石化企业防爆视频监控系统设计与实现

朱品强

(华荣科技股份有限公司，上海 201808)

0 引言

石化企业作为国民经济中的重要产业，其生产安全一直是社会关注的问题。安全生产是决定石化企业能否顺利发展的关键。随着科技的高速发展，如何充分、有效地利用视频监控等高技术手段，做好生产场所的监管和控制，已成为石化企业安全生产的重点。

纵观视频监控市场，正整体向着高清化和智能化的方向发展。视频监控先后经历了模拟监控时代、数字监控时代和IP网络监控时代，正逐渐向高清智能监控时代过渡。石化企业的生产场所具有其特殊性，如何结合视频监控新技术(如智能分析技术)的发展，为石化企业设计提供安全可靠产品和完善的方案，已成为摆在防爆企业案头的重要议题。

本文从视频监控系统方案制订选择、防爆前端设备选择、中间及后端设备选择等方面进行分析描述，为石化企业视频监控系统的实施、完善、提升提供重要依据。

1 视频监控方案

石化企业生产场所多为爆炸危险区域[1]，其涉及的设备安装、布线、维修、系统接地、避雷、供电都有严格规定，视频监控系统的存储方案、显示方案及存储方案也至关重要。

视频监控方案的选择，除了要兼顾安全性、先进性、可靠性、可扩展性、规范性、兼容性外，还要考虑以下问题。

1.1 现场的设备安装设计

设计原则：在满足使用要求的情况下，尽量考虑设备的后期维护保养。防爆摄像仪产品需要定期保养清洁，以保证图像的清晰度。所以设备在安装设计时，要将安装位置设计在易于维修保养的位置。

1.2 设备的布线设计

石化场所大部分视频监控设备在布线时，要尽可能利用现有地沟和桥架。利用现有桥架和地沟的时候，如果是模拟视频电缆，要避免和强电电缆、桥架布线所产生的干扰；桥架到设备一般采用钢管布线的方式。钢管布线要按照GB 50058要求[1]，做好隔离密封。有些布线难度特别大的点位也可以考虑无线的方式。现阶段无线传输方案稳定性较差，4G方式流量费用较贵，点对点网桥方式信号受天气影响较大，阴雨天气信号较差，影响监控效果。

1.3 系统的接地设计

危险场所的接地在标准中有特殊要求，视频监控系统的接地设计要注意以下几点。

①前端设备(不含辅助照明装置)供电应合理配置，宜采用集中供电方式。

②爆炸危险场所的电源应采用3相5线制，即零线和地线分开。如果是3相4线制，则应在安全场所首先转化为3相5线制，然后引到爆炸危险场所供电使用。

③处于爆炸危险场所的电气设备外壳应与接地系统可靠连接，接地电阻不大于10 Ω。

④设备的内接地端子应与电缆中专门配置的地线相连，不能用输送可燃气体或液体的管道作为接地线。

1.4 系统的防雷设计

在危险环境中的设备防雷主要是指前端防爆设备的防雷。对于非危险区域的控制设备防雷，应按照电视系统控制机房的防雷方法执行。

在中华人民共和国国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057[2]中，关于第一类防雷建筑的定义为：“凡制造、使用或贮存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者；具有0区或1区爆炸危险环境[3]的建筑物；具有1区爆炸危险环境的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。”

视频监控系统的前端设备(如防爆一体式摄像仪)的防雷是将其置于接闪器(避雷针或其他接闪导体)有效保护范围之内。如摄像机独立架设时，避雷针距摄像机距离不超过4 m。如有困难，避雷针也可以架设在摄像机的支撑杆上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，沿杆引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。

为防止感应雷通过电源电缆或数据电缆对终端系统设备造成破坏，保证整个系统的长期稳定运行，对各前端点位加强防雷措施是非常必要的。由于系统涉及大量的摄像机等设备，且大多安装在室外，为避免不必要的损失、减小后期的维护压力，必须采取完善的防雷措施。对电源线加装单项电源保护器，避雷器的通流量Imax≥10 kA，电压保护水平为1.5 kV。

