海洋采油平臺安防生產聯動監控系統設計與實現

孫偉峰，戴永壽，王 艷，李立剛

（1．中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2．青島濱海學院 機電工程學院，山東 青島 266555）

海洋采油平臺是進行海洋油氣資源開發的生產基地，大多采用無人值守或少人值守的方式進行生產[1]。近年來，登陸平臺破壞、偷盜開采工藝設施的現象逐漸增多，不僅嚴重影響了油田安全生產，更為重要的是容易造成海洋環境污染，給海洋生態造成不可估計的損失。同時，為保證正常生產，對平臺生產過程進行監測也非常重要[2]。因此，為確保海上油區安全生產，進行海洋無人值守采油平臺安防生產聯動監控系統的設計開發具有十分重要的意義。現有的海洋采油平臺安全監控系統主要存在以下不足：1）方案設計不夠完善，探測識別設施的布設與現場安裝不盡合理；2）沒有實現平臺侵入視頻聯動監控的功能，智能化程度有待提高；3）不具備對平臺生產過程進行監控的功能。

針對以上功能需求及現有平臺監控系統存在的主要問題，結合海洋采油平臺的實際工作環境，設計了一套海洋采油平臺安防生產聯動監控系統方案并進行了開發應用。系統采用多重侵入探測識別手段，引入現場數據采集技術、視頻聯動監控報警技術、信息無線遠傳技術以及遠程監控技術，實現了平臺侵入及生產設備故障視頻聯動跟蹤報警的功能，并能夠對報警信息進行無線遠傳。系統能夠在海上復雜環境下穩定工作，可靠性高，安裝、調試方便，易于維護。系統的實施可以及時有效地發現不法分子進入采油平臺，延緩或阻止他們對采油設施的破壞，保證平臺生產過程的正常進行。

1 系統總體設計

在對系統功能需求進行調研分析的基礎上，綜合考慮安全性、功能性、適用性與經濟性，設計開發了海洋采油平臺安防生產聯動監控系統。系統采用分布采集、集中監控的設計思想，分為海洋平臺子系統、無線遠傳子系統與遠程監控中心子系統3部分，總體結構如圖1所示。

圖1 安防生產聯動監控系統總體結構Fig．1 Structure diagram of the security and production linkagemonitoring system

海洋平臺子系統由紅外探測器與門磁開關組成的前端識別探測器陣列、生產監控PLC、監控主機、智能攝像機、聲光報警器及無線網絡設備組成。設計時主要考慮系統對海洋環境的適應性、探測方式的選擇與探測器的布設安裝及系統維護等因素，通過優化設計，合理選擇探測器的安裝位置，保證系統功能的前提下精簡探測器數量，節省成本的同時也方便后續維護。無線遠傳子系統實現平臺視頻信息與報警信息的無線傳輸，設計時主要考慮信號傳輸的可靠性，適應海面風浪、鏡面等復雜條件。遠程監控中心子系統[5]由監控計算機、數據庫服務器及無線網絡設備組成，設計時主要考慮信號顯示的直觀性、豐富性、操作的方便性以及數據庫的穩定性。

3個子系統協調配合，實現了以下主要功能：1）平臺侵入多重探測識別與聯動監控報警。當前端識別探測器陣列檢測到有平臺侵入發生時，能夠驅動攝像系統聯動跟蹤到報警位置進行監視錄像，并驅動聲光報警器發出高音報警。2）生產過程故障視頻聯動監控報警。當檢測到平臺生產過程出現故障時，攝像系統能夠聯動跟蹤到發生故障的設備處進行監視錄像。3）視頻與報警信息無線遠傳。系統能夠將平臺侵入及生產過程故障信號匯總形成報警信息，通過無線網絡發送至遠程監控中心；遠程監控中心可以實時訪問平臺的視頻監視信息。

2 海洋平臺子系統的設計與實現

海洋平臺子系統是整個系統的主體部分，結合海洋采油平臺的安防生產現狀，采用紅外、門磁探測、PLC監測、視頻聯動跟蹤、聲光報警的運行模式，實現安防生產監控從被動向主動模式的轉換。該子系統由平臺侵入信號探測識別模塊、生產過程故障監測模塊、平臺侵入與生產過程故障信號采集模塊、監控主機模塊以及聯動控制模塊組成。

