石化企業防爆視頻監控系統設計與實現

朱品強

(華榮科技股份有限公司，上海 201808)

0 引言

石化企業作為國民經濟中的重要產業，其生產安全一直是社會關注的問題。安全生產是決定石化企業能否順利發展的關鍵。隨著科技的高速發展，如何充分、有效地利用視頻監控等高技術手段，做好生產場所的監管和控制，已成為石化企業安全生產的重點。

縱觀視頻監控市場，正整體向著高清化和智能化的方向發展。視頻監控先后經歷了模擬監控時代、數字監控時代和IP網絡監控時代，正逐漸向高清智能監控時代過渡。石化企業的生產場所具有其特殊性，如何結合視頻監控新技術(如智能分析技術)的發展，為石化企業設計提供安全可靠產品和完善的方案，已成為擺在防爆企業案頭的重要議題。

本文從視頻監控系統方案制訂選擇、防爆前端設備選擇、中間及后端設備選擇等方面進行分析描述，為石化企業視頻監控系統的實施、完善、提升提供重要依據。

1 視頻監控方案

石化企業生產場所多為爆炸危險區域[1]，其涉及的設備安裝、布線、維修、系統接地、避雷、供電都有嚴格規定，視頻監控系統的存儲方案、顯示方案及存儲方案也至關重要。

視頻監控方案的選擇，除了要兼顧安全性、先進性、可靠性、可擴展性、規范性、兼容性外，還要考慮以下問題。

1.1 現場的設備安裝設計

設計原則：在滿足使用要求的情況下，盡量考慮設備的后期維護保養。防爆攝像儀產品需要定期保養清潔，以保證圖像的清晰度。所以設備在安裝設計時，要將安裝位置設計在易于維修保養的位置。

1.2 設備的布線設計

石化場所大部分視頻監控設備在布線時，要盡可能利用現有地溝和橋架。利用現有橋架和地溝的時候，如果是模擬視頻電纜，要避免和強電電纜、橋架布線所產生的干擾；橋架到設備一般采用鋼管布線的方式。鋼管布線要按照GB 50058要求[1]，做好隔離密封。有些布線難度特別大的點位也可以考慮無線的方式。現階段無線傳輸方案穩定性較差，4G方式流量費用較貴，點對點網橋方式信號受天氣影響較大，陰雨天氣信號較差，影響監控效果。

1.3 系統的接地設計

危險場所的接地在標準中有特殊要求，視頻監控系統的接地設計要注意以下幾點。

①前端設備(不含輔助照明裝置)供電應合理配置，宜采用集中供電方式。

②爆炸危險場所的電源應采用3相5線制，即零線和地線分開。如果是3相4線制，則應在安全場所首先轉化為3相5線制，然后引到爆炸危險場所供電使用。

③處于爆炸危險場所的電氣設備外殼應與接地系統可靠連接，接地電阻不大于10 Ω。

④設備的內接地端子應與電纜中專門配置的地線相連，不能用輸送可燃氣體或液體的管道作為接地線。

1.4 系統的防雷設計

在危險環境中的設備防雷主要是指前端防爆設備的防雷。對于非危險區域的控制設備防雷，應按照電視系統控制機房的防雷方法執行。

在中華人民共和國國家標準《建筑物防雷設計規范》GB 50057[2]中，關于第一類防雷建筑的定義為：“凡制造、使用或貯存炸藥、火藥、起爆藥、火工品等大量爆炸物質的建筑物，因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者；具有0區或1區爆炸危險環境[3]的建筑物；具有1區爆炸危險環境的建筑物，因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者。”

視頻監控系統的前端設備(如防爆一體式攝像儀)的防雷是將其置于接閃器(避雷針或其他接閃導體)有效保護范圍之內。如攝像機獨立架設時，避雷針距攝像機距離不超過4 m。如有困難，避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。

為防止感應雷通過電源電纜或數據電纜對終端系統設備造成破壞，保證整個系統的長期穩定運行，對各前端點位加強防雷措施是非常必要的。由于系統涉及大量的攝像機等設備，且大多安裝在室外，為避免不必要的損失、減小后期的維護壓力，必須采取完善的防雷措施。對電源線加裝單項電源保護器，避雷器的通流量Imax≥10 kA，電壓保護水平為1.5 kV。

