氣云成像智能識(shí)別技術(shù)在管廊監(jiān)控中的應(yīng)用

葛建武，馬 杰，楊寶和，鄭衛(wèi)東，梁成龍

（中國(guó)石油蘭州石化分公司，甘肅蘭州 730000）

對(duì)于煉油化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，把原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，需要多套上下游裝置同時(shí)運(yùn)行生產(chǎn)。而管線把裝置中設(shè)備與設(shè)備之間、裝置與裝置之間、裝置與罐區(qū)之間，串聯(lián)成有機(jī)的整體，形成產(chǎn)品生產(chǎn)鏈，保證產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。管線對(duì)于化工生產(chǎn)鏈來(lái)說(shuō)，就像“動(dòng)脈”血管對(duì)人身體一樣重要。

為了保證裝置及裝置間各種管線規(guī)范管理，節(jié)約有效空間，企業(yè)依據(jù)裝置分布設(shè)置管廊，管廊是鏈接裝置各單元及各裝置間的橋梁。具有承載的管線多，涉及輸送的介質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故，影響面更寬，涉及的裝置更多，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失也就更大。

蘭州石化現(xiàn)有4km長(zhǎng)度，7段管廊，上下分4層，每層之間高度差約1.5m，管廊運(yùn)輸物中涉及32種介質(zhì)。為保障管廊處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，企業(yè)非常重視管廊管理，一般采用人工巡檢的方式，對(duì)管廊實(shí)行管控。但由于長(zhǎng)輸管廊具有架設(shè)在高空、層數(shù)多、管線密集等特點(diǎn)，加之巡檢人員狀態(tài)等因素，人工巡檢的方式往往達(dá)不到預(yù)期效果。

公司共有七處界區(qū)外管廊，100多條轉(zhuǎn)輸管線，是鏈接煉油與化工區(qū)和各裝置區(qū)之間物料轉(zhuǎn)運(yùn)的橋梁，具有承載的管線多、線路長(zhǎng)、涉及輸送的介質(zhì)危險(xiǎn)性大、周邊環(huán)境復(fù)雜、一旦泄漏很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)管理方式單一，監(jiān)測(cè)手段匱乏，安裝的報(bào)警儀也由于風(fēng)向、泄漏點(diǎn)高度等因素，只能監(jiān)測(cè)很小的區(qū)域，全線監(jiān)測(cè)只能靠人工巡檢的方式進(jìn)行，一旦管廊發(fā)生泄漏著火事故，輕則影響裝置完全穩(wěn)定運(yùn)行，重則發(fā)生較大安全環(huán)保事故，給企業(yè)、社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響和重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此利用氣云成像智能識(shí)別技術(shù)識(shí)別危化氣體，在蘭州石化管廊監(jiān)控中就大有可為。

1 天然氣泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

1.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象（互供管廊）

監(jiān)測(cè)對(duì)象為油品儲(chǔ)運(yùn)廠界區(qū)外一段互供管廊，具體位置如圖1所示。

圖1 互供管廊位置說(shuō)明

1.2 互供管廊介質(zhì)

目前蘭州石化油品儲(chǔ)運(yùn)廠的互供介質(zhì)見(jiàn)表1，本次項(xiàng)目實(shí)際監(jiān)測(cè)介質(zhì)從【當(dāng)前可選監(jiān)測(cè)】欄里標(biāo)記為【是】的介質(zhì)里選取。

表1 互供管廊介質(zhì)一覽表

2 氣云成像攝像機(jī)泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 技術(shù)原理

本次采用氣云成像智能識(shí)別技術(shù)的設(shè)備產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的綜合實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的傅里葉變換紅外光譜遙測(cè)和掃描成像檢測(cè)技術(shù)。利用紅外指紋特征對(duì)氣體云團(tuán)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙感探測(cè)，通過(guò)識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)危化氣體的快速定性識(shí)別和定量反演，配合掃描云臺(tái)和同軸可見(jiàn)-紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的掃描成像，對(duì)各類危化氣體進(jìn)行高靈敏度的快速識(shí)別和報(bào)警。

2.2 基本原理

任何自然物體都向外發(fā)射紅外光，不同物質(zhì)成分具有不同紅外光譜，類似于人的指紋，故紅外光譜又稱為“指紋光譜”。參見(jiàn)圖2。

圖2 紅外光譜特征圖

光與物質(zhì)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸收、透射、散射等物理現(xiàn)象。紅外光與氣體物質(zhì)的主要作用是吸收和透射，依據(jù)三層模型可對(duì)氣體成分進(jìn)行遙感檢測(cè)。參見(jiàn)圖3。

圖3 紅外光譜三層模型

被動(dòng)式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）掃描檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)光學(xué)干涉特性，利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，采集干涉圖并變換為光譜，是目前國(guó)際上最先進(jìn)的氣體遙測(cè)技術(shù)。

