大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所

某采油廠橫跨4個市縣19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)307個自然村屯，油田開發(fā)面積540 km2，管理油水井6 500余口，站間220余座，部分井、站靠近村屯，具有油水井高度分散、地域環(huán)境相對復(fù)雜、運輸通道四通八達(dá)、安保防控難度大等特點。特別是沿江地區(qū)出現(xiàn)管控不利，極易造成環(huán)境污染等重大事件。

2012年，針對C廠環(huán)境敏感區(qū)塊嚴(yán)峻的安保防控形勢，采用無線網(wǎng)橋+單井?dāng)z像頭技術(shù)部署了52套技防監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)運行初期收到了一定的防控效果，后期因人為破壞嚴(yán)重、圖像傳輸易受環(huán)境干擾等原因，防控效果不理想，同時暴露出諸多問題：油井分布“點多面廣”，安裝單井監(jiān)控工程量大，抗干擾、防破壞能力差；單點覆蓋范圍小，無法滿足油田道路、通井路等特定目標(biāo)監(jiān)控；功能單一，不能主動篩選、預(yù)警潛在作案目標(biāo)。

基于上述原因，經(jīng)過前期調(diào)研，2013年12月底，選取距廠區(qū)較為偏遠(yuǎn)、沿江地區(qū)盜油較為嚴(yán)重的A轉(zhuǎn)油站、B轉(zhuǎn)油站，開展雷達(dá)預(yù)警[1]系統(tǒng)現(xiàn)場試驗。

1 油田安防雷達(dá)預(yù)警產(chǎn)品研發(fā)

1.1 油田適應(yīng)性分析

雷達(dá)系統(tǒng)按用途分為軍用和民用兩類。軍用主要用做探測[2]、定位、精確制導(dǎo)，民用主要用做測速、導(dǎo)航。由于雷達(dá)預(yù)警領(lǐng)域技術(shù)限制，民用領(lǐng)域暫無預(yù)警雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，為驗證各類型雷達(dá)在油田復(fù)雜地形下的實際應(yīng)用效果，從軍用轉(zhuǎn)民用角度逆向研發(fā)，選取B轉(zhuǎn)油站安裝35 m鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備塔，塔頂平臺安裝不同類型雷達(dá)和光電視頻監(jiān)控設(shè)備，分別對機掃艦載雷達(dá)、機載海防雷達(dá)、機掃步兵雷達(dá)、電掃相控[3]雷達(dá)開展油田適應(yīng)性分析測試。測試項目見表1，測試結(jié)果見表2。

表1 測試項目和數(shù)量Tab.1 Test items and quantity

表2 適應(yīng)性分析結(jié)果Tab.2 Results of adaptability analysis

1.2 雷達(dá)技術(shù)優(yōu)化

基于適應(yīng)性分析結(jié)果，選用相控電掃雷達(dá)作為本體，對該型雷達(dá)低速目標(biāo)定位偏差大，不能自動跟蹤批量目標(biāo)問題，從硬件、軟件兩方面入手開展技術(shù)優(yōu)化。硬件方面采取了微帶漏波天線代替原貼片式天線，天線測角精度小于2°，低速目標(biāo)定位偏差減小到20 m。軟件方面應(yīng)用數(shù)字信號處理+現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)提升雷達(dá)回波數(shù)據(jù)處理能力，可同時跟蹤200個動目標(biāo)。

基于上述優(yōu)化改進，預(yù)警雷達(dá)性能如下：

雷達(dá)識別距離：人3 km內(nèi)，車輛6 km內(nèi)；測距誤差精度：20 m±6%m。

跟蹤目標(biāo)數(shù)：≤200個；動目標(biāo)識別速度：≥3 km/h；掃描周期：8 s/360°。

1.3 系統(tǒng)集成與測試

2015年1月，在A、B轉(zhuǎn)油站部署2套雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，在C廠保衛(wèi)大隊建立了監(jiān)控中心，構(gòu)建了油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)第一代樣機。配合新開發(fā)的雷達(dá)地理信息系統(tǒng)對樣機進行了現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了以設(shè)備塔為原點，白晝監(jiān)控半徑5 km，夜間監(jiān)控半徑3 km范圍內(nèi)油井、進井路、油管線、計量間入侵目標(biāo)預(yù)警、自動巡檢。但受制于系統(tǒng)誤報率（19.91%）、掃描周期（8 s）較長問題，未投入正式使用。

