基于通信鐵塔的智慧燃氣管線監控系統

張繼亮

(泰能天然氣有限公司, 山東 青島 266000)

1 基于鐵塔的智能監測整體思路

堅持優先利用存量資源,能共享的資源不新建的原則,利用通信鐵塔(簡稱鐵塔)和通信基站資源,提高資源利用率,極大地降低了系統的建設和維護成本[1]。監測數據采用分布式采集、集約化處理的扁平化架構,建設統一的數據中心,提高了系統運行的穩健性和數據安全性,降低基礎設施的建設成本。監測對象種類繁多、任務場景復雜,兼顧系統成本和可靠性等要求,傳感器采用多功能綜合傳感器設計。傳感器設計面向任務需求,具有綜合感知能力,實現全域感知,綜合利用衛星等傳感平臺,構建立體化多層傳感體系,實現能源、農業、林業等行業智能化應用。鐵塔監測整體思路見圖1。

圖1 鐵塔監測整體思路

2 基于鐵塔的智慧燃氣管線監控系統

2.1 需求分析

燃氣管道領域存在打孔盜氣問題屢禁不絕。輸氣管道分布廣、監管難度大[2],人防投入巨大,巡護存在空窗期,難以做到巡護無盲區、全覆蓋,不能實時發現、實時告警、實時響應等[3]。傳統監控存在很多弊端,據美國國家實驗研究室統計,用人眼盯著視頻監控錄像12 min,被忽略掉的信息大約60%,看錄像24 min,忽略掉95%的信息。視頻監控能做到留存,但大量冗余信息會造成時間和成本浪費。

多元化的人防+技防,可以實現全天實時監控,通過智能分析識別潛在風險事件(盜氣、挖掘機等大型施工車輛進入監控區域)、實時警告,防止盜氣和第三方施工破壞的發生[4]。事中,通過潛在風險目標智能行為分析,主動告警、遠程語音驅離,聯動巡線人員實地處理,并對整個事件發生過程全過程錄像取證,方便事后追溯[5]。

2.2 總體架構

利用燃氣管道周邊既有鐵塔資源,通過在鐵塔高處安裝長焦高清夜視攝像機搭建監控點位,通過預置攝像機掃描路徑對輸氣管道進行24 h循環視頻監控[6]。通過專網接入將視頻流上傳到監控中心服務器保存,用于后期取證。利用視頻識別技術對各監控點畫面進行實時分析,對管道附近的人工和機械取土挖掘作業,以及管道周邊一定范圍內定向鉆孔等高度疑似行為啟動實時拍照錄像報警機制,經監控人工核實后及時通過平臺分發出警任務。在輸氣管道兩側一定范圍內設置電子圍欄,針對不同路段設置不同人數、停留時間的預警閾值,一旦出現人員密集或停留時間過長現象,將觸發拍照錄像報警機制,從而形成一整套點線面相結合的遠距離監控及預警系統[7-10]。從違法場景監測到出警任務派發,全業務流程實現信息化,智慧燃氣管線監控系統架構見圖2。

圖2 智慧燃氣管線監控系統架構

① 設備層

通信鐵塔資源分布廣、密度大,可以被柵格化綜合感知系統充分利用,實現對監測區域的全面覆蓋。

通過多點預置位巡航的方式,單站的光電傳感設備能實現360°全方位監測。

本項目燃氣管道監測涉及青島市城陽、李滄、嶗山和市北,結合已有基站點位,綜合考慮超長距離攝像對塔身晃動的要求,以1.5 km為各監控點覆蓋半徑,初步設置32個監控點(高空攝像機32臺,其中全景攝像機3臺、高倍球機29臺),以取得覆蓋距離和攝像效果之間的平衡。高空攝像機安裝點位見圖3。高空攝像機參數見表1。

表1 高空攝像機參數

圖3 高空攝像機設置點位

高倍球機實物見圖4。高倍球機支持絆線入侵檢測、區域入侵檢測、穿越圍欄檢測、徘徊檢測、物品遺留檢測,支持物品搬移檢測、快速移動檢測、停車檢測,支持人員聚集檢測,支持人車分類報警,支持聯動跟蹤等。

