楊金麗　何驍勇　張碧霄

摘 要 根據(jù)海上平臺少人化及無人化平臺安全管理新要求，設(shè)計(jì)一種多維一體化智能安防系統(tǒng)。系統(tǒng)基于智能視頻分析識別算法、人員定位算法、聯(lián)動預(yù)警及集成算法，并應(yīng)用不同的監(jiān)測前端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)平臺生產(chǎn)安全監(jiān)控、人員及船舶入侵識別、人員定位、預(yù)警告警等功能。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海上平臺異常事件、潛在風(fēng)險主動預(yù)警，解決了海上油氣田傳統(tǒng)安全管理模式效率低、數(shù)據(jù)分析困難等問題，極大地提高了安全管理水平。

關(guān)鍵詞 智能安防 智能視頻分析 人員定位 聯(lián)動與集成

中圖分類號 TP277? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）05-0713-07

海上平臺油氣生產(chǎn)是一項(xiàng)高風(fēng)險、高強(qiáng)度作業(yè)，其特點(diǎn)是油氣生產(chǎn)設(shè)備分布密集緊湊，風(fēng)險隱蔽性高；生產(chǎn)作業(yè)頻繁并遠(yuǎn)離陸地，發(fā)生安全風(fēng)險時救援困難；海上作業(yè)，存在船舶碰撞風(fēng)險等。特別是渤海海域航道較多，距離海上平臺較近，同時漁民活動頻繁，存在非工作人員登臨平臺釣魚現(xiàn)象，對海上油氣生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生潛在安全威脅。

傳統(tǒng)的海上油氣田安防管理系統(tǒng)主要依賴于視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）及廣播報警系統(tǒng)，主要是根據(jù)視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行人工監(jiān)控并判斷平臺內(nèi)部是否有安全隱患、違章作業(yè)及人員入侵等［1］。AIS則通過標(biāo)定平臺坐標(biāo)讓周圍船舶識別，并監(jiān)測平臺周邊船舶航行軌跡進(jìn)行船舶的監(jiān)測。此系統(tǒng)需要大量依賴人工判斷，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。在海上平臺少人化、無人化的趨勢下，智能平臺建設(shè)勢在必行，傳統(tǒng)安防系統(tǒng)已不適用于高度智能發(fā)展的海上油氣田［2］。因此，根據(jù)海上油氣作業(yè)風(fēng)險特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一套多維一體化智能安防系統(tǒng)，通過視頻智能識別分析平臺內(nèi)部及周邊風(fēng)險并聯(lián)動預(yù)警，從而構(gòu)建完善可靠的智能安防系統(tǒng)，完成平臺安全管理模式的快速轉(zhuǎn)變。

1 項(xiàng)目概況及總體設(shè)計(jì)方案

中國渤海某海上油田新建一座有人8腿中心平臺A（CEPA），一座無人井口平臺B（WHPB）。中心平臺設(shè)置油氣分離、濕氣增壓/脫水、氣體回注等設(shè)施，井口平臺B全液輸送至中心平臺處理。中心平臺和井口平臺供電依托山東岸電系統(tǒng)，井口平臺與中心平臺之間通過海底復(fù)合電（光）纜進(jìn)行通信。兩平臺相對位置及物流關(guān)系如圖1所示。

中心平臺與無人井口平臺安全管理除常規(guī)的生產(chǎn)安全監(jiān)控外，對智能分析提出了更高的要求，主要分為3個方面需求：

a. 在人員安全方面，目前絕大部分海上平臺未配置相應(yīng)的智能化設(shè)備進(jìn)行人員管理的提升。此項(xiàng)目對人員安全有了更高的要求，需要能夠滿足實(shí)時定位平臺人員位置，實(shí)時發(fā)布危險預(yù)警，發(fā)生危險時聯(lián)動視頻監(jiān)控進(jìn)行人員追蹤等要求。

b. 在生產(chǎn)安全方面，除常規(guī)視頻監(jiān)控外，需要對人員非法入侵、人員不合規(guī)行為進(jìn)行識別分析，并能實(shí)現(xiàn)火氣聯(lián)動，進(jìn)行自動分析及預(yù)警。

c. CEPA與WHPB平臺距離最近的航路約1海里，附近航行船舶較多，此項(xiàng)目需要將常規(guī)AIS船舶識別監(jiān)測與視頻監(jiān)控結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船舶識別、AIS預(yù)警并聯(lián)動VHF-FM進(jìn)行語音警告。