3 氣云成像攝像機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

因需要監(jiān)測(cè)的是廠外管廊，管廊周邊有樹(shù)木遮擋，而廠區(qū)內(nèi)特別是沿西側(cè)圍墻無(wú)適合的建筑物可以固定架設(shè)產(chǎn)品，考慮以便攜式架設(shè)產(chǎn)品為主。架設(shè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)區(qū)域參見(jiàn)圖4。

圖4 產(chǎn)品架設(shè)點(diǎn)預(yù)設(shè)方案圖（圖中上方為北）

1號(hào)點(diǎn)：可以自東向西對(duì)廠區(qū)外西側(cè)管廊的直線段（上圖中的黑色長(zhǎng)方框部分）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2號(hào)點(diǎn)：從中間分別向東或向西監(jiān)測(cè)廠區(qū)外西側(cè)管廊的直線段，可以提高定位速度。

3號(hào)點(diǎn)：既可以自西向東監(jiān)測(cè)廠區(qū)外西側(cè)管廊的直線段，也可以向西南監(jiān)測(cè)圖5-1左下角的管廊，監(jiān)測(cè)范圍最大。

另外，在管廊的北側(cè)和南側(cè)也可以適當(dāng)選擇若干位置對(duì)管廊進(jìn)行側(cè)向監(jiān)測(cè)。

3.1 設(shè)備組成說(shuō)明

監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件主要由設(shè)備主機(jī)、掃描云臺(tái)、主控計(jì)算機(jī)、電源適配器及通信線纜、供電線纜等組成，見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)設(shè)備組成圖

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

1）檢測(cè)半徑：≥ 3km；

2）掃描范圍：水平360°，俯仰-30°～+45°；

3）報(bào)警響應(yīng)時(shí)間：≤4s；

4）光譜范圍 ：8μm～14μm ；

5）光譜分辨率：1cm-1；

6）防水防塵等級(jí)；IP65；

7）視頻：可見(jiàn)光（高清）、紅外；

8）系統(tǒng)功耗：≤100W（不含主控計(jì)算機(jī)）

4 應(yīng)用效果

測(cè)試方法：利用紅外指紋特征對(duì)氣體云團(tuán)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙感探測(cè)，通過(guò)識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)危化氣體的快速定性識(shí)別和定量反演，配合掃描云臺(tái)和同軸可見(jiàn)-紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的掃描成像，對(duì)甲烷氣體進(jìn)行高靈敏度的快速識(shí)別和報(bào)警。

利用測(cè)試地點(diǎn)的可見(jiàn)相機(jī)和氣云成像攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)試，放散一定濃度的甲烷測(cè)試氣體，測(cè)試氣云成像攝像機(jī)在一個(gè)監(jiān)視周期（云臺(tái) 360°旋轉(zhuǎn)）內(nèi)能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，是否于系統(tǒng)內(nèi)正確顯示。

測(cè)試情況如下：測(cè)試區(qū)域測(cè)試，天氣晴朗，測(cè)試距離約為200m，響應(yīng)時(shí)間為2s。正常情況下，氣云成像攝像機(jī)無(wú)報(bào)警，顯示正常，發(fā)現(xiàn)丁烷氣體后，氣云成像攝像機(jī)監(jiān)控發(fā)出報(bào)警。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，氣云成像攝像機(jī)在泄漏介質(zhì)自動(dòng)識(shí)別、定位所屬管線及自動(dòng)報(bào)警、泄漏識(shí)別準(zhǔn)確度、泄漏響應(yīng)方面均取得較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論與建議

1）氣云成像識(shí)別技術(shù)在蘭州石化化工管廊初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)管廊承載管線泄漏介質(zhì)自動(dòng)識(shí)別、定位所屬管線及自動(dòng)報(bào)警具有很好效果，

2）采用云成像識(shí)別技術(shù)對(duì)管廊承載管線輸送介質(zhì)自動(dòng)識(shí)別和云成像技術(shù)對(duì)泄漏位置、所屬管線定位，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的初步自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)，保障了管廊的安全。

3）實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新界區(qū)外管廊實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)24h全天候無(wú)人巡檢的管理模式，保障了管廊處于安全穩(wěn)定受控狀態(tài)。

4）利用紅外云成像技術(shù)自動(dòng)識(shí)別管廊承載管線泄漏介質(zhì)及管線定位過(guò)程中，充分利用了機(jī)器學(xué)習(xí)、建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別展示及自動(dòng)報(bào)警。

5）下一步要深入研究氣云成像識(shí)別技術(shù)在實(shí)際監(jiān)測(cè)監(jiān)控中的應(yīng)用，特別是此次項(xiàng)目中建立的管廊多種介質(zhì)泄漏氣云成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)揮了極大的作用。