網絡視頻監控系統在天然氣輸配管網無人站場中的應用

尤立華

（中國石油天然氣股份有限公司新疆油田油氣儲運分公司，新疆克拉瑪依834002）

在天然氣輸配管網上分布著各類一、二級的配氣站、簡配站、調壓計量站等小型站點，該類站點地處戈壁或油氣密集區域，生產功能單一、結構緊湊，多為無人值守。由于天然氣管網覆蓋面積大，包含的該類站點多，通過劃分片區進行管理，一個片區包含數個無人站點和一個遠端集中監控站，值班人員在遠端集中監控站負責對下屬的無人站進行管理和巡檢，生產調度人員在總調度監控中心負責對整個天然氣管網進行集中監控。

1 無人站網絡視頻監控系統

1.1 總體說明

小型無人值守站場周邊社會環境單一，占地面積小，約十幾平方米，生產工藝簡單，工藝裝置多為露天。天然氣管網站場安防監控系統的設置基于油田辦公網絡及生產自動化專網，采用先進的視頻管理及視頻分析技術，實現低碼流下高清晰視頻圖像的采集、存儲、傳輸、轉發及自動報警功能［1］。值班人員通過客戶端可清楚地了解轄區、重點要害部位的情況，實現視頻網絡資源和信息資源的共享，滿足了生產運行、應急搶修和上級主管部門的需求。

1.2 關鍵點

小型無人值守站場網絡視頻監控系統關鍵點有以下幾個方面：

1）視頻傳輸及調試。由于各個小型無人值守站場的分布較為分散，且站間距較大，對視頻的遠距離傳輸和集中監控帶來困難；視頻采集、存儲、傳輸等前端設備分布在各個小型無人值守站場內，安裝調試成本較高。

2）攝像機性能。視頻監控攝像機均為室外安裝，全年自然氣候差異性較大，晝夜溫差大，工作環境較為嚴苛，對設備的性能和質量要求較高。

3）訪問用戶權限管理。視頻監控系統訪問用戶數量較多，包括遠端集中監控站值班人員、生產調度運行人員、各級主管部門技術人員以及應急搶修指揮人員等，因此需進行分級權限管理。

4）網絡技術。視頻流并發訪問及轉發功能需要有網絡等技術支持。

5）視頻分析技術。受室外各種環境因素的影響，對視頻分析技術要求較高，對各類自然氣候條件，如：風、霜、雨、雪、霧，攝像機的抖動，夜間燈光照明以及油田伴生氣、蒸汽等干擾因素的識別，降低誤報率。

2 網絡視頻監控系統層次結構

無人值守站場網絡視頻監控系統層次結構如圖1所示。

圖1 無人值守站場網絡視頻監控系統層次結構示意

將無人值守站、遠端集中監控站和管網調控中心視頻監控系統作為一個整體，依據網絡視頻數據的接入分為核心層、匯聚層、接入層［2］。最上一層是整個天然氣管網視頻數據的核心層，設在調度中心，負責調用、控制和回放各個站場視頻資源，設置有中心管理服務器、工作站、歸檔備份服務器等設備。中間層作為視頻應用的匯聚層，是視頻存儲與視頻流轉發的核心環節，設在遠端集中監控站，對本站或下屬各無人站的視頻資源進行調用、回放、遙控攝像機轉動或變焦（PTZ控制）等，設備有網絡攝像機、網絡硬盤錄像機（NVR）、客戶端工作站、存儲服務器、顯示大屏。基礎層為各小型無人站，是前端監控設備的接入層，實現本地存儲和轉發。

3 實際應用

3.1 系統說明

某油田天然氣輸、配管網分四大片區，其中西北緣片區分布有5座小型無人值守二級配氣站和1座有人值守集中監控站，調控中心負責對整個輸配氣管網進行集中監控。為便于管理，將5座無人站分別編號為1～5號，每座站場安裝10臺網絡高清攝像機，監控點位部署分周界安防和生產區域監控兩個功能，周界安防監控點位部署在站場四面圍墻邊界處、場院死角、大門出入口重點部位，通過本地視頻分析服務器算法分析，觸發移動目標跟蹤和入侵報警功能，將入侵報警信息遠傳至遠端集中監控站；生產區域監控部署在站內計量間和工藝區邊界處、露天裝置區。每個站均安裝有NVR，對本站視頻進行錄像存儲及轉發。

遠端集中監控站內值班人員遠程監控各無人站，調控中心集中監控管網上所有站的視頻。天然氣輸、配管網網絡視頻監控系統拓撲結構如圖2所示。

3.2 前端設備

網絡高清攝像機作為前端設備，其主要功能見表1所列。在選型方面主要考慮分辨率、應用環境、照度、寬動態、鏡頭焦距等。由于無人站分布較為分散且分布廣，因而安裝的前端設備須具備穩定性和遠程維護功能，便于遠程升級、備份、啟動等。