為了滿足海上復雜環境的要求，海洋平臺子系統的設計需要滿足防爆和海上三防設計要求。出于安全性考慮，紅外探測器進行防爆技術升級，采用帶有玻璃窗口的隔爆外殼封裝；門磁開關、視頻裝置安裝部位為安全區域；信號線和電纜線采用船用鎧裝電纜，進入隔爆外殼均采用隔爆形密封夾緊裝置；紅外線隔爆盒、隔爆接線箱采用不銹鋼材質，解決了防爆、防火、防潮濕、防鹽霧、防霉菌的問題。

2.1 平臺侵入信號探測識別模塊設計

根據海洋平臺的實際結構與所處環境，確定平臺重點防登陸部位包括井口平臺與工藝平臺周界、平臺登陸梯和平臺登陸門；其中，平臺周界、平臺登陸梯部位利用紅外探測器進行侵入識別，平臺登陸門部位采用門磁開關進行侵入檢測，整個平臺以及重點防范部位采用視頻監測方式進行監視，總體結構示意如圖2所示。

圖2 海洋平臺侵入識別結構示意圖Fig．2 Schematic diagram of offshore platform invasion recognition

紅外線屬于環境因素不相干性良好且對目標因素相干性良好的探測介質，適合海洋平臺周界及平臺登陸梯部位的防范探測。在探測器選型上，結合海上平臺安裝、調試難度和防侵入設施所需的隱蔽性，系統選用ALEPH公司XA-060D型雙射線紅外主動對射探測器。該型號探測器在濃霧或天氣惡劣時會自動增強靈敏度、采用防雷擊電路設計及全密封防雨、防霧、防塵等全天候一體化結構設計，使其能夠在惡劣的環境中正常工作，適合在海洋環境中安裝。在井口平臺與工藝平臺的外圍輪廓分別安裝四對紅外探測器，形成“電子圍欄”；在平臺爬梯部位安裝一對紅外探測器，形成登陸平臺的第一道防護網。

門磁開關是一種探測門、窗是否被打開或移動的安全監測裝置。系統選用ALEPH DC-1561型門磁開關，該型號的門磁開關耐壓性、耐沖擊性良好，抗震能力強。將其安裝于平臺登陸門部位并澆注密封，以達到安全及防護要求。這樣，在平臺爬梯部位采用紅外與門磁開關雙重探測識別，提高了識別的可靠性與報警的準確性。

視頻信號直觀性強，便于辨識目標。系統采用兩臺一體化高速智能攝像機對全平臺進行無縫監控，1號攝像機安裝在工藝平臺的高壓配電室房頂，2號攝像機安裝于注水平臺的護欄上，分別對計量平臺和井口平臺進行實時監控，同時兩臺攝像機又有相互重疊的監視區域，以加強對重點區域的監視。攝像機選型需要滿足海上平臺復雜環境的要求，系統選用了SFY2006一體化高速攝像機，該攝像機滿足防爆和防水等要求，具有最高的防護等級IP68，能夠在惡劣環境下使用。

2.2 生產過程故障監測模塊設計

與防止非法侵入的安全監控相比，對平臺生產過程故障進行監控也同樣重要。生產過程故障監測模塊具有對采油平臺生產設備的運行狀況進行實時監測的功能。注水平臺、井口平臺以及工藝平臺上生產設備的重要生產運行參數，如壓力、溫度、流量、液位等，由平臺生產設備監控PLC進行采集，然后利用故障分析程序進行判斷。對每個具體的生產設備，其各個參數狀態的故障判斷結果通過邏輯“或”的關系形成該設備最終的故障信號輸出。