2 视频监控系统设备

危险场所前端设备需要满足对应的防爆要求，视频监控系统设备常规分为前端设备、中间传输设备、显示控制设备和存储设备，系统结构如图1所示。视频监控系统产品主要根据使用功能和系统架构进行选择。

图1 系统结构图

2.1 防爆监控前端设备的选择

选择防爆监控前端设备时，首先需要根据安装位置、危险场所划分等，确定前端设备的防爆参数、防爆等级、温度等级、防护等级、防腐等级等；其次，需要根据安装位置及监视目标的大小、清晰度、现场照度条件等，确定摄像机的参数[4]。摄像机的参数主要有：像素、镜头焦距大小、最低照度、信噪比、图像压缩格式等。

目前，摄像机主流像素为1 080 P，即200万像素为常规配置，400万像素应用逐渐增多。照度方面，星光级摄像机开始流行。星光级摄像机可以在夜间利用微弱路灯或者星光，呈现较为清晰的图像。压缩格式方面，H.265压缩格式逐渐成为主流，可以大幅度节省存储空间，减轻网络带宽负荷，改善网络环境。

选择视频监控系统前端摄像机时，还要根据安装位置及要实现的功能确定防爆摄像前端的种类。常规防爆摄像前端分为防爆摄像仪(枪式)、防爆球形摄像仪和防爆一体式摄像仪(云台摄像仪)，特殊应用摄像仪包括高温内窥式摄像系统、防爆热像仪(测温型)、防爆火焰探测摄像仪等[5]。

①防爆摄像仪(枪式)。

适合监控位置固定的监控目标，可正对监控目标安装，配套半固定云台及安装支架使用。半固定云台可通过手动的方式对监控方向进行调整，防爆摄像仪可内置红外灯板，从而达到夜视的需求。需要注意的是，选择时不能将带红外功能的摄像机直接安装在防爆护罩内，这会造成红外开启时，防爆腔的防爆玻璃反光形成光晕，影响监视效果。

②防爆球形摄像仪。

防爆球形摄像仪适用于大范围监控。因为摄像头可进行水平360°、垂直90°旋转(一般是-90°～0°)，并支持对细节进行光学放大，适用于炼化车间、危险品仓库及需要无人值守位置的监视。该产品具有持绊线入侵、区域入侵、徘徊检测、物品搬移、快速移动等多种行为检测功能；支持多种触发规则联动动作、目标过滤、人脸检测、单场景/多场景/全景设置等功能，并可设置预置位、守望位，支持巡航功能。

③防爆一体式摄像仪。

防爆一体式摄像仪具有更大的监控范围，可以实现全方位监控，摄像头可以水平360°连续旋转，垂直180°旋转，具有256组预置位，支持对细节进行光学放大；可设置预置位、守望位，支持巡航功能。产品垂直及水平转动速度在0.1～40 (°)/s可调。

④防爆高温内窥摄像系统。

防爆高温内窥摄像系统产品多用于对化工装置中加热炉内火焰的监控。该高温内窥摄像系统由防爆摄像仪、蓝宝石高温延长镜头、自动回缩保护装置、炉壁安装套件、温度叠加控制器、空气过滤系统和防爆控制箱等部分组成，将防爆摄像仪及高温延长镜头等成套设备固定在炉壁(炉壁开孔)及钢平台上，再经传动装置通过压缩空气将前端防爆摄像仪伸入炉膛内，使摄像仪可以最大化实现全炉膛观测。当压缩空气失压、摄像内腔温度超温、系统停电时，摄像系统将自动缩回，对前端进行保护。

系统搭配检测与分析软件，可以实现前端摄像系统自动回缩保护装置远程控制、分辨率自适应、燃烧器熄火报警、燃烧器熄火联动视频图像报警提示、异常起火视频图像报警提示等功能；支持通过实时网络服务器在工厂网络内传播图像实现多客户在线监控，以及通过客户权限设置，对报警信息、历史查阅、客户端进行集中管理等功能。

⑤防爆红外热像仪(测温型)。

随着红外热像测温技术的发展，防爆红外热像仪产品的使用逐步增多。产品多使用在硫磺仓库、煤棚及粮库的除尘设备、工艺装置的重要部位等，通过超温报警等方式实现对这些区域及装置火灾及高温的管控。防爆红外热像仪前端如图2所示。

