淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)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(xiàng)目部，天津 300450；2.中油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津 300450）

0 前言

近年來，國內(nèi)海上油氣開發(fā)事業(yè)發(fā)展迅猛，對海上油氣平臺安防系統(tǒng)的要求不斷提高，傳統(tǒng)安防系統(tǒng)依賴大量人工進(jìn)行監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)判斷，已不再適用。基于海上風(fēng)險(xiǎn)信息智能判斷、無效信息自動過濾、警報(bào)信息及時(shí)傳送至應(yīng)急決策管理部門和海警部門建設(shè)等智能安防需求，如何構(gòu)建完善可靠的海上油氣智能安防系統(tǒng)，成為當(dāng)今淺灘海上油氣平臺安防建設(shè)備受關(guān)注的問題。

淺灘海域的油氣生產(chǎn)平臺的主要特點(diǎn)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(chǎn)運(yùn)輸有較大的安全威脅。傳統(tǒng)的海上平臺安防系統(tǒng)建成后，需要根據(jù)視頻內(nèi)容人工判斷視頻畫面內(nèi)的違章或者入侵行為，對歷史數(shù)據(jù)的查詢也需要人工檢索，極大地增加了工作量。當(dāng)航道進(jìn)入繁忙時(shí)段時(shí)，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(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本文從淺灘海上油氣平臺安防現(xiàn)狀入手，基于智能視頻監(jiān)控、船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）及防爆巡檢機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)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(jī)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(tǒng)。

1 淺灘海上油氣平臺安防現(xiàn)狀

淺灘海上油氣平臺主要部署模擬攝像機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率較低，并且需要安全監(jiān)管員實(shí)時(shí)監(jiān)控，判斷周邊是否有非法船舶靠近。

現(xiàn)有攝像機(jī)受所處環(huán)境影響，外殼及鏡頭上經(jīng)常有霧氣，影響其視頻效果，經(jīng)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(jīng)常眼睛過度疲勞，工作效率低。

當(dāng)出現(xiàn)極端大霧、雨雪等天氣時(shí)，海上平臺內(nèi)部需要進(jìn)行生產(chǎn)安全巡檢，海上平臺人員過道狹窄，人工巡檢難度大，勞動強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，嚴(yán)重影響油氣生產(chǎn)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(dá)到的要求

（1）對淺灘海上平臺主要生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場區(qū)域、配電間、數(shù)據(jù)機(jī)房等進(jìn)行攝像機(jī)全覆蓋。

（2）對海上平臺周圍海域500 m 范圍內(nèi)的船只進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對周圍300 m 范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行監(jiān)測跟蹤預(yù)警，并及時(shí)報(bào)警和驅(qū)離。

（3）通過應(yīng)用船舶智能分析算法，對非法船只進(jìn)行自動識別。

（4）對海上平臺的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲，實(shí)現(xiàn)異地容災(zāi)備份。

（5）視頻數(shù)據(jù)上傳至統(tǒng)一的工業(yè)視頻監(jiān)控平臺。

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控管理終端設(shè)置在陸地的生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)對海上平臺生產(chǎn)運(yùn)行和鉆井作業(yè)狀態(tài)的有效監(jiān)控。

3 淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)構(gòu)成及其功能要求

海上平臺智能安防系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控、AIS船舶識別、定向擴(kuò)音、智能分析算法組成，具體功能要求分析如下。

3.1 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（Internet Protocol，IP）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由紅外熱成像儀、防爆球型一體化遠(yuǎn)距離攝像機(jī)、固定槍型攝像機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、本地監(jiān)控終端、遠(yuǎn)程監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視區(qū)域主要分為平臺周邊海面500 m 范圍區(qū)域監(jiān)控、平臺防爆油氣生產(chǎn)區(qū)域監(jiān)控、平臺非防爆區(qū)域監(jiān)控共計(jì)3 個區(qū)域。

在平臺四周圍欄部署防爆球型攝像機(jī)和紅外熱成像儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控周邊海域船只，能實(shí)現(xiàn)周邊海面500 m 范圍區(qū)域的實(shí)時(shí)安全警戒監(jiān)控。在平臺油氣生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控和出入口處，設(shè)置防爆固定槍型攝像機(jī)，用于平臺防爆區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控和出入口智能抓拍。在平臺的室內(nèi)非防爆區(qū)域，如電氣設(shè)備間等，設(shè)置非防爆固定槍型攝像機(jī)，用于房間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)控。平臺前端攝像機(jī)通信組網(wǎng)物理介質(zhì)采用單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線。在平臺值班室設(shè)置匯聚層光口交換機(jī)，前端攝像機(jī)區(qū)域設(shè)接入層光口以太網(wǎng)交換機(jī)，采用星型組網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)。

前端攝像機(jī)電源：室內(nèi)攝像機(jī)采用有源以太網(wǎng)（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(jī)柜間。單模光纜或超五類非屏蔽雙絞線及電源線敷設(shè)，可依托平臺內(nèi)已建的電力橋架和儀表橋架同路由敷設(shè)。平臺值班室設(shè)有本地監(jiān)控終端和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)等，安防指揮室設(shè)大屏幕顯示墻，可實(shí)現(xiàn)平臺視頻畫面和其他信息系統(tǒng)畫面顯示。