3.3 存 儲

為不占用網絡帶寬，各個無人站視頻數據進行本地存儲；網絡錄像機的主要功能是對網絡攝像機發送來的視頻流進行存儲、轉發至存儲設備，響應視頻工作站實時視頻和錄像回放的請求。

圖2 天然氣輸、配管網網絡視頻監控系統拓撲結構示意

表1 前端攝像機主要功能

存儲容量的計算：基于通道數、碼流、存儲周期，計算存儲容量。如50路高清圖像，存儲90 d，則存儲容量＝4 Mbit/s（統一按平均碼流速）÷8×3 600×24×90×50÷1 024÷1 024＝185.4（TB）

3.4 無人站周界視頻分析功能實現

油氣站場作為易燃易爆場所，對進站人員有嚴格的限制。為滿足無人站場周界安防的要求，在現有的網絡視頻功能基礎上增加了智能分析技術［3］。采用后端服務器方式，該方式支持的視頻分析通道數有限，適合于小型站場的周界應用。將網絡攝像機與分析服務器設置為本地局域網內網地址，視頻信號由網絡攝像機編碼壓縮后通過局域網傳輸，分析服務器抓取碼流后對視頻信號進行算法分析。該過程稱為“入侵探測”，將站場周圍定義為場景區域，四面圍墻定義為虛擬防區，當物體接近或進入預先設置好的虛擬防區，系統自動進行探測并跟蹤軌跡，如果完全符合預設規則，則分析服務器發出報警信息。

3.5 遠端集中監控設備

遠端集中監控站作為整個管網安防監控系統的“應用核心節點”，是視頻存儲和視頻流轉發的核心環節，具有對該片區視頻資源瀏覽、調閱、回放和攝像機控制等功能。遠端集中監控設備主要功能見表2所列。

表2 遠端集中監控設備主要功能

3.6 管網調控中心監控部分

調控中心作為整個油氣管網安防管理的監控中心，可全面監控和管理下屬的所有站庫，查看實時圖像和調用錄像資料。遠端監控站已將各個小型無人站攝像機視頻碼流進行存儲與管理，即使調控中心監控系統不運行也不影響各個集中監控站的正常運轉。在調控中心設置由32個大屏拼接的電視墻，調控中心要從各集中監控站調取視頻資料，按照單屏單路計算，每路高清碼流4 Mbit/s，則32路速率可達128 Mbit/s，匯聚層與核心層之間的千兆鏈路能滿足該速率。在調控中心監控系統內還配置備用網絡錄像機和存儲設備，當某一個遠端集中監控站的網絡錄像機宕機失效時，可及時接管，將集中監控站視頻碼流切換至調控中心系統，匯聚層與核心層之間的鏈路發揮著重要作用。

3.7 網絡傳輸

網絡傳輸由綜合布線和網絡交換機組成，5座小型無人站交換機為接入層、遠端集中監控站交換機為匯聚層、調控中心交換機為核心層，系統速率滿足百兆接入，千兆匯聚、千兆核心。其中，遠端集中監控站匯聚層流量示意如圖3所示，各層級網絡及交換機主要功能見表3所列。

圖3 遠端集中監控站匯聚層流量示意

表3 各層級網絡及交換機主要功能

從匯聚層連到核心層的鏈路需千兆。在該系統架構中，NVR在匯聚層，核心交換機沒有視頻流存儲與轉發的較大壓力，只有實時視頻解碼顯示及錄像調用回放的流量壓力。核心層交換機的選型主要考慮交換容量以及與匯聚層之間鏈路帶寬。

匯聚交換機上口連接核心交換機，進行部分實時視頻瀏覽及錄像回放請求，帶寬需求不高。下口連接接入交換機，5座小型無人站網絡攝像機碼流都將在集中監控站匯聚交換機同時處理。按照每座站10臺攝像機，5座站共50臺，碼流4 Mbit/s，則50×4＝200 Mbit/s。匯聚層交換機需要支持百兆以上的交換容量，此外還需要考慮額外實時視頻轉發帶寬需求。

接入交換機下口連接網絡攝像機，需要考慮與匯聚層之間鏈路帶寬，鏈路容量大于下連攝像機的總碼流，保證所有網絡攝像機與NVR之間帶寬暢通。若交換機接入10路高清網絡攝像機，則總碼流為40 Mbit/s，此外還需考慮控制、音頻等數據占用帶寬。

4 結束語

作為網絡視頻監控系統中的幾個關鍵要素，網絡高清攝像機的優勢在于高質量、多細節、大場景；NVR作為系統的中間設備，具有視頻錄像、存儲與轉發功能，大容量、開放化、標準化、支持冗余是產品性能的技術指標；智能分析技術在“事前報警”、“事后視頻快速索引”方面特點突出。小型無人站網絡視頻監控系統是在有限的成本投資下，依靠現有的網絡技術條件，選擇合適的產品及架構，充分發揮其效能。系統的穩定運行為今后長輸管道及運行管網視頻監控綜合管理平臺的搭建提供基礎性的參考案例。