油田視頻監(jiān)控智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計分析

劉建忠?馬德忠?張一凡?陳宇

摘要：近年來，傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)無法很好地滿足現(xiàn)階段的生產(chǎn)管理需求，國內(nèi)石油企業(yè)面對智能化時代的到來，認(rèn)識到智能化與信息化是油田發(fā)展的必然趨勢，是石油企業(yè)發(fā)展的重要保障，也是實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的重要舉措，因此紛紛推進(jìn)“智能油田”建設(shè)?；诖耍饕槍σ曨l監(jiān)控在油田智能運(yùn)維與智能化建設(shè)中的作用展開探討，結(jié)合油田視頻監(jiān)控的現(xiàn)狀區(qū)域化管理，對比多種視頻監(jiān)控手段分析油田智能視頻應(yīng)用的遠(yuǎn)景。

關(guān)鍵詞：油田視頻監(jiān)控；智能系統(tǒng)；預(yù)警系統(tǒng)

一、前言

在大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)推動下，油氣田的智能化水平將會越來越高，這既是油田降本提質(zhì)增效的有效途徑，也是油氣技術(shù)發(fā)展規(guī)律的必然趨勢[1]。就現(xiàn)狀而言大部分油氣田的油水井、聯(lián)合站、集氣站都安裝有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控設(shè)備，能夠做到二十四小時全天候、全方位監(jiān)控，但是需要員工時刻緊盯屏幕，對員工的專注度與精力都有很高的要求，往往會因?yàn)闊o法同時兼顧多臺顯示器而造成隱患未能及時發(fā)現(xiàn)的問題。所以遇到情況大都采用事后調(diào)取相關(guān)圖像視頻資料方式進(jìn)行查詢，對風(fēng)險產(chǎn)生無法真正做到實(shí)時預(yù)防或干預(yù)。目前使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然功能上有了較大的提升，分辨率也更高了，但是仍然需要耗費(fèi)大量的人力在24小時內(nèi)進(jìn)行不間斷地監(jiān)控，這對員工的注意力以及精力有非常高的要求，需要監(jiān)控人員及時看到不安全因素并且給予處理措施。油田單井?dāng)?shù)量多、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)造成了監(jiān)控人員對危險因素捕捉的遺漏；油區(qū)自然環(huán)境惡劣，數(shù)字視頻監(jiān)控畫面受到影響不清晰時，容易產(chǎn)生誤報、異常事件漏報等問題；目前監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，不能和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息互通。因此，如何應(yīng)用智能化的視頻監(jiān)控技術(shù)對可疑情況和其他安全隱患進(jìn)行智能識別，主動告警，自動準(zhǔn)確監(jiān)控，使監(jiān)控人員對異常情況在第一時間做出響應(yīng)已經(jīng)成為油田視頻監(jiān)控技術(shù)的一個重點(diǎn)研究方向，需使用油田作業(yè)現(xiàn)場安全風(fēng)險智能管控與預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)管[2]。

二、研究內(nèi)容

針對油田實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，利用油田視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)了一套集漏油識別、人臉識別、作業(yè)服穿戴識別以及安全監(jiān)控為一體的圖像分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視頻圖像分析技術(shù)對上述狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警報警，輔助工作人員對現(xiàn)場安全狀況做出及時判斷，排除安全隱患。項目提出了一種可用于識別油井漏油狀況，設(shè)計了智能視頻監(jiān)控分析預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)第一部分是前端設(shè)備，包括攝像機(jī)，油田作業(yè)區(qū)目前使用最多的視頻監(jiān)控儀器為槍型攝像機(jī)和球形攝像機(jī)；第二部分是傳輸設(shè)備，包括光纜和光纖收發(fā)器；第三部分是處理／控制／記錄／顯示設(shè)備，包括智能視頻分析服務(wù)器、視頻交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、報警監(jiān)控客戶端及監(jiān)視器等，該系統(tǒng)增加智能分析功能，將圖像進(jìn)行識別分析，能夠有效地滿足油田施工和作業(yè)的預(yù)警監(jiān)控。主要實(shí)現(xiàn)功能為以下幾個模塊：

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備以“邊緣網(wǎng)關(guān)”為接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化與即插即用的網(wǎng)絡(luò)連接使用方式，作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與長距離傳輸?shù)幕A(chǔ)平臺， 使各項信息與關(guān)鍵參數(shù)能夠在云端隨時查看與交流。

（2）在靠近隱患監(jiān)測對象的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務(wù)。在被監(jiān)測對象所在的邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足安全生產(chǎn)預(yù)警在實(shí)時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

