核電工程廠址全景管控的探索與實(shí)踐

劉曉東，王佳俊，劉成剛，王 健，陳海鋒，楊云斐

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 引言

中共中央、國務(wù)院在《質(zhì)量強(qiáng)國建設(shè)綱要》中提出，立足新發(fā)展階段，智能建造將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)與工業(yè)化建造技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)高效益、低消耗、高質(zhì)量、低排放。國家能源局和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)核電工程建設(shè)質(zhì)量管理的通知》，進(jìn)一步明確要充分發(fā)揮現(xiàn)代信息化技術(shù)在核電建設(shè)管理中的作用。為了滿足政策要求和項(xiàng)目全生命周期影像數(shù)字化存檔的需要，本文對(duì)某工程用地范圍內(nèi)的場(chǎng)地信息技術(shù)管理、數(shù)字化圖像、視頻遠(yuǎn)程全景監(jiān)視、全過程監(jiān)管的方式、設(shè)備、軟件進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

1 文獻(xiàn)綜述和現(xiàn)狀分析

經(jīng)查閱中國知網(wǎng)收錄文獻(xiàn)，國內(nèi)未發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)地信息技術(shù)管理、數(shù)字化圖像、視頻遠(yuǎn)程全景監(jiān)視、全過程監(jiān)管要求的電廠廠址專用監(jiān)控管理系統(tǒng)，但工業(yè)視頻監(jiān)控平臺(tái)等相關(guān)信息化技術(shù)已經(jīng)在運(yùn)行電廠和在建電廠推廣應(yīng)用。

相關(guān)應(yīng)用主要集中在運(yùn)行電廠和在建電廠兩個(gè)特殊子項(xiàng)方面。

(1)運(yùn)行電廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

運(yùn)行電廠基于自身需求，以降低人員輻照風(fēng)險(xiǎn)、加強(qiáng)工業(yè)監(jiān)督和事故預(yù)防、記錄和管理設(shè)備狀態(tài)、創(chuàng)作培訓(xùn)素材為目的[1]，構(gòu)建了針對(duì)全廠重要區(qū)域和高風(fēng)險(xiǎn)工作的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)分析和管理。典型的應(yīng)用場(chǎng)合包括行車起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[2]、火警聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]、水處理系統(tǒng)集中監(jiān)控[4]等通過多個(gè)固定監(jiān)控探頭組網(wǎng)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)；除此之外，也有通過安全帽攝像頭、手持監(jiān)控終端等可移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工作的遠(yuǎn)程指導(dǎo)監(jiān)督和過程記錄，典型的應(yīng)用有通過移動(dòng)式視頻監(jiān)測(cè)裝置(如小型爬行視頻機(jī)器人)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程特殊空間的遙控監(jiān)測(cè)[5]等。

上述系統(tǒng)存在的問題在于：不同應(yīng)用場(chǎng)景的監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)孤立；不同監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件及功能差別較大；缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一整合、統(tǒng)一輸出、統(tǒng)一管理；重點(diǎn)區(qū)域覆蓋面并不相同；圖像視頻的智能分析技術(shù)的應(yīng)用深度不夠；新增、升級(jí)、更換設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的成本較大。

(2)在建電廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在建電廠的視頻監(jiān)控主要應(yīng)用于土建、安裝的建造相關(guān)場(chǎng)景，如對(duì)塔吊作業(yè)的可視化防碰撞監(jiān)控[6]、視頻安防監(jiān)控等；也有針對(duì)部分子項(xiàng)以及危險(xiǎn)作業(yè)空間場(chǎng)合專用監(jiān)控系統(tǒng)，如電廠配套水庫的無線監(jiān)控系統(tǒng)[7]，通過安全帽攝像頭、無線布控球、手持監(jiān)控終端等可移動(dòng)、可穿戴監(jiān)控設(shè)備構(gòu)成的受限空間監(jiān)控系統(tǒng)[8]。整體來看應(yīng)用場(chǎng)合十分有限，沒有適用于對(duì)整個(gè)建設(shè)廠址進(jìn)行遠(yuǎn)程、全景、全過程的監(jiān)視平臺(tái)。

2 遠(yuǎn)程管理監(jiān)控方案論證

為貫徹落實(shí)國家能源局和生態(tài)環(huán)境部2020年12月25日聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)核電工程建設(shè)質(zhì)量管理的通知》(國能發(fā)核電〔2020〕68號(hào))中關(guān)于發(fā)揮現(xiàn)代信息化技術(shù)在核電建設(shè)管理中的作用的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)某電廠廠址現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)、有效動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保存大范圍、高精度、大跨度的影像資料，減少人員往返現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的資源浪費(fèi)，本項(xiàng)目旨在探索對(duì)某電廠工程用地范圍內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)地信息技術(shù)管理、數(shù)字化相應(yīng)圖像、視頻的遠(yuǎn)程全景監(jiān)視、全過程監(jiān)管，開發(fā)核電工程遠(yuǎn)程管理監(jiān)控平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)選擇

