視頻監控系統在長輸管道及油氣田高后果地區應用淺析

王曉程

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

隨著長輸管道的快速建設和迅猛發展，尤其是智能管道、智慧管網概念的提出，針對長輸管道的安全、平穩運行提出了更高的要求。沿線人員密集、地貌類型多樣，在該區域內可能存在相對頻繁的人員活動及第三方施工作業，對管道形成潛在威脅，并且當管道受到第三方等破壞后可能引起管道缺陷甚至失效，造成泄漏、燃爆等不利后果，會給該區域內人員及環境帶來極大的安全風險。本工程針對上述環境特點，在高后果區安裝前端監控設備，對現場進行音視頻采集，并在相鄰站場實現音視頻的存儲和轉發，滿足調控管理部門實時監控、防災監測、應急搶險、事故預警等多種需求，實現信息和資源共享。

綜上所述，針對管道的破壞事件多發，安全巡護形勢嚴峻，已建的人防及技防不能完全滿足管道安全生產需求。需通過在管道高后果區、無伴行路巡線不便區及人口密集區增設區域視頻監控，實現對輸油管道沿線24h 實時監控，提前發現并制止針對管道的破壞活動；對突發事故快速應急響應，減少原油泄漏帶來的經濟損失及生態問題；同時，減少巡護人員用工量及巡護工作強度。

圖1 總體架構設計圖Fig.1 Overall architecture design diagram

1 網絡視頻監控系統設計

1.1 概述

對于智慧管道來說，網絡視頻監控主要安裝在管道沿線。因環境惡劣，設備除了應滿足功耗低、易安裝、易維護的要求外，需要滿足的最重要的技術指標是智能化及高清化。

智能化視頻前端設備通過智能視頻分析現場或存儲的視頻流，檢測出可疑活動、事件或者行為模式，使視頻監控的功能從事后追溯轉變為事前預警。目前，業界主流的智能化監控設備，包括集成視頻分析軟件的DVR 和視頻服務器等，可實現針對基本行為和場景的判斷，但若希望實現復雜獨立的行為判斷，除了依托前端的智能感知技術外，還需配合強大的智能分析算法，通過大量采集現場數據，深度挖掘數據內部的聯系，從而提高視頻數據的利用率。考慮到煙臺港原油管道復線工程中，重點地區視頻監控的關注點在第三方人員、機械開挖對管道造成不利影響，及輔助地災監測系統確認地表環境狀態改變上。因此，視頻前端設備應至少具備運動目標檢測（包括車輛及人員）、絆線檢測、入侵檢測、徘徊檢測、流量統計等功能，并可通過智能學習，有效過濾植物、陰影、水面等因素對現場場景變化的影響。視頻前端設備的高清化，首先必須有智能化做基礎，配合智能化的感知方式，實現對現場情況的事前有效預警、事中快速響應的目的。目前，業界主流的高清網絡攝像機根據需求及應用場合不同，表征圖像清晰度的主要參數——分辨率，從之前的D1，到現在廣泛應用的720P、1080P、500W，視頻清晰度逐步得到提高。考慮到智能管道網絡視頻監控前端需安裝在管道沿線，為避免出現看得見圖像、看不清圖像細節而產生大量誤報，增加人工被動監控，降低運營維護管理效率的現象，本工程應用的高清攝像機清晰度至少應為1080P，在500m 內可進行車輛、人員及目標的清晰識別、報警。結合網絡視頻監控系統的發展趨勢，在條件允許情況下，為保證遠端管理、控制中心對管道沿線高后果區視頻圖像的監控需求，盡量選擇像素更高的產品。

1.2 視頻采集點

視頻采集點是監控現場設備，由攝像機、工業級以太網交換機、風光互補太陽能電源（含蓄電池）、防雷、監控立桿及傳輸線纜組成，將現場監控圖像信息通過設備采集并上傳到視頻接入節點。

根據監控點布置方式，可分為：單點全覆蓋、高點區域覆蓋。

1）單點全覆蓋

在每處風險隱患點均設置1 座通信立桿，每處桿上按裝2 臺攝像機，朝向兩個方向進行監控。單臺攝像機采用雙光譜搶球聯動攝像機，按照覆蓋300m 計算（采用可變焦鏡頭，視場角取27°時），在合適位置方式立桿，可對每處風險隱患點的關鍵區域實現全程覆蓋。