根據(jù)項(xiàng)目安全管理需求，設(shè)計(jì)一套基于視頻監(jiān)控、人員定位及AIS預(yù)警模塊的多維一體化智能安防系統(tǒng)，構(gòu)建智能安防管理平臺。根據(jù)功能分為三大功能模塊：人員安全管理模塊、生產(chǎn)安全監(jiān)控模塊和船舶安全監(jiān)管模塊，如圖2所示。

此方案從人員安全、生產(chǎn)安全和船舶安全3個維度解決海上油氣田安全風(fēng)險識別、分析、預(yù)警及事件原因追蹤等一系列問題，并通過智能分析和聯(lián)動報警，極大地提高了系統(tǒng)的智能化監(jiān)控水平，為油田安全生產(chǎn)管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化及應(yīng)急響應(yīng)管理等提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2 智能視頻分析

智能視頻分析是智能安防的核心技術(shù)，它利用視頻分析服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對視頻畫面中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有用信息提取、特征分析、智能識別，為平臺人員提供有用的關(guān)鍵信息［3］。本項(xiàng)目智能視頻分析主要設(shè)計(jì)三大功能：視頻周界入侵識別（人臉識別、虛擬周界）、船舶識別、人員行為管理（工帽識別、危險行為識別）。

2.1 硬件配置

根據(jù)海上油氣田生產(chǎn)安全需求，智能前端硬件設(shè)備主要是在生產(chǎn)區(qū)配備高清防爆攝像頭；在導(dǎo)管架登臨處及直升機(jī)甲板附近設(shè)置高清紅外攝像頭和自帶功放的揚(yáng)聲器；在平臺面向航道方向設(shè)置紅外熱成像雙光譜攝像機(jī)；在后臺設(shè)置視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、視頻分析服務(wù)器、存儲單元、顯示大屏等硬件設(shè)備。

2.2 視頻周界入侵識別

視頻周界入侵識別是基于視頻流的智能圖像識別和虛擬周界，利用深度學(xué)習(xí)與模式識別技術(shù)，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)劃定虛擬邊界并監(jiān)測是否有人員闖入［4］。平臺內(nèi)部入侵識別主要是指識別非工作人員登臨平臺，將海上油氣田平臺作業(yè)人員的面部信息錄入人臉樣本庫，形成員工白名單。當(dāng)有人闖入禁入?yún)^(qū)域，通過紅外攝像頭攝像取證，將視頻圖像傳到視頻分析服務(wù)器與樣本庫進(jìn)行面部比對識別，當(dāng)識別為陌生人入侵時，自動啟動揚(yáng)聲器及聲光報警燈進(jìn)行人員驅(qū)離和報警［5］。視頻周界入侵識別系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

視頻周界入侵識別主要功能如下：

a. 人臉識別與目標(biāo)監(jiān)測。系統(tǒng)可以自動識別出拍攝區(qū)域內(nèi)的人員，并進(jìn)行身份識別。

b. 越界行為監(jiān)測?？稍谝曨l監(jiān)控后臺劃定虛擬邊界，若存在越界行為，則報警。

c. 報警及取證。如發(fā)現(xiàn)越界行為，可進(jìn)行語音報警驅(qū)離，并自動拍攝非法入侵影像，進(jìn)行取證。

d. 全過程智能分析。智能視頻全自動分析，無需人為操作。

視頻周界入侵識別可以對監(jiān)控區(qū)域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警、事中示警、事后取證的全過程安全監(jiān)控，并及時對入侵風(fēng)險因素進(jìn)行安全預(yù)警處理，大幅提升平臺防范安全等級，將安防從被動監(jiān)控轉(zhuǎn)變成為主動監(jiān)管。