（3）將收集到的安全生產(chǎn)中的隱患對象的各類信息進(jìn)行分析、預(yù)測；選定正確的用戶群推送適合的信息。

（4）提供各種邊緣云上的基礎(chǔ)服務(wù)應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換，清洗、分析功能等。

（5）油田現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控視頻實(shí)時播放，作業(yè)現(xiàn)場管理，違章管理，預(yù)警管理，系統(tǒng)管理，違章信息統(tǒng)計等等。

（6）安全權(quán)限管理設(shè)置用戶訪問級別，設(shè)置不同級別對應(yīng)不同權(quán)限，基礎(chǔ)分為三個級別，一級僅能訪問查看對應(yīng)區(qū)塊報警內(nèi)容，二級能夠查看并進(jìn)行處理操作，三級能夠修改報警參數(shù)，通過功能的細(xì)化實(shí)現(xiàn)各項風(fēng)險隱患的精細(xì)控制，嚴(yán)格把控崗位履職能力，提高安全管理效率與質(zhì)量。

三、系統(tǒng)實(shí)施

油田作業(yè)現(xiàn)場安全風(fēng)險智能管控與預(yù)警系統(tǒng)前期通過廣泛收集數(shù)據(jù)，構(gòu)建完備的模型數(shù)據(jù)庫，然后通過合理分析規(guī)劃不同作業(yè)現(xiàn)場的特征區(qū)分，通過人工標(biāo)定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集制作，去除難以識別的混淆數(shù)據(jù)，并混入傳統(tǒng)計算機(jī)視覺數(shù)據(jù)集以進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。中期通過規(guī)范研究法、定量分析法劃定數(shù)據(jù)集構(gòu)成，通過直接標(biāo)定、混合邏輯推理等方法訓(xùn)練優(yōu)化識別模型，搭配畫面預(yù)處理技術(shù)，運(yùn)用圖像處理、位置判定、姿態(tài)識別等技術(shù)構(gòu)建整體識別系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)可以接入實(shí)時視頻流，調(diào)取作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時畫面，并對其進(jìn)行識別分析，所產(chǎn)生結(jié)果實(shí)時存儲至數(shù)據(jù)庫與本地。之后進(jìn)行實(shí)地部署，以實(shí)際工作環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行變量考察，分析難點(diǎn)，優(yōu)化不足，完善前端顯示功能，提高用戶人性化體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)后端識別與前端顯示的合理聯(lián)動，提高識別效果，規(guī)避使用風(fēng)險。

（一）系統(tǒng)實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

（1）系統(tǒng)分別在各區(qū)域中心視頻服務(wù)器輪巡

輪巡策略需要考慮以下因素：輪巡間隔，根據(jù)違章頻率、發(fā)生現(xiàn)場作業(yè)的概率等參數(shù)確定重點(diǎn)輪巡哪些攝像頭，提取圖片還是連續(xù)若干幀的視頻流等。

（2）調(diào)用畫面預(yù)處理（前提：建立畫面預(yù)處理規(guī)范）

輸入為攝像頭id，輸出為1024*768（分辨率待定）的jpg格式圖像或視頻流。算法負(fù)責(zé)對輪巡到的每幀畫面利用組合算法進(jìn)行統(tǒng)一預(yù)處理，去霧、陰雨天氣、早中晚光照影響，各種氣候條件自適應(yīng)調(diào)整亮度、色差、飽和度，并考慮遠(yuǎn)程調(diào)整攝像機(jī)的參數(shù)得到更好的畫質(zhì)。

（二）系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的算法

在區(qū)域中心應(yīng)用服務(wù)器并行識別通用違章和作業(yè)現(xiàn)場類型，過濾掉無關(guān)視頻數(shù)據(jù)源。

（1）通用目標(biāo)識別算法

輸入畫面預(yù)處理算法包輸出的jpg格式圖像，輸出為通用違章檢測結(jié)果5項參數(shù)（違章類型、違章圖片、時間戳、攝像頭ID、視頻流），識別內(nèi)容包括未戴安全帽、吸煙、打手機(jī)、未穿工衣、作業(yè)現(xiàn)場無監(jiān)護(hù)人， 動火作業(yè)、起重作業(yè)、動土作業(yè)、作業(yè)現(xiàn)場未設(shè)置警戒線等違章行為，以合理方式及時提醒督查人員人工審核，正確結(jié)果寫入通用違章數(shù)據(jù)庫，錯誤識別結(jié)果經(jīng)人工標(biāo)記后用以訓(xùn)練完善模型。