图2 防爆红外热像仪前端示意图

在后端设置好保存后，产品报警温度会直接保存在前端BJK-YT/SR防爆双目热像仪中。当热像仪探测到检测区域内有温度超过设定报警温度时，直接形成报警信号驱动BBJ防爆声光报警器报警。其报警信号的发出不依托后端软件平台。

针对防爆监控系统前端设备安装位置环境恶劣、油污较大等特殊情况，结合多年经验，公司主要从以下几个方面入手，提高产品质量稳定性。

①联合知名的安防产品供应商，优势互补，联合打造安全、可靠、高清、智能的防爆前端产品。

②针对使用场所环境恶劣的情况，产品电路板选用工业级电子元件，控制板等可在80 ℃环境下可靠工作；提高防护等级至IP68，在产品内增加温控单元等措施，改善精密部件如滑环的使用环境，以提高产品使用寿命、保证产品精度。

③对防爆摄像仪的透明部件，在外部表面进行硬化处理，以提高表面硬度；内部表面进行防雾镀层，以提高高湿度环境下成像清晰度。

2.2 防爆中间传输设备的选择

防爆视频监控系统如采用双绞线传输，距离应不超过75 m，距离近时可以直接双绞线传输。需要注意的是，普通双绞线不适合室外布线；在室外使用时需要选用专用室外双绞线缆，成本较高；危险场所布线建议采用光缆布线。

①防爆光端机。

采用光缆布线需要增加防爆光端机设备(危险场所)。防爆光端机一般与防爆前端设备安装在一起，内置光纤收发器(发送端)、二合一避雷器及熔断器、熔纤盘等设备及附件；光端机的接收端放置在后端机柜内。

防爆光端机内部接线如图3所示。

图3 防爆光端机内部接线示意图

②交换机。

网络视频监控系统中，交换机的网络交换层级不应超过三级；设备一般采用机柜安装工业网络交换设备，不应采用桌面型网络交换设备。一级交换机(也叫接入级交换机)直接连接网络视频监控系统的前端摄像机，每个接入端口带宽应≥100 MB，一般接入端口不宜超过24个，建议采用具有 2个1 000 MB以太网端口的交换设备作为数据上行端口。二级交换机(也叫汇聚交换机)每个接入端口带宽应≥1 000 MB，具备网络管理功能，支持网络风暴抑制，支持虚拟局域网(virtual local area network,VLAN)划分。三级交换机除满足二级交换机的性能指标外，还应根据系统规模另行专业设计，主要需考虑整个系统的带宽容量及各个端口的带宽。

2.3 后端显示控制设备的选择

显示控制部分又称显控部分。对小系统，可以采用网络硬盘录像机(network video recorder，NVR)+监视器+键盘鼠标的方式实现显控功能，这一方式比较简单。本节主要探讨较大系统显控部分的配置。较大系统显示就是大屏，控制就是解码器或者矩阵。

①显示屏。

显示主要选型有监视器、大屏、小间距LED。监视器因为存在边框，两个接在一起的话，显示部分中间间距很大，适用于一些小机房，或者对显示效果要求较低的机房。大屏(拼接屏)拼接间距小，亮度好，具有超宽视角，用于大机房和监控中心等。小间距LED的显示效果更好，可做到无缝拼接，具有节能、纳秒级别响应时间、亮度对比度高、使用寿命长等优点，并且可制做曲面屏效果，用于机房、会议室、指挥中心等对于显示效果有一定要求的方案。

在选配显示屏前，首先要了解：机房需要多大的屏，电视墙的尺寸，这样才可以根据尺寸，结合屏的尺寸以及安装方式(一般屏体离地面要有1 m间距)，确定做M×N的屏。拼接屏常用46英寸(1英寸=25.4 mm)和55英寸，其具体尺寸分别为1 021.98×576.57×250.07 mm和1 213.50×684.35×250.07 mm。例如一面长5 m、高3 m的墙要做拼接屏电视墙，那么选配46英寸屏：长为1 021.98 mm×4，小于5；高为576.57 mm×3+1,小于3 m。其中，高度要考虑到屏体离地1 m，所选配46英寸为3×4方式，一共12块屏。55英寸屏也是相同算法。