硬件選型上，系統采用西門子SIMATIC S7-300可編程邏輯控制器進行參數采集，該款PLC采用模塊化結構設計，各種單獨的模塊之間可靈活組合以實現具體的功能。

2.3 信號采集模塊設計

信號采集模塊實現對紅外探測器以及門磁開關等前端探測器的輸出信號、生產監控PLC輸出信號以及攝像系統視頻信號的采集。

紅外探測器、門磁開關的輸出均為開關量信號，在生產監控PLC模塊中端接數字量輸出板卡形成數字量輸出，3類數字量信號通過數字量采集模塊進行采集，然后利用RS485總線實現現場信號數字化傳輸，在簡化信號線路的同時，提高了信號傳輸的穩定性和可靠性，增強了信號傳送的抗干擾能力[6]。RS485信號最終經RS485-RS232轉換器由RS232總線傳送至安全監控主機。安全監控主機中的信號采集程序以100ms的定時間隔對紅外探測傳感器以及門磁開關的信號進行檢測，以1 s的定時間隔對生產過程故障信號進行查詢，及時捕獲平臺侵入信號與生產過程故障信號。數字量信號采集的原理框圖如圖3所示。

圖3 數字量信號采集框圖Fig．3 Structure diagram of digital signal acquisition

系統中，數字量采集采用中泰RM446模塊，該模塊可以接受16路數字量信號輸入，并支持4路數字量信號輸出；RS485-RS232轉換器采用中泰RM436模塊。

視頻信號采集由視頻采集卡完成，視頻信號通過視頻線與視頻采集板卡的視頻輸入端子相連，經PCI插槽接入監控主機。系統中選用了海康威視DS-4004HC 4路視音頻采集壓縮卡進行視頻信號采集。

2.4 監控主機模塊設計

安全監控主機是整個系統的核心，其功能主要包括：實時檢測紅外探測器及門磁開關的狀態；及時監測平臺生產過程的運行狀態信息；視頻信號的采集、顯示與智能攝像機控制；當判斷探測器報警或生產過程出現故障時，驅動平臺視頻攝像機聯動跟蹤到預設的報警區域進行監視錄像，并將報警信息發送至無線遠傳子系統；驅動平臺上的報警器高音報警。

以上功能的實現由安全監控主機內嵌的侵入及故障信號采集處理軟件、視頻監視軟件以及報警聯動控制軟件完成。信號采集處理軟件完成所有紅外探測器與門磁開關信號以及生產過程參數的讀取并進行分析處理，一旦判斷有異常發生，則立即啟動報警聯動控制軟件向聯動控制模塊發出控制命令。視頻監視軟件具有平臺視頻監視信息顯示、報警信息提示、攝像機云臺及鏡頭控制、預置位設置、視頻運動自動偵測錄像以及視頻信息遠程傳輸的功能。

以監控主機為核心的安防生產聯動監控系統總體結構及硬件連接框圖如圖4所示，其工作原理為：1）監控主機的COM1口與RM436模塊的232接口相連，將232信號轉換為485信號，然后連接RM446模塊的485接口。紅外探測器受光器的輸出、門磁開關的報警輸出以及PLC單元的數字量輸出分別與446模塊的數字量輸入端相連，完成平臺侵入信號與生產過程參數的采集。2）監控主機的COM2口與RM436模塊的RS232口相連，將232信號轉換為485信號后，與視頻攝像機的485控制口相連，實現對攝像機的云臺與鏡頭控制及預置位設置。3）視頻采集卡通過PCI插槽與監控主機的主板相連，攝像機的視頻線與采集板卡的視頻輸入接口相連，實現對視頻信號的采集。4）RM446模塊的數字量輸出控制繼電器驅動報警器工作。5）視頻監視信息以及報警信息通過網口經網絡交換機發送到無線網絡。

圖4 監控系統總體構成Fig．4 Overall composition of themonitoring system

系統采用一臺高性能計算機作為安全監控主機，工作穩定、可靠，可擴展性強。

2.5 聯動控制模塊設計

聯動控制模塊實現攝像機的聯動跟蹤控制及驅動聲光報警器報警功能。安全監控主機采集前端探測器及生產監控PLC的輸出信號并做出判斷，若識別有平臺侵入或設備故障發生，則獲取報警區域或故障設備的位置信息，然后報警聯動控制程序將相應的預置位命令發送給智能攝像機的云臺解碼器，視頻攝像機就能夠快速跟蹤到相應區域預設的監視位置進行監視錄像；同時，將報警信號傳送至RM446模塊，通過其數字量輸出驅動聲光報警器報警。