1.4 產(chǎn)品技術(shù)升級

2015年3月，針對已投產(chǎn)的雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)誤報率偏高、掃描周期長等問題開展研究，結(jié)果顯示，誤報率高的原因是相控電掃雷達(dá)無法發(fā)現(xiàn)電磁波切線方向運動目標(biāo)，掃描周期長的原因是內(nèi)部陣列天線按45°角排列。上述問題無法通過軟件優(yōu)化解決，經(jīng)過多方調(diào)研，一種新型紅外全景成像預(yù)警雷達(dá)技術(shù)進入優(yōu)化方案，該類型雷達(dá)不發(fā)射電磁波，通過壓縮機制冷被動感知環(huán)境中的紅外線形成360°環(huán)境紅外圖像，后臺通過圖像分析算法即可識別預(yù)警目標(biāo)。

通過進一步優(yōu)化軟件算法，使用新型紅外全景成像預(yù)警雷達(dá)代替相控電掃雷達(dá)，對兩座轉(zhuǎn)油站已建雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)進行升級，升級后的雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)適應(yīng)油田復(fù)雜的地面、氣候環(huán)境，具有掃描預(yù)警周期短，動目標(biāo)定位精度高，誤報率低，系統(tǒng)功耗低等特性。探測距離性能指標(biāo)如圖1所示，升級后的性能指標(biāo)如圖2所示。

圖1 雷達(dá)探測距離示意圖Fig.1 Schematic diagram of radar detection range

圖2 雷達(dá)升級前后參數(shù)對比Fig.2 Comparison of radar parameters before and after upgrade

2 油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)原理和功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)硬件由前端設(shè)備、傳輸鏈路、后臺顯控設(shè)備組成，軟件由雷達(dá)地理信息系統(tǒng)、可疑目標(biāo)識別程序構(gòu)成。

2.2 技術(shù)原理

前端紅外預(yù)警雷達(dá)掃描監(jiān)控區(qū)域的地理環(huán)境，形成紅外圖像，經(jīng)傳輸鏈路傳至廠監(jiān)控中心。當(dāng)物體跨越地理信息系統(tǒng)中設(shè)定的預(yù)警虛擬墻時，系統(tǒng)自動觸發(fā)可疑目標(biāo)判定程序，如判定結(jié)果為真，雷達(dá)主機發(fā)出聲光報警，鎖定事發(fā)區(qū)域跟蹤目標(biāo)，前端視頻巡檢儀根據(jù)雷達(dá)定位引導(dǎo)，轉(zhuǎn)向事發(fā)區(qū)域顯示現(xiàn)場實時畫面，提醒監(jiān)控員及時處理預(yù)警。

2.3 主要功能

（1）雷達(dá)視頻聯(lián)動，預(yù)警、跟蹤、定位可疑目標(biāo)。使用谷歌地圖原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過加工整理后得出防區(qū)1∶500基礎(chǔ)地形圖，基于監(jiān)控區(qū)域地理環(huán)境，使用手持GPS定位器駐點落實監(jiān)控區(qū)域油田設(shè)施坐標(biāo)，構(gòu)建雷達(dá)地理信息系統(tǒng)。后臺監(jiān)控人員對地理信息系統(tǒng)軟件平臺中油井、站間線、外輸油管線、通井路設(shè)置任意形狀、半徑不小于20 m的預(yù)警虛擬墻，同時設(shè)定自動巡檢預(yù)警時間段，建立預(yù)警規(guī)則。

當(dāng)系統(tǒng)運行在自動巡檢模式下，雷達(dá)、視頻聯(lián)動模塊基于目標(biāo)運動要素，利用RSTR可疑目標(biāo)智能識別程序，判定活動目標(biāo)是否跨越虛擬墻活動。如判定結(jié)果為真，雷達(dá)預(yù)警主機發(fā)送報警信息，同時聯(lián)動攝像機云臺[4]對活動進行自動跟蹤操作，監(jiān)控中心大屏幕雷達(dá)畫面顯示、記錄活動目標(biāo)運行軌跡，視頻畫面顯示可疑目標(biāo)實時圖像，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，提醒工作人員及時處理確認(rèn)可疑目標(biāo)，直到目標(biāo)消失或由工作人員取消跟蹤動作，警報解除，轉(zhuǎn)入自動預(yù)警。