小间距屏幕是由一个个小的LED模组拼接成一个大的屏幕，主要根据墙体大小、墙体承受质量以及需要的间隙距离来选型。

②解码设备。

解码设备分为解码器和矩阵，解码器有1、4、9等多路解码器，矩阵是插板卡式的。一般9块屏以下建议使用解码器，9块屏以上选择矩阵。当然，如果是需要接入电脑或是其他格式的视频源，建议都选矩阵。这具体根据系统要达到的显示效果来确定。

矩阵是新一代电信级别的多屏控制器平台，可代替传统模拟矩阵、解码器等，实现信号切换、拼接显示等功能，支持实时显示完整的地理信息系统(geographic information system,GIS)/全球定位系统(global positioning system,GPS)等专业应用的超高分辨率动态图像信号。 矩阵支持丰富的信号源类型，如VGA/DVI/HDMI/CVBS网络IP等，单板解码能力强，现有设备一般能支持解码500 W/800 W/1 200 W等超高分辨率码流，支持GB/T 28181、General、Onvif、rtsp等多种协议接入。

矩阵的另一个较为实用的功能是在不占用视频输入的情况下，支持在全屏任何位置开出一个或多个虚拟的显示条屏，用于输入所需的文字。虚拟显示屏的位置、大小、颜色、透明度都可以随意调节[6]。

2.4 后端存储设备的选择

①后端存储设备的要求。

石化企业一般要求录像两级存储。第一级存储是录像在各分部单元或车间的存储，一般存储在各视频监控子系统的NVR中。第二级存储是指录像在信息中心(或监控中心)的备份存储，信息中心或监控中心配置带磁盘阵列(redundant arrays of independent drives，RAID)功能的存储设备，对前端摄像头的录像备份存储，存储时间一般为30天。

对于有特殊要求的地区，如北京、天津等地，石化企业的危化品源的录像需要实时上传到公安系统专用监管平台上；同时，公安系统监管平台对录像存储备份，以便相关部门加以监控和管理。

对于专用的存储设备，作为视频监控系统的核心基础设备，至少要满足以下要求：①可靠性高，稳定性强，支持7×24 h不间断工作；②适用于多台主机和存储系统连接,并且确保无单点故障；③可管理性强，管理方式简单，易操作，系统具有自动恢复功能,在断电后能够迅速重新启动；④实现监控中心核心业务的连续可用性、数据保护以及设备级的快速灾难恢复，同时，存储设备选择要满足存储空间的需要。

②存储硬盘的计算。

后端存储设备的选型，首先要知道需要用多少块硬盘，硬盘数量的计算其实就是存储容量的计算。

存储容量的计算，涉及前端摄像机的路数、存储时间、传输码流等参数。影响传输码流的有前端摄像机的分辨率和摄像机及后端存储设备所支持的编码格式[7]等。

存储容量的计算公式如下：

式中：R为存储容量,TB;L为视频路数;M为视频码流，Mbit/s；T为每天存储时间，h/d；D为存储天数，d。

如1台1 080 P分辨率的摄像机。按照存储H.264，30天(1个月)的总容量为：

常规编码类别及存储分辨率和所需存储容量等参数的对照如表1所示。

表1 参数对照表

计算出所有相机需要的存储容量，然后根据存储容量及硬盘大小(3 TB /4 TB/6 TB/8 TB)确定硬盘数量。

3 结束语

防爆视频监控系统作为先进的技防手段，其越来越多地结合智能化应用，已经成为石化企业安全生产的重要保障。本文只是对常规应用方案进行了简单的描述和探讨，针对特殊应用场所还需要进行特殊考量。如在危险场所的显控系统，需要配置BPC系列防爆电脑系统[7](包括BPC-X防爆显示器、BPC-Z防爆主机、BPC-J防爆本安键盘、BPC-S防爆鼠标)，危险场所移动监控显控设备的BPC-IPAD防爆平板计算机、BSJ600防爆移动全网通摄像手电等设备。随着智能化应用的发展，防爆视频监控系统在安全生产中的作用也会越来越重要。