淺灘海上油氣平臺智能安防系統研究

吳可嘉，靳 嵩，劉冬洋，來 斌，劉彥彤

（1.中國石油天然氣股份有限公司大港油田分公司 對外合作項目部，天津 300450；2.中油工程項目管理公司天津設計院，天津 300450）

0 前言

近年來，國內海上油氣開發事業發展迅猛，對海上油氣平臺安防系統的要求不斷提高，傳統安防系統依賴大量人工進行監控、風險判斷，已不再適用。基于海上風險信息智能判斷、無效信息自動過濾、警報信息及時傳送至應急決策管理部門和海警部門建設等智能安防需求，如何構建完善可靠的海上油氣智能安防系統，成為當今淺灘海上油氣平臺安防建設備受關注的問題。

淺灘海域的油氣生產平臺的主要特點是：靠近海岸線，周邊船舶航道與海上平臺距離較近，來往船舶較多，附近漁民活動頻繁，對油氣生產運輸有較大的安全威脅。傳統的海上平臺安防系統建成后，需要根據視頻內容人工判斷視頻畫面內的違章或者入侵行為，對歷史數據的查詢也需要人工檢索，極大地增加了工作量。當航道進入繁忙時段時，淺灘海上油氣平臺安防管理人員無法完全保障對周邊船只進行有效的實時監控。

本文從淺灘海上油氣平臺安防現狀入手，基于智能視頻監控、船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）及防爆巡檢機器人技術的應用，結合人工智能圖像識別分析算法，研究探索一套集高清紅外成像儀管理、AIS 識別、機器人巡檢于一體的適用于淺灘海上油氣平臺的智能安防系統。

1 淺灘海上油氣平臺安防現狀

淺灘海上油氣平臺主要部署模擬攝像機和數字攝像機，分辨率較低，并且需要安全監管員實時監控，判斷周邊是否有非法船舶靠近。

現有攝像機受所處環境影響，外殼及鏡頭上經常有霧氣，影響其視頻效果，經常需要人工擦拭。由于平臺周邊均為海面，水波反射較大，畫面刺眼，人工跟蹤分析難度大，安全管理人員經常眼睛過度疲勞，工作效率低。

當出現極端大霧、雨雪等天氣時，海上平臺內部需要進行生產安全巡檢，海上平臺人員過道狹窄，人工巡檢難度大，勞動強度大，安全風險較高，嚴重影響油氣生產安防人員的人身安全。

2 淺灘海上油氣平臺智能安防所要達到的要求

（1）對淺灘海上平臺主要生產作業現場區域、配電間、數據機房等進行攝像機全覆蓋。

（2）對海上平臺周圍海域500 m 范圍內的船只進行實時監測，對周圍300 m 范圍內的船舶進行監測跟蹤預警，并及時報警和驅離。

（3）通過應用船舶智能分析算法，對非法船只進行自動識別。

（4）對海上平臺的視頻監控數據進行本地存儲，實現異地容災備份。

（5）視頻數據上傳至統一的工業視頻監控平臺。

（6）遠程監控管理終端設置在陸地的生產調度指揮中心，實現對海上平臺生產運行和鉆井作業狀態的有效監控。

3 淺灘海上油氣平臺智能安防系統構成及其功能要求

海上平臺智能安防系統主要由視頻監控、AIS船舶識別、定向擴音、智能分析算法組成，具體功能要求分析如下。

3.1 視頻監控

視頻監控系統采用網際互聯協議（Internet Protocol，IP）網絡結構，主要由紅外熱成像儀、防爆球型一體化遠距離攝像機、固定槍型攝像機、傳輸網絡、智能網絡硬盤錄像機、本地監控終端、遠程監控終端以及大屏幕顯示墻等組成。以某淺灘海上油氣平臺為例，視頻監控系統監視區域主要分為平臺周邊海面500 m 范圍區域監控、平臺防爆油氣生產區域監控、平臺非防爆區域監控共計3 個區域。

在平臺四周圍欄部署防爆球型攝像機和紅外熱成像儀，用于實時監控周邊海域船只，能實現周邊海面500 m 范圍區域的實時安全警戒監控。在平臺油氣生產設施監控和出入口處，設置防爆固定槍型攝像機，用于平臺防爆區域的生產設施監控和出入口智能抓拍。在平臺的室內非防爆區域，如電氣設備間等，設置非防爆固定槍型攝像機，用于房間內生產設施的監控。平臺前端攝像機通信組網物理介質采用單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線。在平臺值班室設置匯聚層光口交換機，前端攝像機區域設接入層光口以太網交換機，采用星型組網方式進行組網。

前端攝像機電源：室內攝像機采用有源以太網（Power Over Ethernet，POE）供電或DC 24V 直流電源供電，電源引自平臺不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）機柜間。單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線及電源線敷設，可依托平臺內已建的電力橋架和儀表橋架同路由敷設。平臺值班室設有本地監控終端和網絡硬盤錄像機等，安防指揮室設大屏幕顯示墻，可實現平臺視頻畫面和其他信息系統畫面顯示。

非法船只航速最快按照20 km 計算，換算約為617.45 m/min，經過計算，拉設500 m 預警和300 m預警的警戒線，設定約30～60 s 的過渡時間。攝像機水平夾角4°，按照30 s 內使用攝像機鎖定船只，攝像機按照每3 s移動一個預制位，設定10 個預制位，單個攝像機可覆蓋40°海域。