2 視頻監控系統設備

危險場所前端設備需要滿足對應的防爆要求，視頻監控系統設備常規分為前端設備、中間傳輸設備、顯示控制設備和存儲設備，系統結構如圖1所示。視頻監控系統產品主要根據使用功能和系統架構進行選擇。

圖1 系統結構圖

2.1 防爆監控前端設備的選擇

選擇防爆監控前端設備時，首先需要根據安裝位置、危險場所劃分等，確定前端設備的防爆參數、防爆等級、溫度等級、防護等級、防腐等級等；其次，需要根據安裝位置及監視目標的大小、清晰度、現場照度條件等，確定攝像機的參數[4]。攝像機的參數主要有：像素、鏡頭焦距大小、最低照度、信噪比、圖像壓縮格式等。

目前，攝像機主流像素為1 080 P，即200萬像素為常規配置，400萬像素應用逐漸增多。照度方面，星光級攝像機開始流行。星光級攝像機可以在夜間利用微弱路燈或者星光，呈現較為清晰的圖像。壓縮格式方面，H.265壓縮格式逐漸成為主流，可以大幅度節省存儲空間，減輕網絡帶寬負荷，改善網絡環境。

選擇視頻監控系統前端攝像機時，還要根據安裝位置及要實現的功能確定防爆攝像前端的種類。常規防爆攝像前端分為防爆攝像儀(槍式)、防爆球形攝像儀和防爆一體式攝像儀(云臺攝像儀)，特殊應用攝像儀包括高溫內窺式攝像系統、防爆熱像儀(測溫型)、防爆火焰探測攝像儀等[5]。

①防爆攝像儀(槍式)。

適合監控位置固定的監控目標，可正對監控目標安裝，配套半固定云臺及安裝支架使用。半固定云臺可通過手動的方式對監控方向進行調整，防爆攝像儀可內置紅外燈板，從而達到夜視的需求。需要注意的是，選擇時不能將帶紅外功能的攝像機直接安裝在防爆護罩內，這會造成紅外開啟時，防爆腔的防爆玻璃反光形成光暈，影響監視效果。

②防爆球形攝像儀。

防爆球形攝像儀適用于大范圍監控。因為攝像頭可進行水平360°、垂直90°旋轉(一般是-90°～0°)，并支持對細節進行光學放大，適用于煉化車間、危險品倉庫及需要無人值守位置的監視。該產品具有持絆線入侵、區域入侵、徘徊檢測、物品搬移、快速移動等多種行為檢測功能；支持多種觸發規則聯動動作、目標過濾、人臉檢測、單場景/多場景/全景設置等功能，并可設置預置位、守望位，支持巡航功能。

③防爆一體式攝像儀。

防爆一體式攝像儀具有更大的監控范圍，可以實現全方位監控，攝像頭可以水平360°連續旋轉，垂直180°旋轉，具有256組預置位，支持對細節進行光學放大；可設置預置位、守望位，支持巡航功能。產品垂直及水平轉動速度在0.1～40 (°)/s可調。

④防爆高溫內窺攝像系統。

防爆高溫內窺攝像系統產品多用于對化工裝置中加熱爐內火焰的監控。該高溫內窺攝像系統由防爆攝像儀、藍寶石高溫延長鏡頭、自動回縮保護裝置、爐壁安裝套件、溫度疊加控制器、空氣過濾系統和防爆控制箱等部分組成，將防爆攝像儀及高溫延長鏡頭等成套設備固定在爐壁(爐壁開孔)及鋼平臺上，再經傳動裝置通過壓縮空氣將前端防爆攝像儀伸入爐膛內，使攝像儀可以最大化實現全爐膛觀測。當壓縮空氣失壓、攝像內腔溫度超溫、系統停電時，攝像系統將自動縮回，對前端進行保護。

系統搭配檢測與分析軟件，可以實現前端攝像系統自動回縮保護裝置遠程控制、分辨率自適應、燃燒器熄火報警、燃燒器熄火聯動視頻圖像報警提示、異常起火視頻圖像報警提示等功能；支持通過實時網絡服務器在工廠網絡內傳播圖像實現多客戶在線監控，以及通過客戶權限設置，對報警信息、歷史查閱、客戶端進行集中管理等功能。

⑤防爆紅外熱像儀(測溫型)。

隨著紅外熱像測溫技術的發展，防爆紅外熱像儀產品的使用逐步增多。產品多使用在硫磺倉庫、煤棚及糧庫的除塵設備、工藝裝置的重要部位等，通過超溫報警等方式實現對這些區域及裝置火災及高溫的管控。防爆紅外熱像儀前端如圖2所示。