3 無線遠傳子系統的設計與實現

無線遠傳子系統實現海洋平臺視頻監視信息、侵入信息以及設備故障信息的無線遠程傳輸，架設起海洋平臺子系統與遠程監控中心子系統之間聯系的橋梁[3-4]。監控主機的視頻監視軟件通過對網絡參數進行配置，可以實現視頻信息的網絡轉發；同時，信號處理程序能夠將報警信號或故障信號整理成報警或故障信息，包括報警及故障發生的時間、方位以及報警類型等，通過網絡交換機發送至無線網絡。

根據海上平臺的位置分布特點及所處的特殊環境，網絡系統設計采用“中心匯聚、主干回傳”的網絡結構作為網絡系統的主體架構，以海上中心平臺為核心，通過點對多點無線設備連接周邊衛星平臺，優化無線中心點和遠程接入點設置，合理規劃無線頻率分配，構成3個中心匯聚網絡。3個中心平臺與遠程監控中心之間使用3套點對點高速無線網橋作為信息回傳的主干鏈路；中心平臺之間安裝兩條無線鏈路用于故障冗余，結合IpStar衛星寬帶網絡和海底光纜網絡，進行網絡系統的多鏈路整合。

結合海洋平臺所處環境及傳輸距離、傳輸數據量和系統擴展等要求，系統選用Alvarion公司的BreezeACCESSVL無線寬帶產品作為構建網絡的主要設備。該產品適應海上惡劣氣候環境，點對點鏈接距離最遠為60公里，扇區覆蓋距離最遠為10公里，能夠確保快速、連貫、可靠的數據服務。通過帶寬管理、動態帶寬分配、流量優先的服務質量機制，保證了各種網絡傳輸應用的暢通運行。現場運行表明，無線遠傳子系統能夠在海面風浪、鏡面等條件下穩定傳輸，抗干擾能力強，信號質量穩定。

4 遠程監控中心子系統的設計與實現

遠程監控中心子系統[5]由數據庫服務器、監控計算機等設備組成，主要實現對海洋開發平臺進行總體的監視控制及報警信息顯示與存儲功能。通過監控中心的計算機可實時查看報警區域的視頻信息，并能夠操控平臺攝像機轉向所關注的區域進行監視，結合實時接收到的平臺侵入及設備故障信息進行綜合判斷，最終形成平臺侵入及設備故障實情結論并形成實時數據庫，為后續報警與故障的智能診斷提供基礎數據。

4.1 總體監視控制

遠程監控中心的授權用戶通過視頻監控客戶端管理軟件或IE登陸的方式，可以在網絡內實時訪問海洋平臺現場視頻，并能夠實現對平臺攝像系統的遠程控制以及錄像資料的查詢回放等功能。

4.2 報警信息顯示與存儲

遠程監控中心能夠實時接收并顯示海洋平臺傳來的報警及故障信息，相關人員可結合現場視頻信息驗證異常報警的真偽，并采取相應的處理舉措；同時將這些報警或故障信息及相應處理措施保存至數據庫，以便進行歷史查詢。

5 結 論

該系統采用多重探測識別手段對平臺進行立體監測，覆蓋平臺所有重點侵入位置及重要設備區域，保證了平臺整體的監控效果。系統從設計到實施都考慮到了海洋平臺的復雜環境，保證了系統的適用性。系統的設計開發滿足了海洋采油平臺的生產現狀及實際功能需求，也為后續海洋無人值守采油平臺智能監控系統的應用實施提供了有力的技術支撐。

本系統暫不具備對進入平臺的運動目標進行動態跟蹤的功能，下一步應考慮利用圖像模式識別及運動目標跟蹤技術來改進視頻監控方式，采用數字視頻移動偵測技術探測、跟蹤移動物體，更好地跟蹤記錄侵入對象的信息，以滿足平臺不斷變化的環境條件，減少意外報警，進一步提升系統的智能化水平。

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