按照實時360°完全覆蓋500 m 海域的監控要求，平臺上至少配置防爆固定槍型遠距離攝像機90臺。由于淺灘海上油氣平臺安裝攝像機位置有限，視頻監控系統要滿足為按照10 s 內360°完全覆蓋500 m 海域的監控要求，平臺上還要配置防爆球型一體化遠距離攝像機9 臺。

3.2 AIS 船舶識別系統及聲驅系統

船舶識別系統主要是基于AIS 系統，包括AIS 船舶識別終端、水處理系統（Water Treatment System，WTS）平臺端軟件、AIS 服務器（含報警輸出單元、串口服務器、海域地圖）、控制話站模塊、音頻控制報警模塊、防爆警示燈、防爆強聲揚聲器等。

平臺四周攝像機監控桿上安裝定向擴音喇叭，音源輸入信號取自高清遠距離攝像機，在本地監控終端智能安防系統平臺進行驅離語音錄入。

船舶識別系統能實現對平臺周邊海域1 km 內的船舶進行識別，當識別到非本單位船舶靠近平臺且靠近距離小于300 m 時，輸出提示信號（定義為報警信號）。

AIS 報警信號將傳送至聲驅系統（喇叭）和視頻監控系統，聲驅系統通過高功率喇叭進行警告驅離，視頻監控系統通過AIS 傳輸信號調動攝像頭云臺，使攝像頭旋轉到指定位置拍攝并存儲，同時進行畫面彈屏。如果非法闖入平臺的船只不撤離，攝像機就跟蹤拍攝錄像存儲，上報至該區域海警部門處理。

3.3 非法船只視頻識別算法

基于人工智能機器視覺的非法船舶識別算法，以淺灘海油氣平臺的視頻監控系統為載體，針對登陸的各類船舶，研發一套海上平臺特殊場景的非法船舶入侵智能識別算法，作為海上油氣平臺安防系統的智能化手段。本文中非法船舶識別智能算法應用的是YOLOv3 網絡結構，該網絡結構能夠有效識別給定照片中一個或多個目標的存在位置和類型，并利用K-mean 均值聚類算法為每個網格預測9 個模板框，實現多目標預測。YOLOv3 模型可以通過改變模型結構的大小來調整速度與精度，進行多尺度預測，這是當今機器視覺領域經常應用的技術手段。

將海上平臺實景拍攝的船舶照片作為數據集，經過圖像標記與處理、模型訓練與優化、評估模型表現、模型優化調參等多輪機器視覺識別訓練，通過對多段實景船舶視頻的識別測試，識別工作船只的準確率超過94%，識別非法船只的準確率超過92%，工作船只檢測平均精度（Average Precision，AP）為0.95，非法船只檢測平均精度為0.92（見圖1），工作船只平均召回率(Average Recall，AR)為94.80%，其他船只平均召回率(Average Recall，AR)為92.07%，可以用于識別闖入平臺周邊300 m 警戒區域的非法船只、工作船只并報警，減少監控管理人員數量，提高海上平臺安防水平，填補針對海上平臺非法船舶安防的技術空白。

圖1 最終模型檢測平均精度

3.4 淺灘海上油氣平臺巡檢機器人系統

淺灘海上油氣平臺巡檢機器人系統能接收智能安防系統的聯動信號，為個別視頻監控盲區及生產人員巡檢提供有效的技術支撐和安防技術補充。

機器人巡檢系統基于國產北斗衛星定位系統，主要由防爆仿人機器人本體與其他環境傳感器、無線通信網絡環境、數據采集及生產安全巡檢調度平臺等部分組成。

根據平臺安全生產十年內人工巡檢的線路圖，在平臺上設置機器人巡檢路線和重點裝置，明確巡檢主要工作。平臺上進行無線接入點（Access Point，AP）覆蓋建設，實現機器人與控制室之間的數據聯通。在平臺的控制室和二級監控中心部署機器人數據采集控制軟件、中心端北斗智能機器人巡檢調度平臺，實現本地和遠程對機器人巡檢的實時監控。

4 淺灘海上油氣平臺智能安防系統的應用效果

在未來的淺灘海上油氣平臺建設中，智能安防將是必不可少的重要組成部分，可以作為平臺無人值守的重要監控手段。智能安防系統應用在未來的淺灘海上油氣平臺中，能夠有效避免非法船只給油氣生產平臺帶來的威脅，提高油氣平臺工作效率，減少人員工作量，達到減員增效的目的。此外，隨著機器人巡檢系統相關技術不斷成熟，其綜合價格將越來越低，可靠性越來越高，必將成為淺灘海上油氣田安防領域的重要應用工具。

5 結語

智能安防系統的建設要符合數字化、智能化海上油氣開發的要求，可逐步按照“事前預防，事中響應、事后追查”流程進行部署。本文討論的智能安防系統是將人工智能技術融入海上安防，與AIS、定向廣播及機器人巡檢系統之間形成互相配合的集成智能系統，使管理人員根據智能安防系統提供的結論進行科學決策，從而有效減少傳統安防工作中人工巡檢、人工監控等工作量，從技術手段及設備應用上實現數字化、智能化安防。此外，筆者也更加期待，在科技飛速發展、人工智能日新月異的時代，會有更加高效、智能、安全的技術應用到海上油氣平臺安全防范工作中，為海上油氣開發提供重要保障。