（2）作業(yè)現(xiàn)場特征識別算法

結(jié)合督查看板數(shù)據(jù)庫，調(diào)用畫面預(yù)處理算法包輸出的jpg格式圖像，輸出4項參數(shù)（作業(yè)現(xiàn)場類型、現(xiàn)場圖片、時間戳、對應(yīng)的攝像頭ID），識別內(nèi)容包括高處作業(yè)、受限空間、動火作業(yè)、井下作業(yè)、動土作業(yè)、臨時用電、起重作業(yè)、盲板抽堵、海上作業(yè)等作業(yè)現(xiàn)場[3]，識別結(jié)果寫入作業(yè)現(xiàn)場歷史記錄數(shù)據(jù)表，方便督查人員回調(diào)現(xiàn)場作業(yè)記錄，正確結(jié)果寫入到作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫，錯誤識別結(jié)果經(jīng)人工標(biāo)記后繼續(xù)完善模型。

（3）在區(qū)域中心進(jìn)行違章行為識別算法

在區(qū)域中心服務(wù)器接收進(jìn)行2項參數(shù)（作業(yè)現(xiàn)場類型、對應(yīng)的攝像頭ID），在現(xiàn)場作業(yè)的攝像頭范圍內(nèi)，依次調(diào)取某攝像頭從上次輪巡到時間到當(dāng)前時間的視頻流，將取到的流文件分幀處理（可自行選擇需不需要調(diào)用畫面預(yù)處理通用算法），調(diào)取分幀后的圖片，進(jìn)行各類違章行為的分析，若為小目標(biāo)，若為小目標(biāo)，調(diào)用攝像頭標(biāo)準(zhǔn)指令放大可疑目標(biāo)，再進(jìn)行違章判斷，識別后輸出5項參數(shù)（違章類型、違章圖片、時間戳、攝像頭ID、視頻流），提交督查人員人工審核，正確結(jié)果寫入違章數(shù)據(jù)庫，錯誤識別結(jié)果經(jīng)人工標(biāo)記后用以訓(xùn)練完善模型。

四、實(shí)現(xiàn)功能

（一） 預(yù)警功能及現(xiàn)場應(yīng)用

主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻的預(yù)警，違章行為預(yù)警推送瀏覽。當(dāng)檢測到違章行為時，系統(tǒng)會進(jìn)行自動推送提醒，違章數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表管理，對于各種違章行為進(jìn)行統(tǒng)計，以圖表的形式進(jìn)行展現(xiàn)，便于查看。

（1）當(dāng)單井產(chǎn)生異常參數(shù)，系統(tǒng)自動切換到對應(yīng)井場，并報警提示，顯示位置和對應(yīng)人員負(fù)責(zé)項目（如沖程沖次的改變，超壓卸壓，泵況異常）生產(chǎn)機(jī)器可以顯示運(yùn)行狀態(tài)和對應(yīng)參數(shù)，可以顯示設(shè)備的壓力與溫度等參數(shù)，這樣由被動形成主動防御系統(tǒng)，這樣減少了緊急情況處理時間，提高生產(chǎn)效率[4]。

（2）在油田大平臺內(nèi)，如圖1所示，現(xiàn)場測試人員模擬檢測出未戴安全帽，未穿工服，還有漏油污染，違禁使用手機(jī)。

（3）針對油田的使用場景，采用行為分析算法，實(shí)現(xiàn)從算法訓(xùn)練到算法優(yōu)化的定制化解決方案，拓展違章識別監(jiān)控范圍至30米遠(yuǎn)距離，達(dá)到較高的周界防范水平。

（二） 構(gòu)建新型架構(gòu)提升精確度

創(chuàng)建基于微服務(wù)架構(gòu)的自適應(yīng)邊云協(xié)同生產(chǎn)安全智能監(jiān)控與態(tài)勢感知一體化服務(wù)支撐環(huán)境，解決石油領(lǐng)域復(fù)雜背景下分布異構(gòu)平臺中資源負(fù)載不均衡、服務(wù)質(zhì)量差、平臺運(yùn)維成本高的難題。

采用新型技術(shù)體系架構(gòu)模式，從邊緣計算網(wǎng)關(guān)層面，適配多種傳感設(shè)備的管理及數(shù)據(jù)解析存儲，為設(shè)備監(jiān)控提供基礎(chǔ)，同時提供的本地聯(lián)動控制管理提高了管理的自動化能力。油田智能識別工作站具有IOT設(shè)備管理、AI調(diào)度分析能力，為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的中臺能力。分析后的數(shù)據(jù)在本地按照設(shè)置進(jìn)行本地存儲，通過路由器進(jìn)行傳輸，通過交換機(jī)等設(shè)備進(jìn)行IP地址映射，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行整體處理統(tǒng)計，達(dá)到在油田局域網(wǎng)內(nèi)可以進(jìn)行實(shí)時查看的整體系統(tǒng)架構(gòu)，提供了對業(yè)務(wù)系統(tǒng)全方位監(jiān)控管理。

