面布置的攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)全天候可疑目標(biāo)檢測(cè)與報(bào)警，克服了單一光譜圖像識(shí)別準(zhǔn)確率低和漏檢等問題，并使系統(tǒng)入侵檢測(cè)的準(zhǔn)確率得到較大提升。周界入侵報(bào)警系統(tǒng)在天然氣凈化廠的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理，降低發(fā)生重大人員傷亡事故的可能性，同時(shí)也大大提高了凈化廠的安防工作效率。值得提出的是，基于雙光譜圖像的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)同樣適用于油氣行業(yè)的其他場(chǎng)所，特別是無人值守的場(chǎng)站。

注：本文通訊作者為陳元科。