2）高點區域覆蓋

該方案采用在運營商鐵塔上安裝高點攝像機的方式，實現遠距離的區域覆蓋，通過少量監控點位對高后果區實現區域覆蓋。在每座鐵塔上安裝雙光譜重載云臺攝像機，采用連續變焦設備，探測距離≥5km，辨認距離≥3m；鐵塔采用租用方式。

經過現場踏勘，人員密集區點位較為分散（平均5km ～20km 之間），附近的運營商鐵塔位置距離隱患點位較遠，需要較多的鐵塔覆蓋。

采用高點區域覆蓋，畫面可辨識度較低、不支持虛擬周界，需要固定人員進行監看，且重載云臺攝像機投資較高（每處約30 萬），而單點覆蓋方案雖然施工周期相對較長、協調工作難度相對較大，但總體監控效果較好，特別是智能分析功能可大大減少人工管理工作。另外，可根據高后果區現場情況，以及運營商鐵塔條件（現有鐵塔位置、租用費用、維護方式等）、監控桿征地難度等，采用兩種方案相結合的方式。

1.3 網絡視頻監控系統組成

高后果視頻監控系統由前端攝像機建設、數據存儲、監控中心3 部分組成。總體架構圖如圖1 所示。

1.3.1 前端攝像機建設

高后果區是人員密集、廠房密集或多路口交匯的區域，一旦發生油氣管線泄漏等情況，會造成嚴重后果。對于這樣的區域，有嚴禁特殊車輛通行或進入的特殊法規，而僅僅架設高點監控設備不足以做到不漏看，所以能及時捕捉可疑場景是提高對高后果區重點關注的迫切需求。

集成一體化智能控制終端設備，借助智能化管道平臺，通過智慧管道平臺在智能視頻分析、行為模式識別和基于深度學習的目標特征提取與分類技術的基礎上，用大數據技術綜合基準數據和歷史數據完成對疑似違法行為的交叉信息驗證，從而形成更精確地目標行為判讀結果，更完備的目標行為模板庫。

在管道沿線設置探測距離為500m 的網絡高清攝像機，攝像機采用夜視功能+激光補光，并配備揚聲器和聲光報警器，一旦出現非法入侵，通過網絡高清攝像機的智能分析功能實現自動報警，所屬作業區監控終端上彈出畫面，操作人員可遠程喊話。

1.3.2 監控攝像機正常運行采取的措施

管道沿線攝像機可有效記錄一些非法情況，有其不可取代的優勢，也是順應智慧管道的要求以及為管線安全運行提供一些保障。但是，管道沿線設置的攝像機存在被盜以及引接的光纜可能被破壞的風險，目前沒有有效的措施來確保攝像機百分百的安全運行，需要巡檢人員定期進行巡檢來提升攝像機運行的安全性，一旦發生攝像機無信號等情況即去往現場處理。

1.3.3 供電方案

為了保證系統供電可靠性，建議攝像機采用風光互補供電方式，采用風光互補太陽能供電模式給監控前端設備供電。

風光互補發電系統是利用風能和太陽能的互補性，形成的新能源應用發電系統。該系統是利用太陽能板、風力發電機（將交流電轉化為直流電）所發出的電能，存儲到蓄電池組中。

通過風光互補控制器，供電后備時間為5 天～7 天。風光互補供電設備包括太陽能光伏組件、小型風力發電機、風光互補控制器、風光互補專用轉換電源及蓄電池組等組成，其中：①充放電控制器具備高效率整流器，支持多路高效輸出（5V/12V/24V），支持MDBUS 通信協議，電池箱進水監測、防盜報警等，支持強大編程功能；②蓄電池采用高密度膠體鉛酸蓄電池；③太陽能光伏組件采用高效單晶硅太陽能電池片，光電轉化率不低于15%，具備減反射膜，提高光吸收率，工作溫度為-30℃～50℃，年衰減率不大于5%，整體組件通過2400Pa 風壓和5400Pa 風壓測試，符合IEC、UV、UL、CE 等認證；④小型風力發電機，水平軸風力發電機，MINI 3-12V，功率300w，電壓12V，玻璃尼龍纖維復合材料葉片，葉片輪轂安裝采用鑲嵌式設計，葉片直徑1.17m，2.5m/s 啟動風速，3m/s 切入風速，最大承受風速35m/s，機身全鋁合金，SKF 耐低溫進口軸承，48mm 鋼管連接。