非法船只航速最快按照20 km 計(jì)算，換算約為617.45 m/min，經(jīng)過計(jì)算，拉設(shè)500 m 預(yù)警和300 m預(yù)警的警戒線，設(shè)定約30～60 s 的過渡時(shí)間。攝像機(jī)水平夾角4°，按照30 s 內(nèi)使用攝像機(jī)鎖定船只，攝像機(jī)按照每3 s移動一個預(yù)制位，設(shè)定10 個預(yù)制位，單個攝像機(jī)可覆蓋40°海域。

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

3.2 AIS 船舶識別系統(tǒng)及聲驅(qū)系統(tǒng)

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

平臺四周攝像機(jī)監(jiān)控桿上安裝定向擴(kuò)音喇叭，音源輸入信號取自高清遠(yuǎn)距離攝像機(jī)，在本地監(jiān)控終端智能安防系統(tǒng)平臺進(jìn)行驅(qū)離語音錄入。

船舶識別系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對平臺周邊海域1 km 內(nèi)的船舶進(jìn)行識別，當(dāng)識別到非本單位船舶靠近平臺且靠近距離小于300 m 時(shí)，輸出提示信號（定義為報(bào)警信號）。

AIS 報(bào)警信號將傳送至聲驅(qū)系統(tǒng)（喇叭）和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，聲驅(qū)系統(tǒng)通過高功率喇叭進(jìn)行警告驅(qū)離，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過AIS 傳輸信號調(diào)動攝像頭云臺，使攝像頭旋轉(zhuǎn)到指定位置拍攝并存儲，同時(shí)進(jìn)行畫面彈屏。如果非法闖入平臺的船只不撤離，攝像機(jī)就跟蹤拍攝錄像存儲，上報(bào)至該區(qū)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(jī)器視覺的非法船舶識別算法，以淺灘海油氣平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為載體，針對登陸的各類船舶，研發(fā)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(tǒng)的智能化手段。本文中非法船舶識別智能算法應(yīng)用的是YOLOv3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效識別給定照片中一個或多個目標(biāo)的存在位置和類型，并利用K-mean 均值聚類算法為每個網(wǎng)格預(yù)測9 個模板框，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)預(yù)測。YOLOv3 模型可以通過改變模型結(jié)構(gòu)的大小來調(diào)整速度與精度，進(jìn)行多尺度預(yù)測，這是當(dāng)今機(jī)器視覺領(lǐng)域經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)手段。

將海上平臺實(shí)景拍攝的船舶照片作為數(shù)據(jù)集，經(jīng)過圖像標(biāo)記與處理、模型訓(xùn)練與優(yōu)化、評估模型表現(xiàn)、模型優(yōu)化調(diào)參等多輪機(jī)器視覺識別訓(xùn)練，通過對多段實(shí)景船舶視頻的識別測試，識別工作船只的準(zhǔn)確率超過94%，識別非法船只的準(zhǔn)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(qū)域的非法船只、工作船只并報(bào)警，減少監(jiān)控管理人員數(shù)量，提高海上平臺安防水平，填補(bǔ)針對海上平臺非法船舶安防的技術(shù)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(jī)器人系統(tǒng)

淺灘海上油氣平臺巡檢機(jī)器人系統(tǒng)能接收智能安防系統(tǒng)的聯(lián)動信號，為個別視頻監(jiān)控盲區(qū)及生產(chǎn)人員巡檢提供有效的技術(shù)支撐和安防技術(shù)補(bǔ)充。

機(jī)器人巡檢系統(tǒng)基于國產(chǎn)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，主要由防爆仿人機(jī)器人本體與其他環(huán)境傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)采集及生產(chǎn)安全巡檢調(diào)度平臺等部分組成。

根據(jù)平臺安全生產(chǎn)十年內(nèi)人工巡檢的線路圖，在平臺上設(shè)置機(jī)器人巡檢路線和重點(diǎn)裝置，明確巡檢主要工作。平臺上進(jìn)行無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）覆蓋建設(shè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與控制室之間的數(shù)據(jù)聯(lián)通。在平臺的控制室和二級監(jiān)控中心部署機(jī)器人數(shù)據(jù)采集控制軟件、中心端北斗智能機(jī)器人巡檢調(diào)度平臺，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程對機(jī)器人巡檢的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 淺灘海上油氣平臺智能安防系統(tǒng)的應(yīng)用效果

在未來的淺灘海上油氣平臺建設(shè)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(jiān)控手段。智能安防系統(tǒng)應(yīng)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(chǎn)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(dá)到減員增效的目的。此外，隨著機(jī)器人巡檢系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷成熟，其綜合價(jià)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(lǐng)域的重要應(yīng)用工具。

5 結(jié)語

智能安防系統(tǒng)的建設(shè)要符合數(shù)字化、智能化海上油氣開發(fā)的要求，可逐步按照“事前預(yù)防，事中響應(yīng)、事后追查”流程進(jìn)行部署。本文討論的智能安防系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)融入海上安防，與AIS、定向廣播及機(jī)器人巡檢系統(tǒng)之間形成互相配合的集成智能系統(tǒng)，使管理人員根據(jù)智能安防系統(tǒng)提供的結(jié)論進(jìn)行科學(xué)決策，從而有效減少傳統(tǒng)安防工作中人工巡檢、人工監(jiān)控等工作量，從技術(shù)手段及設(shè)備應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化安防。此外，筆者也更加期待，在科技飛速發(fā)展、人工智能日新月異的時(shí)代，會有更加高效、智能、安全的技術(shù)應(yīng)用到海上油氣平臺安全防范工作中，為海上油氣開發(fā)提供重要保障。