2.3 船舶識別

平臺主要針對附近5 km內(nèi)的船舶進(jìn)行識別。由于海上環(huán)境復(fù)雜，易多霧、雨、雪，夜晚情況下普通高清攝像機(jī)對遠(yuǎn)距離船舶的識別并不適用。在本項(xiàng)目中采用紅外熱成像技術(shù)，利用船舶和海洋之間的溫度差或輻射差異形成的熱紅外輻射特征圖像來發(fā)現(xiàn)和識別船舶［6］。紅外熱成像的兩大基礎(chǔ)功能是測溫與夜視，由于紅外線的波長較長，穿透雨、霧的能力較強(qiáng)，熱成像技術(shù)無需外部照明，且探測距離更遠(yuǎn)。只要目標(biāo)物與其背景之間存在細(xì)微的溫差，觀測者即可通過熱像儀發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其識別原理如圖4所示。

為了進(jìn)一步提升識別精度，本項(xiàng)目采用紅外熱成像雙光譜攝像機(jī)，它同時具備高清攝像機(jī)功能，可作為紅外熱成像攝像機(jī)的有效補(bǔ)充［7］，實(shí)現(xiàn)平臺對周邊船舶24 h全天候視頻監(jiān)控與識別，且對船舶識別距離可達(dá)5 km，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)控手段的不足。通過遠(yuǎn)距離船舶的識別和越界行為分析等智能應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)從“事后控制”向“事前預(yù)防”轉(zhuǎn)變。

2.4 視頻行為分析

安全生產(chǎn)一直是海上油氣生產(chǎn)的首要注意事項(xiàng)。只有保障現(xiàn)場人員的安全，才能保障油氣田的利益。戴頭盔、高空作業(yè)等行為將成為人員施工的安全注意事項(xiàng)，通過視頻行為分析，可實(shí)現(xiàn)對作業(yè)行為的合規(guī)性監(jiān)督，對于不合規(guī)行為，及時發(fā)出告警，從而提高海上油氣田生產(chǎn)安全管理水平。視頻行為分析技術(shù)是利用智能視頻分析算法對人員行為進(jìn)行識別分析，包括多個人工智能視頻識別功能，如安全帽識別、高空作業(yè)識別、人員倒地識別等，并對相關(guān)行為進(jìn)行預(yù)警告警。視頻行為分析流程如圖5所示。

安全帽識別技術(shù)主要功能如下：

a. 人體檢測及定位。通過對背景建模，分離出運(yùn)動前景，在前景提取人體特征并定位人體區(qū)域。

b. 頭部區(qū)域定位。從人體檢測上獲取頭部信息，將頭部區(qū)域?qū)挾群透叨榷x為人體寬度的1/3［8］。

c. 安全帽監(jiān)測及分析。將提取頭部特征矢量進(jìn)行智能分析，識別判斷是否佩戴安全帽，從而進(jìn)行警告。

高空作業(yè)和人員倒地識別技術(shù)主要功能如下：

a. 運(yùn)動物體檢測、定位及跟蹤。背景靜態(tài)圖像處理、運(yùn)動檢測、定位及分析。

b. 視頻行為識別與報警。利用運(yùn)動檢測進(jìn)行分析，根據(jù)目標(biāo)出現(xiàn)的時間、位置、高度等因素進(jìn)行綜合判斷，實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)/倒地等異常行為識別及報警。

各智能視頻分析算子封裝于視頻分析服務(wù)器中，通過建立模式識別樣本庫，不斷進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)及算法優(yōu)化來降低誤報率，從而提高平臺安全管理精準(zhǔn)度。智能視頻分析技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，通過主動的信息獲取、比對、分析、預(yù)警，將監(jiān)控變被動為主動，極大地提高了平臺安全管理效率。

3 人員定位

海上油氣田事故主要由人的不安全行為、物的不穩(wěn)定狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素和管理的不到位4方面造成，傳統(tǒng)人管人的監(jiān)管方式效率較低，且容易出現(xiàn)管控盲區(qū)，使得安全監(jiān)管壓力逐漸增大。通過綜合運(yùn)用高精度定位技術(shù)、三維可視化技術(shù)、視頻聯(lián)動等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全自動、全區(qū)域、全天候、全目標(biāo)覆蓋的主動式人員安全控制模式。