圖2 前端監控編碼器及太陽能供電系統Fig.2 Front end monitoring encoder and solar power supply system

1.3.4 傳輸方案

傳輸方式主要有：通信光纜、4G 網絡[1]，考慮到投資以及傳輸的穩定性和安全性，建議管道沿線設置的視頻監控采用引接光纜+以太網交換機的方式進行數據傳輸。不同地區攝像機視頻數據，通過帶光口的工業以太網交換機經8 芯光纜接入本工程干線光纜，傳輸至所屬作業區管轄的就近站場進行存儲，本工程選擇與管道同溝敷設的36 芯光纖中空余的4 芯光纖作為工業電視傳輸通道（原則上串接的以太網交換機數量不超過7 個，超過7 個以太網交換機的需采用另外2 芯傳輸）。

1.3.5 視頻數據存儲

管道沿線的視頻數據存儲于所屬作業區就近的站場，需在各個無人值守站場設置1 套存儲服務器，用以存儲本工程管道沿線的視頻數據，管道沿線視頻監控圖像采用本地SD 卡及遠程存儲同時存儲模式[2]，即前端圖像在本地攝像機SD 卡內存儲，同時數據傳輸至就近的無人值守站場進行遠端存儲，以實現站場端存儲和錄像管理的功能。管道沿線重點高后果區攝像機的實時監控畫面采用1080P@30fps格式，存儲及圖像上傳統一采用720P@25ps 格式，720P 動態視頻圖像采用H.265 技術編碼，碼流約為2Mbps/路。數字視頻圖像變化運動率按照20%考慮，存儲服務器可存儲不低于90 天的壓縮后的16 畫面圖像資料計算[3]圖像存儲容量：

每路視頻全動態存儲速率為：2Mbps÷8 ＝256KBps

每路視頻全動態存儲1 天的容量為：256KBps×3600s×24 ＝21GB

90 天每路全動態存儲容量為：21GB×90 ＝1890GB

90 天每路估算（20%動態）容量為：1890GB×20%＝378GB

存儲服務器的配置容量應≥378G×數字視頻存儲路數，總的存儲容量為：13608G

1.4 視頻智能分析

借助智能化管道平臺，通過智慧管道平臺在智能視頻分析、行為模式識別和基于深度學習的目標特征提取與分類技術的基礎上，用大數據技術綜合基準數據和歷史數據完成對疑似違法行為的交叉信息驗證，從而形成更精確的目標行為判讀結果，更完備的目標行為模板庫。

1.5 視頻監控與其它泄漏檢測系統融合

針對管道的破壞事件多發，安全巡護形勢嚴峻，通過在管道高后果區、無伴行路巡線不便區及人口密集區增設區域設視頻監控，并與負壓波管道泄漏監控系統優勢互補，實現對輸油管道沿線24h 實時監控，提前發現并制止針對管道的破壞活動；對突發事故快速應急響應，減少原油泄漏帶來的經濟損失及生態問題；同時，減少巡護人員用工量及巡護工作強度。

2 結束語

面臨的各類突發事件壓力、社會輿論壓力加大，高后果區監控系統的建設為解決以上的問題和矛盾提供了管理手段和技術手段，主要表現在以下方面：

1）全面提升精細管理水平。通過視頻監控系統對管道周邊的第三方施工、可疑人員動態等信息及時發現，準確掌握、調配力量、合理處置，管控由被動巡查向主動管控轉變。

2）降低勞動強度

通過遠程視頻監控系統，可以直觀地了解管道沿線狀況，減少工作人員人工巡線次數，優化了人力資源，降低勞動強度，降低生產運行費用。

3）降低安全風險

通過現場視頻遠程信息系統的報警、預警等功能，可有效防范事故的發生，降低安全風險。通過視頻監控系統優勢充分發揮，人防力量得到最大優化，人防力量和技防手段相輔相成，有效提升安全生產防控能力，全面提升精細管理水平。