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化全景全過程監(jiān)管平臺(tái)的實(shí)際需求，需先確定本平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。參考不同行業(yè)已有監(jiān)控系統(tǒng)的方案，目前可供選擇的方案有4種，如表1所示。

權(quán)衡上述四種模式，本系統(tǒng)將采用第三種即C/S與B/S混合體系結(jié)構(gòu)方式，在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)時(shí)控制的場(chǎng)合采用C/S模式，在C/S模式故障或遠(yuǎn)程查詢?yōu)g覽的場(chǎng)合采用B/S模式。

2.2 系統(tǒng)框圖確定

根據(jù)第三代數(shù)字監(jiān)控視頻集成化、智能化、實(shí)時(shí)性、快速性、大容量儲(chǔ)存的特點(diǎn)[11]，借鑒已有系統(tǒng)架構(gòu)，參考不同類別場(chǎng)景的應(yīng)用方案，結(jié)合某電廠廠址數(shù)字化全景監(jiān)控及后續(xù)拓展的個(gè)性要求，明確工程遠(yuǎn)程管理監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 監(jiān)控方式選擇

遠(yuǎn)程監(jiān)控可以采用單點(diǎn)監(jiān)控組網(wǎng)和高空瞭望兩種方式實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)如表2所示。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘和比對(duì)，高空瞭望方式雖部分監(jiān)控存在盲區(qū)，但在當(dāng)前階段并不會(huì)對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生較大影響，可選擇合理的安裝位置有效減小監(jiān)控盲區(qū)；同時(shí)在成本、長期重復(fù)利用性和可擴(kuò)展性方面均存在巨大優(yōu)勢(shì)，因此項(xiàng)目最終選擇高空瞭望方式。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控位置的選擇

某電廠廠址附近，遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備較為理想的安裝位置有2個(gè)，分別為某山頂氣象塔和某山頂移動(dòng)通信塔，其優(yōu)劣對(duì)比如表3所示。

表3 監(jiān)控設(shè)備安裝位置對(duì)比

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘和比對(duì)：某山頂移動(dòng)通信塔標(biāo)高較高、監(jiān)控范圍廣、監(jiān)控盲區(qū)小；廠址在監(jiān)控范圍內(nèi)分布均勻、監(jiān)控效果好；同時(shí)能對(duì)500 kV/220 kV輸電線路廊道區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控，避免以往核電項(xiàng)目曾產(chǎn)生的未及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路廊道被占用，影響施工進(jìn)度的問題；可在未來較長時(shí)間提供有參考價(jià)值的視頻監(jiān)控資料。除產(chǎn)權(quán)因素外，移動(dòng)通信塔方案各方面的條件均優(yōu)于氣象塔方案，另經(jīng)調(diào)查，通信塔產(chǎn)權(quán)單位同意租用鐵塔用于安放遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，故監(jiān)控設(shè)備安裝位置最終選擇為某山頂通信塔處。

2.5 高空瞭望設(shè)備的選取

根據(jù)實(shí)際需求可采用的高空瞭望設(shè)備有近、中、遠(yuǎn)三類[12]如表4所示。

表4 高空瞭望設(shè)備對(duì)比

通過分析可知，監(jiān)控距離在1.4 km以上即可覆蓋廠址全境，因此選用近距離監(jiān)控設(shè)備不滿足要求，中距離監(jiān)控設(shè)備滿足要求，遠(yuǎn)距離設(shè)備也滿足要求但相較而言存在體積過大、成本過高、震動(dòng)較難控制、對(duì)安裝平臺(tái)的要求較高的問題。綜合設(shè)備性能和成本因素，中距離高空瞭望云臺(tái)設(shè)備為最佳方案。

2.6 硬件設(shè)備選擇

2.6.1 攝像機(jī)的選擇

攝像機(jī)采用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其具備彩色攝像和黑白攝像功能，彩色攝像適用于現(xiàn)場(chǎng)景物識(shí)別，黑白攝像可滿足陰天或光照不足情況下的監(jiān)控需求；攝像機(jī)安裝于可垂直和水平運(yùn)動(dòng)的大型重載云臺(tái)上，能滿足現(xiàn)場(chǎng)360° 旋轉(zhuǎn)全景監(jiān)控的需求；具備寬動(dòng)態(tài)攝像功能，在日間晴天或多云天氣、明暗對(duì)比非常強(qiáng)烈的場(chǎng)合均能有效實(shí)施監(jiān)控。