根據(jù)平臺特點(diǎn)定制化設(shè)計(jì)人員定位系統(tǒng)，采用超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)定位，UWB是一種無線載波通信技術(shù)，采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)［9］。超寬帶定位技術(shù)精度可達(dá)到靜態(tài)0.3 m，主要由定位基站（信標(biāo)）、標(biāo)簽、綜合網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器（解算引擎）4部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

將平臺生產(chǎn)區(qū)設(shè)計(jì)為高精度定位區(qū)域，布署定位基站（信標(biāo)），并放置綜合網(wǎng)關(guān)（交換機(jī)）。員工佩戴定位標(biāo)簽（胸卡標(biāo)簽和腕帶標(biāo)簽）。信標(biāo)持續(xù)播發(fā)信號，標(biāo)簽接收到信號后將所在物理位置的相對坐標(biāo)傳輸至綜合網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器（解算引擎），并在用戶端將人員實(shí)時位置、人員軌跡等信息呈現(xiàn)在平臺三維模型上。在緊急情況或特殊作業(yè)工況下，可與視頻聯(lián)動進(jìn)行人員實(shí)時視頻跟蹤，實(shí)現(xiàn)平臺內(nèi)部人員的精確位置管理，同時此系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)人員危險預(yù)警、智能調(diào)配與高效協(xié)同，可大幅提升人員精細(xì)化管理水平。

4 AIS船舶預(yù)警

因平臺位置處于航道附近，為了有效監(jiān)測船舶，預(yù)測潛在風(fēng)險，本項(xiàng)目在AIS基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套AIS船舶預(yù)警系統(tǒng)。AIS由VHF天線、北斗天線、傳輸控制單元、監(jiān)控顯示單元及局域網(wǎng)接口等組成，其主要功能包括船舶自動識別和信息交流、幫助跟蹤目標(biāo)、簡化和促進(jìn)信息交換、提供其他輔助信息以免發(fā)生碰撞等［10］。AIS預(yù)警系統(tǒng)在AIS基礎(chǔ)上以電子海圖為核心，AIS為數(shù)據(jù)源，疊加中國海油作業(yè)特色位置信息，對指定區(qū)域內(nèi)海底管線及船舶進(jìn)行實(shí)時、主動動態(tài)監(jiān)控。

在AIS預(yù)警系統(tǒng)中，距離平臺中心5～10 km范圍區(qū)域設(shè)定為通航控制區(qū)；距離平臺中心5 km范圍內(nèi)區(qū)域設(shè)定為應(yīng)急響應(yīng)區(qū)，如圖7所示。通過船舶位置數(shù)據(jù)信息，電子海圖及預(yù)警區(qū)域等實(shí)現(xiàn)平臺與船舶的避碰、以及船舶與管線之間避碰。同時以熱成像雙光譜攝像機(jī)作為輔助，對靠近平臺的船舶、未配備AIS設(shè)備的游艇等進(jìn)行視頻捕捉和識別。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到有船舶進(jìn)入距離平臺中心10 km的通航控制區(qū)時，自動觸發(fā)VHF-FM無線電臺，向來船發(fā)出語音預(yù)警，提示來船平臺位置使其提前進(jìn)行避讓。當(dāng)預(yù)判來船航行軌跡與平臺存在碰撞風(fēng)險時，守護(hù)船/平臺則繼續(xù)通過VHF無線電臺聯(lián)系來船，督促其采取妥善避讓措施，安全通過平臺附近水域。當(dāng)來船行駛至距離平臺中心5 km應(yīng)急響應(yīng)區(qū)時，則聯(lián)動熱成像雙光譜攝像機(jī)對船舶型號識別、實(shí)時監(jiān)測船舶狀態(tài)并視頻取證，同時啟動聲音驅(qū)離系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)聲報警驅(qū)離。平臺人員結(jié)合AIS監(jiān)測信息做出應(yīng)急反應(yīng)并根據(jù)安全管理規(guī)定采取相應(yīng)的應(yīng)急措施以應(yīng)對潛在碰撞風(fēng)險。