圖4 高倍球機實物

視頻支持優選、支持抓拍、支持上報最優的抓圖。支持機動車檢測、非機動車檢測、人體檢測、人臉檢測。具體如下。

a.機動車屬性

包括車牌、車輛類型、車身顏色、車牌顏色、車標、車系或年款、遮陽板、安全帶,車內人員吸煙、打電話,車內飾品,年檢標志等。

b.非機動車屬性

包括類型、車身顏色、騎車人數、上衣類型、上衣顏色等。

c.人體屬性

包括衣服類型、衣服顏色、背包、帽子、性別等。

包括性別、年齡、表情、眼鏡、口罩、胡子等。

全景攝像機采用一體化機芯和高速云臺設計,單產品即可同時提供全景監控、特寫畫面和快速細節定位功能。全景畫面由4個傳感器拼接而成,全景畫面可支持關注區域畸變矯正。全景攝像機實物見圖5。

圖5 全景攝像機實物

全景攝像機支持絆線入侵檢測、區域入侵檢測。

視頻支持跟蹤、支持優選、支持抓拍、支持上報最優的抓圖。支持機動車檢測、非機動車檢測、人體檢測、人臉檢測。具體檢測內容與高倍球機相同。

支持車輛密度檢測,包括支持車輛密度分布、停車上限和車輛擁堵檢測報警功能。

支持人群分布圖檢測,包括人群分布效果圖、全局人群密度、區域人群密度、區域人數統計、人群密度異常聯動跟蹤。

樹葉、灌木葉等植物葉子使得圖像照度均值提升,從而促使高空攝像機降低光通量,導致觀測不到植物葉子間隙的目標。另外,目標和植物葉子對激光的反射率相當,使得從背景中提取目標比較困難。為了更好地進行智能視頻分析,高倍球機的設置盡量高且要避開鐵塔以及線纜遮擋。

本項目高倍球機和全景攝像機均采用室外非屏蔽網線(UTP-Cat 6)與傳輸網絡相連。為通信設備、模塊化配線架實現快速互聯,從而保證系統傳輸的可靠性,具有極低的損耗和較高的寬帶。

水稻幼苗期易出現立枯病，其主要癥狀是稻苗發黃并彎曲，生長遲緩，抵抗力在較大程度上會有一定的降低，若出現其他病菌，會大大降低水稻成活率。引發此病的主要原因是低溫，立枯病易在低溫中生存，這就需要在進行抗病防治時從溫度入手，水稻幼苗期需要控制生長溫度，做好保溫工作，避免幼苗受低溫侵襲。水稻在出苗期至三葉期，一般情況下把溫度控制在25℃左右，保證水稻的抵抗力，三葉期后將水稻進行有效實時通風，以此能夠在較大程度上鍛煉尤其抗旱能力，以此降低立枯病發病率。

② 網絡層

傳輸網絡實現智慧燃氣管線監控系統中不同監控設備和信息系統基礎設施的互聯互通。基于鐵塔的智慧燃氣管線監控系統利用高空攝像機等前端設備,采用專網傳輸到泰能機房,機房內防火墻及各平臺服務器采用光纖連接,將采集到的信息集中分析,利用智能手機實現現場處置。智慧燃氣管線監控系統網絡拓撲圖見圖6。

分組傳送網PTN是當前業界為了能夠在傳送層更加有效地傳遞分組業務,并提供電信級的運行、管理、維護和保護而提出的一種分組傳送技術。PTN的結構與同步數字傳輸系統(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)不同,PTN是以分組處理作為技術內核,結合了分組技術與SDH和多業務傳送平臺(Multi- Service Transport Platform,MSTP)網絡體驗優點的產物,在秉承SDH的傳統優勢的同時,還可提供高精度的時間同步解決方案。

③ 基礎平臺

基礎平臺是一個依托于物聯網、人工智能、大數據、地理信息等技術實現的平臺即服務(Platform as a Service,PaaS)級公共基礎云服務平臺,向下可接入分散的傳感設備和各類數據源,向上面向各行業應用,提供物聯設備接入和管控、智能分析和算法管理、大數據計算和存儲、空間位置計算等基礎性公共服務,為在智慧城市、智慧城市軌道交通、智慧鐵路等領域內的應用產品開發和優化升級提供共性基礎支撐。