圖2 防爆紅外熱像儀前端示意圖

在后端設置好保存后，產品報警溫度會直接保存在前端BJK-YT/SR防爆雙目熱像儀中。當熱像儀探測到檢測區域內有溫度超過設定報警溫度時，直接形成報警信號驅動BBJ防爆聲光報警器報警。其報警信號的發出不依托后端軟件平臺。

針對防爆監控系統前端設備安裝位置環境惡劣、油污較大等特殊情況，結合多年經驗，公司主要從以下幾個方面入手，提高產品質量穩定性。

①聯合知名的安防產品供應商，優勢互補，聯合打造安全、可靠、高清、智能的防爆前端產品。

②針對使用場所環境惡劣的情況，產品電路板選用工業級電子元件，控制板等可在80 ℃環境下可靠工作；提高防護等級至IP68，在產品內增加溫控單元等措施，改善精密部件如滑環的使用環境，以提高產品使用壽命、保證產品精度。

③對防爆攝像儀的透明部件，在外部表面進行硬化處理，以提高表面硬度；內部表面進行防霧鍍層，以提高高濕度環境下成像清晰度。

2.2 防爆中間傳輸設備的選擇

防爆視頻監控系統如采用雙絞線傳輸，距離應不超過75 m，距離近時可以直接雙絞線傳輸。需要注意的是，普通雙絞線不適合室外布線；在室外使用時需要選用專用室外雙絞線纜，成本較高；危險場所布線建議采用光纜布線。

①防爆光端機。

采用光纜布線需要增加防爆光端機設備(危險場所)。防爆光端機一般與防爆前端設備安裝在一起，內置光纖收發器(發送端)、二合一避雷器及熔斷器、熔纖盤等設備及附件；光端機的接收端放置在后端機柜內。

防爆光端機內部接線如圖3所示。

圖3 防爆光端機內部接線示意圖

②交換機。

網絡視頻監控系統中，交換機的網絡交換層級不應超過三級；設備一般采用機柜安裝工業網絡交換設備，不應采用桌面型網絡交換設備。一級交換機(也叫接入級交換機)直接連接網絡視頻監控系統的前端攝像機，每個接入端口帶寬應≥100 MB，一般接入端口不宜超過24個，建議采用具有 2個1 000 MB以太網端口的交換設備作為數據上行端口。二級交換機(也叫匯聚交換機)每個接入端口帶寬應≥1 000 MB，具備網絡管理功能，支持網絡風暴抑制，支持虛擬局域網(virtual local area network,VLAN)劃分。三級交換機除滿足二級交換機的性能指標外，還應根據系統規模另行專業設計，主要需考慮整個系統的帶寬容量及各個端口的帶寬。

2.3 后端顯示控制設備的選擇

顯示控制部分又稱顯控部分。對小系統，可以采用網絡硬盤錄像機(network video recorder，NVR)+監視器+鍵盤鼠標的方式實現顯控功能，這一方式比較簡單。本節主要探討較大系統顯控部分的配置。較大系統顯示就是大屏，控制就是解碼器或者矩陣。

①顯示屏。

顯示主要選型有監視器、大屏、小間距LED。監視器因為存在邊框，兩個接在一起的話，顯示部分中間間距很大，適用于一些小機房，或者對顯示效果要求較低的機房。大屏(拼接屏)拼接間距小，亮度好，具有超寬視角，用于大機房和監控中心等。小間距LED的顯示效果更好，可做到無縫拼接，具有節能、納秒級別響應時間、亮度對比度高、使用壽命長等優點，并且可制做曲面屏效果，用于機房、會議室、指揮中心等對于顯示效果有一定要求的方案。

在選配顯示屏前，首先要了解：機房需要多大的屏，電視墻的尺寸，這樣才可以根據尺寸，結合屏的尺寸以及安裝方式(一般屏體離地面要有1 m間距)，確定做M×N的屏。拼接屏常用46英寸(1英寸=25.4 mm)和55英寸，其具體尺寸分別為1 021.98×576.57×250.07 mm和1 213.50×684.35×250.07 mm。例如一面長5 m、高3 m的墻要做拼接屏電視墻，那么選配46英寸屏：長為1 021.98 mm×4，小于5；高為576.57 mm×3+1,小于3 m。其中，高度要考慮到屏體離地1 m，所選配46英寸為3×4方式，一共12塊屏。55英寸屏也是相同算法。