2.6.2 錄像機(jī)的選擇

某電廠一期項(xiàng)目需進(jìn)行遠(yuǎn)程、多點(diǎn)監(jiān)控，可采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、勘查；基于項(xiàng)目推進(jìn)擴(kuò)展的需求，可采用NVR(Network Video Recorder即網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī))通過網(wǎng)絡(luò)接收網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳輸?shù)臄?shù)字視頻碼流，并進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化帶來的分布式架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，其部署靈活、安裝簡單、擴(kuò)展性好，其磁盤存儲(chǔ)包含無間斷存儲(chǔ)和抓拍存儲(chǔ)兩塊存儲(chǔ)區(qū)域，抓拍畫面每一小時(shí)截取兩秒，方便后期生成整體運(yùn)維期間高清無壓縮精簡影像資料。

2.6.3 視頻輸出設(shè)備的選擇

為滿足某電廠一期項(xiàng)目多種場(chǎng)景及用戶實(shí)時(shí)在線監(jiān)控需求，采用便攜式手持終端、便攜式操作終端、顯示大屏等視頻輸出設(shè)備。選取屏幕較大、分辨率高、響應(yīng)速度快、可擴(kuò)展性好的平板電腦作為手持終端，選擇通用型筆記本電腦作為便攜式操作終端，顯示大屏根據(jù)后期現(xiàn)場(chǎng)的需要通過專網(wǎng)置于現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)位置。

3 使用效果評(píng)價(jià)

使用遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)分別對(duì)距監(jiān)控設(shè)備直線距離620 m的村落房屋、1 400 m的海域、2 500 m的輸電線路桿塔進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如表5所示。

表5 視頻監(jiān)控效果比較

平臺(tái)建設(shè)完成后，已經(jīng)能在很大程度上替代人員的對(duì)廠址的定期巡檢。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作質(zhì)量與安全的監(jiān)控管理工作也在穩(wěn)步推進(jìn)，在目前回填區(qū)、海工區(qū)的詳勘工作中，平臺(tái)畫面能夠清晰顯示工作人員是否戴安全帽、有無系安全帶、潮水位置、現(xiàn)場(chǎng)天氣狀況、船體及平臺(tái)的晃動(dòng)情況、有無著火點(diǎn)，能夠清晰辨識(shí)出每個(gè)人員的動(dòng)作行為，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的全天遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程發(fā)生的危險(xiǎn)作業(yè)和不規(guī)范行為，實(shí)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程識(shí)別監(jiān)管。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)工作情況畫面(左側(cè)紅圈處放大為右側(cè)畫面)

實(shí)時(shí)保存的視頻錄像主碼流幀率最高分辨率為：50 Hz；25 fps(2 560×1 440)，如圖3所示，滿足使用要求。關(guān)于監(jiān)控盲區(qū)問題，目前有無人機(jī)智能巡飛項(xiàng)目正在推進(jìn)中，作為本項(xiàng)目的補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)廠址范圍的完全監(jiān)控。

圖3 視頻畫面主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)對(duì)距攝像頭5 km外采石場(chǎng)的視頻畫面，平臺(tái)可以有效識(shí)別車輛、工程機(jī)械的種類和人員行為。隨著項(xiàng)目核準(zhǔn)后的建設(shè)進(jìn)度的進(jìn)一步推進(jìn)，對(duì)正挖、負(fù)挖、邊坡處理等工作的質(zhì)量、安全監(jiān)督也可100%覆蓋。待核電項(xiàng)目FCD后乃至正式商運(yùn)后，仍可作為智慧工地、智慧電廠項(xiàng)目的有效補(bǔ)充持續(xù)發(fā)揮作用。

4 總結(jié)

核電工程遠(yuǎn)程管理監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)和使用，對(duì)電廠廠址實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)更精準(zhǔn)、更及時(shí)的監(jiān)控；生成和保存大范圍、高精度、大跨度的影像資料，為電廠建設(shè)提供數(shù)字化影像資料。本文對(duì)場(chǎng)地信息技術(shù)管理、數(shù)字化相應(yīng)圖像、視頻遠(yuǎn)程全景監(jiān)視、全過程監(jiān)管的探索過程，也為后續(xù)電廠建設(shè)、運(yùn)維智能化系統(tǒng)的建設(shè)和開發(fā)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。