（2）多元數(shù)據(jù)融合，生產(chǎn)管理輔助視頻監(jiān)控。雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)采用多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將地理信息系統(tǒng)[5]與雷達(dá)數(shù)據(jù)系統(tǒng)融合，集成視頻綜合管理、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)地形圖上鼠標(biāo)點選哪里視頻監(jiān)控看哪里，不需要手動定位視頻云臺位置。

系統(tǒng)白晝使用長焦透霧攝像機進行監(jiān)控，針對監(jiān)控畫面中同時出現(xiàn)的近、中、遠(yuǎn)景目標(biāo)，進一步優(yōu)化自動光圈數(shù)字聚焦技術(shù)，對于煙塵和大霧天氣，配套專業(yè)的透霧鏡頭提高了在長焦視界的清晰程度，使其白晝監(jiān)控半徑達(dá)到了6 km。監(jiān)控員通過鏡頭自動變焦可以清晰地觀察到油井生產(chǎn)狀況，當(dāng)井上有工人施工時，該系統(tǒng)錄像還可作為安全生產(chǎn)管理憑證使用。

系統(tǒng)夜晚監(jiān)控使用紅外熱像儀，熱像儀紅外線波長較長，在傳播時受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，實現(xiàn)準(zhǔn)確聚焦。根據(jù)油田特殊環(huán)境狀況，優(yōu)化了濾波片配置，在環(huán)境微光或完全無光條件下呈現(xiàn)清晰的熱圖像，夜間監(jiān)控半徑可達(dá)3 km。利用這一特點，對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的油田生產(chǎn)運行狀況輔助觀察。

（3）視頻監(jiān)控輔助分析預(yù)警。在紅外雷達(dá)干擾較大的場合，通過視頻監(jiān)控主機對防區(qū)雷達(dá)探掃盲區(qū)設(shè)定自動巡檢，應(yīng)用實時背景消減法原理，基于MapX對象，使用安全數(shù)組（SAFEARRAY）技術(shù)構(gòu)建目標(biāo)自動分析程序代碼。將采集到的當(dāng)前幀數(shù)據(jù)與背景幀數(shù)據(jù)相減，用閾值參數(shù)對比判斷，得到圖像中偏離背景模型值較大的點，從而完整地分割出監(jiān)控畫面的活動目標(biāo)（大于50像素點大小，表面積≥1 m2）。視頻監(jiān)控系統(tǒng)將該目標(biāo)運動要素反向映射至雷達(dá)地理信息系統(tǒng)進行繪圖，啟動可疑目標(biāo)智能識別程序檢測動目標(biāo)是否侵入虛擬墻，如判定結(jié)果為真，監(jiān)控中心聲光報警，畫面自動切換到事發(fā)現(xiàn)場，提醒工作人員及早發(fā)現(xiàn)，采取相應(yīng)措施。

（4）相鄰區(qū)域系統(tǒng)組網(wǎng)[6]，聯(lián)合定位跟蹤。系統(tǒng)發(fā)生報警動作時，當(dāng)設(shè)定區(qū)域定位追蹤的目標(biāo)超出該區(qū)域雷達(dá)監(jiān)控范圍進入到相鄰區(qū)域時，相鄰區(qū)域的雷達(dá)可自動從上一區(qū)域雷達(dá)設(shè)備中接轉(zhuǎn)目標(biāo)運動要素，繼續(xù)定位，實現(xiàn)跨區(qū)域聯(lián)合定位追蹤。