④ 應用層

應用層主要是通過利用前端傳感設備對數據進行實時采集,結合項目實際需求,利用物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術,對傳感數據進行實時計算與分析,對圖像信息進行數據提取,同時結合業務規則信息,快速發現傳感設備監視區域內的違法行為,并通過消息服務第一時間通知執法人員,最終達到對違法事件的快速發現、及時處理。

⑤ 用戶端

登錄WEB瀏覽器主要包括智慧運維和全域感知。智慧運維包括集中告警、故障管理、圖紙資料、運維專家知識庫功能。全域感知包括AI調度艙、AI視頻分析、智能監控巡視、報警事件處置功能。監控人員通過手機應用程序可查看實時視頻,可實時接收、處理告警信息。

2.3 功能特點

① 自動感知與全場景監測

基于鐵塔的智慧燃氣管線監控系統結合鐵塔、AI云服務、AI監控,促成新業態智能管道巡護,提供了一種遠距離、超視距監控,做到了遠程感知、遠程操作、遠程輔助的智能化服務。

智慧燃氣管線監控系統以鐵塔為基礎建設,由架設的不同類型的光學傳感器采集實時數據,通過網絡傳輸,根據時間、密集情況、遮擋情況等不同場景用相對應的人工智能網絡做到快速識別圖像內容,快速分析數據結果,快速響應執法流程,提升智慧監控的可行性和使用價值。

② 萬物互聯的智能傳感監控

基礎平臺以傳感器接入和統一設備數據服務標準為核心功能,是整個系統的中樞。解決廠家設備數據差異,提供標準統一的設備監控服務接口和海量設備穩定、高并發、快速訪問的設備接入管理服務。智慧燃氣管線監控系統支持海量不同解析協議的物聯設備接入,實現對攝像機、廣播設備、定位設備統一接入,實時接收上報信息,統一下發控制命令。通過設置觸發規則,實現設備間聯動,有效將視頻監控結果與現場定位和廣播聯動起來,達到自動聲光告警驅離的效果。

③ 全方位可視化監測地圖

空間位置作為基礎信息資源,需要基于地理信息系統(Geographical Information System,GIS)充分整合和挖掘,為智慧燃氣管線監控系統提供空間地理實體的數字化管理及可視化展示。

通過實地勘測鐵塔的位置,測算監控范圍,系統能夠迅速定位告警位置,并進行事件與執法業務統計,可以查看帶有具體標號、準確定位路段、觸發告警內容的時間信息。

④ 視頻實時AI智能分析

基于人工智能技術,提供基于視頻、圖片的分析算法服務倉,實現面向人員管理、車輛管理、安全防護、設備監測等業務范圍的智能分析服務。通過服務配置中心模塊將所有服務的配置信息進行集中化管理,具備動態路由、請求限流、容錯、服務監控和日志記錄的功能[9]。

智能分析服務功能包含絆線入侵、區域入侵、人員聚集、停車檢測、徘徊檢測等20個智能分析服務。通過對挖掘機、鉆探機、打樁機、定向鉆等人員、車輛精準識別,對逗留時間自動計算,實現對盜氣和施工的主動感知,主動預警告警,提高監控效率。

2.4 應用效果

依托管道周邊的鐵塔,采用遠距離晝夜監測一體化攝像機,利用機器學習技術對管道周邊的偷盜燃氣場景特征進行智能監測,實現報警地點定位和出警任務派發,從而實現對輸氣管道進行全天、高效率保護。

3 鐵塔應用展望

通過開放性、模塊化智能感知體系設計,建設基于通信鐵塔的物聯傳感網絡,形成全域柵格化網絡覆蓋,以物聯網智能感知和大數據技術構建大數據平臺,推進智慧行業建設。基于鐵塔+5G+AI的鐵塔視聯平臺,依托鐵塔獨特桿塔資源優勢、全國統一可視可管可控化視頻監控平臺以及AI、邊緣計算等技術,廣泛應用于環保、林草、農業、國土、水利、交通、應急等領域的數據感知、數據采集、數據分析、信息處理、數字孿生等數字化服務,可實現綜合治理數字化。