5 聯(lián)動及集成

智能視頻分析與聯(lián)動報警是提升智能安防管理效率的核心技術(shù)。智能安防系統(tǒng)將視頻監(jiān)控、人員定位、AIS預(yù)警及廣播告警等系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)集成開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動，從而提升整個安防系統(tǒng)的管理效率。將各監(jiān)測、報警信號匯聚至安防管理服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析。并將各數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而觸發(fā)相應(yīng)視頻彈窗、廣播告警、聲光警示等聯(lián)動反應(yīng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

智能安防系統(tǒng)主要涉及四方面聯(lián)動：火氣與視頻聯(lián)動、AIS預(yù)警與視頻聯(lián)動、人員定位與視頻系統(tǒng)聯(lián)動、視頻監(jiān)控與廣播告警系統(tǒng)聯(lián)動?；饸庀到y(tǒng)、AIS預(yù)警系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)將預(yù)警或報警信號協(xié)議轉(zhuǎn)換后傳輸至智能安防管理服務(wù)器聯(lián)動模塊與相應(yīng)區(qū)域的攝像機(jī)IP地址進(jìn)行軟對應(yīng)。各系統(tǒng)在觸發(fā)現(xiàn)場報警的同時，通過聯(lián)動報警模塊判別出報警區(qū)域，自動彈出相應(yīng)區(qū)域攝像機(jī)，對準(zhǔn)現(xiàn)場位置，確?；鹎?、人員及船舶潛在風(fēng)險的第一時間確認(rèn)信息，從而采取正確的安防措施進(jìn)行下一步救援或防護(hù)工作，及時制止安全風(fēng)險事件的發(fā)生。智能安防系統(tǒng)通過智能視頻分析確認(rèn)危險動作后，在自動彈出監(jiān)控畫面的同時，聯(lián)動廣播告警系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域廣播，提醒工作人員第一時間處理警情。

集成及聯(lián)動設(shè)計(jì)將探測的工作前置，采用智能分析功能將被動式探測變?yōu)橹鲃邮筋A(yù)警，從傳統(tǒng)依靠人力安全管理實(shí)現(xiàn)向智能化管理轉(zhuǎn)變。通過各系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動，實(shí)時掌握平臺安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控報警、自主取證，極大地提升了海上油氣田智能化管理水平，并大幅節(jié)省了海上平臺人力、物力。

6 結(jié)束語

通過對視頻智能分析、人員定位及聯(lián)動預(yù)警等技術(shù)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)一種適合海上油田群的多維度、多方位、管理高效的監(jiān)控、預(yù)警一體化智能安防系統(tǒng)。通過視頻周界入侵、行為分析、人員定位及船舶識別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海上平臺安全防護(hù)合規(guī)性監(jiān)督，實(shí)時監(jiān)測不合規(guī)行為，及時發(fā)出報警。同時各監(jiān)測系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播告警系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險因素第一時間確認(rèn)，及時采取安全措施?，F(xiàn)場作業(yè)反饋，此系統(tǒng)極大地提高了平臺安全管理水平與效率，將平臺潛在風(fēng)險降至最低，對海上油氣田生產(chǎn)安全管理、海上平臺少人化、無人化建設(shè)都具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-09）

Application Study of Multi-dimensional Integrated Intelligent Security System on Offshore Platform

YANG Jin-li， HE Xiao-yong， ZHANG Bi-xiao

（CNOOC Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract? ?Considering? new requirements of undermanned or? unmanned security management of the offshore platforms， a multi-dimensional integrated intelligent security system was designed. In which， having both intelligent video analysis and identification algorithm， personnel positioning algorithm， response warning and integration algorithm based and different monitoring front-end equipment adopted to achieve production safety monitoring， personnel and ship intrusion identification， personnel positioning， early warning and alarm functions. The system can realize the active early warning of abnormal events and potential risks of the offshore platforms， including solving low efficiency and difficult data analysis of traditional safety management mode so as to greatly improve the level of safety management.

Key words? ?intelligent security， video analysis， personnel location， linkage and integration

作者簡介：楊金麗（1984-），高級工程師，從事海上平臺通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)監(jiān)測及智能化設(shè)計(jì)工作，yangjl4@cnooc.com.cn。

引用本文：楊金麗，何驍勇，張碧霄.多維一體化智能安防系統(tǒng)在海上平臺的應(yīng)用研究［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：713-719.