小間距屏幕是由一個個小的LED模組拼接成一個大的屏幕，主要根據墻體大小、墻體承受質量以及需要的間隙距離來選型。

②解碼設備。

解碼設備分為解碼器和矩陣，解碼器有1、4、9等多路解碼器，矩陣是插板卡式的。一般9塊屏以下建議使用解碼器，9塊屏以上選擇矩陣。當然，如果是需要接入電腦或是其他格式的視頻源，建議都選矩陣。這具體根據系統要達到的顯示效果來確定。

矩陣是新一代電信級別的多屏控制器平臺，可代替傳統模擬矩陣、解碼器等，實現信號切換、拼接顯示等功能，支持實時顯示完整的地理信息系統(geographic information system,GIS)/全球定位系統(global positioning system,GPS)等專業應用的超高分辨率動態圖像信號。 矩陣支持豐富的信號源類型，如VGA/DVI/HDMI/CVBS網絡IP等，單板解碼能力強，現有設備一般能支持解碼500 W/800 W/1 200 W等超高分辨率碼流，支持GB/T 28181、General、Onvif、rtsp等多種協議接入。

矩陣的另一個較為實用的功能是在不占用視頻輸入的情況下，支持在全屏任何位置開出一個或多個虛擬的顯示條屏，用于輸入所需的文字。虛擬顯示屏的位置、大小、顏色、透明度都可以隨意調節[6]。

2.4 后端存儲設備的選擇

①后端存儲設備的要求。

石化企業一般要求錄像兩級存儲。第一級存儲是錄像在各分部單元或車間的存儲，一般存儲在各視頻監控子系統的NVR中。第二級存儲是指錄像在信息中心(或監控中心)的備份存儲，信息中心或監控中心配置帶磁盤陣列(redundant arrays of independent drives，RAID)功能的存儲設備，對前端攝像頭的錄像備份存儲，存儲時間一般為30天。

對于有特殊要求的地區，如北京、天津等地，石化企業的危化品源的錄像需要實時上傳到公安系統專用監管平臺上；同時，公安系統監管平臺對錄像存儲備份，以便相關部門加以監控和管理。

對于專用的存儲設備，作為視頻監控系統的核心基礎設備，至少要滿足以下要求：①可靠性高，穩定性強，支持7×24 h不間斷工作；②適用于多臺主機和存儲系統連接,并且確保無單點故障；③可管理性強，管理方式簡單，易操作，系統具有自動恢復功能,在斷電后能夠迅速重新啟動；④實現監控中心核心業務的連續可用性、數據保護以及設備級的快速災難恢復，同時，存儲設備選擇要滿足存儲空間的需要。

②存儲硬盤的計算。

后端存儲設備的選型，首先要知道需要用多少塊硬盤，硬盤數量的計算其實就是存儲容量的計算。

存儲容量的計算，涉及前端攝像機的路數、存儲時間、傳輸碼流等參數。影響傳輸碼流的有前端攝像機的分辨率和攝像機及后端存儲設備所支持的編碼格式[7]等。

存儲容量的計算公式如下：

式中：R為存儲容量,TB;L為視頻路數;M為視頻碼流，Mbit/s；T為每天存儲時間，h/d；D為存儲天數，d。

如1臺1 080 P分辨率的攝像機。按照存儲H.264，30天(1個月)的總容量為：

常規編碼類別及存儲分辨率和所需存儲容量等參數的對照如表1所示。

表1 參數對照表

計算出所有相機需要的存儲容量，然后根據存儲容量及硬盤大小(3 TB /4 TB/6 TB/8 TB)確定硬盤數量。

3 結束語

防爆視頻監控系統作為先進的技防手段，其越來越多地結合智能化應用，已經成為石化企業安全生產的重要保障。本文只是對常規應用方案進行了簡單的描述和探討，針對特殊應用場所還需要進行特殊考量。如在危險場所的顯控系統，需要配置BPC系列防爆電腦系統[7](包括BPC-X防爆顯示器、BPC-Z防爆主機、BPC-J防爆本安鍵盤、BPC-S防爆鼠標)，危險場所移動監控顯控設備的BPC-IPAD防爆平板計算機、BSJ600防爆移動全網通攝像手電等設備。隨著智能化應用的發展，防爆視頻監控系統在安全生產中的作用也會越來越重要。