3 應(yīng)用效果

A、B轉(zhuǎn)油站于2015年3月先后投入運行，統(tǒng)計2014年4月—2019年12月盜油次數(shù)和盜油量，結(jié)果如表3所示。2015年上述區(qū)域盜油次數(shù)同比下降90.5%，被盜原油數(shù)量下降95.9%；2016年至今上述區(qū)域盜油次數(shù)同比下降97.2%，被盜原油數(shù)量下降99.3%，年均減少盜油量約2 100 t，年均挽回盜油造成的各類經(jīng)濟損失約630萬元。2016年以來，警企聯(lián)動成功破獲涉油案件21起，阻止事中案件[7]50余起，為公安機關(guān)固定證據(jù)提供破案線索100余條，其中現(xiàn)場抓獲違法犯罪嫌疑人57人，截獲各種盜油車輛63臺，收繳被盜原油400 t以上，收繳電纜線1 000 m，變壓器2臺，有效管控生態(tài)安全事件2起。

表3 雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)運行前后油田發(fā)案及損失統(tǒng)計Tab.3 Statistics of oilfield incident rate and economic loss before and after the application of radar early warning system

相關(guān)案例如下：

（1）破獲“7.3”盜油案。2016年7月3日1時57分，C廠監(jiān)控中心雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)報警，監(jiān)控員通過光電紅外畫面?zhèn)蓽y到某油井周圍停放2臺車輛，有4人在井口實施盜油。轄區(qū)公安機關(guān)根據(jù)監(jiān)控中心提供的視頻信息，結(jié)合具體案情分析犯罪分子可能的途徑路線、活動區(qū)域，進行對比，于7月5日，保衛(wèi)大隊聯(lián)合公安機關(guān)在異地陸續(xù)將3臺盜油車輛抓獲。

（2）偵破“9.18”竊電案。2016年9月18日19時22分，廠監(jiān)控中心雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報，光電紅外畫面顯示井口有盜電嫌疑人。立即指令前線保衛(wèi)隊趕赴現(xiàn)場，現(xiàn)場收繳變壓器1臺、電纜電線300余延長米。屬地公安機關(guān)根據(jù)廠監(jiān)控中心提取的現(xiàn)場錄像，對竊電嫌疑人進行了治安處罰。

（3）生態(tài)管控。2016年6月1日07時25分，廠監(jiān)控中心監(jiān)控員在巡查重點區(qū)域油田生產(chǎn)油水井時，光電系統(tǒng)[8]傳輸畫面上發(fā)現(xiàn)一口水井正在大面積跑冒，監(jiān)控員將情況通報給生產(chǎn)單位現(xiàn)場處理。由于及時將水井閘門更換，有效避免了該水井周邊大片農(nóng)田被淹事件的發(fā)生。

4 推廣應(yīng)用

系統(tǒng)投入使用后，A轉(zhuǎn)油站和B轉(zhuǎn)油站基本杜絕了盜油案件的發(fā)生，收到了較好的社會效益，油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)適用于生產(chǎn)區(qū)大范圍防侵入預(yù)警，對于位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境敏感、地勢平坦、盜油現(xiàn)象較為嚴(yán)重的油區(qū)效果較好。

基于油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)良好的使用效果，2015年7月，編制C廠雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)總體實施方案，如表4所示。依據(jù)方案，覆蓋全廠主力區(qū)塊共需建設(shè)9套雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，先期安排5座站點的雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，后期逐年安排4座站點雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。截至目前已完成7套，剩余2套年底完成施工。

表4 雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃匯總Tab.4 Summary of radar warning system construction and planning

S采油廠于2019年10月安裝6套油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，W采油廠于2019年12月安裝2套油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)。截至目前，正在實施的有A采油廠2套、B采油廠6套、Q采油廠5套、J采油廠12套，共計25套。上述采油廠同類項目實施完成后，將有效降低油田盜油發(fā)案率，進一步降低生產(chǎn)運行成本[9]。

5 結(jié)束語

油田安防雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)適用于生產(chǎn)區(qū)大范圍防侵入預(yù)警，對于位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境敏感、地?zé)崞教?、盜油現(xiàn)象較為嚴(yán)重?zé)o視頻監(jiān)控的油區(qū)效果較好。下一步將結(jié)合數(shù)字化油田建設(shè)，從停機井自動巡檢、遠(yuǎn)程啟停機輔助、站場周界報警、單兵遇險報警、作業(yè)車輛跟蹤方面拓展雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)功能維度，為數(shù)字油田建設(shè)奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。