（1）快速將所有智能化子系統(tǒng)構(gòu)建、集成到統(tǒng)一的信息化平臺，各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠集中管理。

（2）轉(zhuǎn)變各個子系統(tǒng)分散管理的模式，建立聯(lián)合調(diào)度中心，從而實(shí)施井場各類事務(wù)統(tǒng)一受理、統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一考核的新機(jī)制，提高管理服務(wù)的效率。

（3）實(shí)現(xiàn)實(shí)時警報，將問題扼殺在未發(fā)生之前。

（4）對各類工作實(shí)施限時辦結(jié)和質(zhì)量考核，使系統(tǒng)具備自動督辦的能力，從而使服務(wù)具有主動性。

（5）定期提供運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，從而為科學(xué)決策提供支持。領(lǐng)導(dǎo)能夠通過平臺隨時掌握井場運(yùn)行狀況。

針對上述的系統(tǒng)分析的精確度，我們檢測到智能視頻監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)對微目標(biāo)的識別有待提高，主要是夜間油水區(qū)分較難、白天光照較強(qiáng)時光的反射造成視頻監(jiān)控設(shè)備識別率不穩(wěn)定等狀況。因此我們對模型進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，經(jīng)過11輪的迭代后收斂，將沒參與訓(xùn)練的從各種渠道收集來的230多段包含上述識別內(nèi)容的違章視頻片段進(jìn)行了測試對比，模型優(yōu)化后的識別率見表1，綜合識別率達(dá)到80%以上，并且在油田作業(yè)區(qū)實(shí)際部署運(yùn)行中也得到了驗(yàn)證。

五、數(shù)字視頻監(jiān)控與智能視頻監(jiān)控性能比較

目前，吉慶油田的井場已經(jīng)可以智能識別未戴安全帽、未穿工服、禁區(qū)抽煙、違規(guī)打電話等多種違章行為，該技術(shù)在多個井場實(shí)際推廣應(yīng)用，達(dá)到了監(jiān)控違章行為，減少安全隱患的目的，最終實(shí)現(xiàn)用人工智能技術(shù)代替繁瑣重復(fù)的工作，以智能化推動和服務(wù)安全管理與建設(shè)[5]。

借助井場視頻數(shù)據(jù)，引入智能分析手段，結(jié)合業(yè)務(wù)場景和定制的模型能力，快速靈活的部署、集成到管理系統(tǒng)或運(yùn)營系統(tǒng)中，并支持快速訓(xùn)練、更新定制審核模型能力，真正做到符合自身生產(chǎn)狀況的高效管理，對各類安全事件做到預(yù)知、預(yù)判、預(yù)防、預(yù)警和有效處置[6]。對預(yù)案進(jìn)行數(shù)字化管理，形成應(yīng)急指揮調(diào)度方案并實(shí)時指揮調(diào)度。實(shí)現(xiàn)施工違章行為的自動監(jiān)測，并能夠及時預(yù)警和進(jìn)行全網(wǎng)的通知，在減少人工監(jiān)控的勞動強(qiáng)度同時，更加及時有效地查找安全生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患，為防范和遏制重大事故的發(fā)生提供技術(shù)支撐。

這項技術(shù)優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維降本增效，充分利用降低成本，使用原有攝像頭進(jìn)行圖像分析，兼容已有監(jiān)控系統(tǒng)，適合批量上線，極大降低部署成本[7]。算法高精度，軟硬件結(jié)合使用。表2是傳統(tǒng)數(shù)字視頻監(jiān)控與智能視頻監(jiān)控性能比較，從監(jiān)控持續(xù)性可以看出，不需要一直緊盯屏幕，工作人員只需要在系統(tǒng)告警時進(jìn)行確認(rèn)即可，避免了工作人員因長時間觀看屏幕造成疲勞而降低注意力，真正做到7×24全天候監(jiān)控。從監(jiān)控有效性，自動進(jìn)行智能監(jiān)控，工作人員只要對產(chǎn)生告警的攝像機(jī)進(jìn)行確認(rèn)和處理即可，實(shí)際有效監(jiān)控范圍提高數(shù)十倍。

六、結(jié)語

總體看，世界石油石化行業(yè)的智能化發(fā)展仍處于起步階段。加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能化發(fā)展是目前工作尤為重要的一部分，本文討論的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計如果在井場試驗(yàn)成功，可以推廣到聯(lián)合站使用，這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠提高視頻監(jiān)控效率與準(zhǔn)確率，更大程度地保證了油氣田的安全生產(chǎn)。

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作者單位：新疆油田公司吉慶油田作業(yè)區(qū)