智能监控在冶金行业中的应用

吴建祥

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

随着社会经济的发展和工业化进程的加快，制造业已经站在工业4.0的新时代。冶金行业随着工业4.0的不断发展，生产过程与各种业务管理必然走向高度协同，生产系统整体会更加复杂化，管理也将更为困难，传统的监控模式已经无法满足智能化时代的要求。智能监控系统作为江铜贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）打造智能工厂的重要子项目，结合贵冶实际情况和智能工厂建设的实际需求，经过前期调研、统筹思考后，实施、建设、应用了新的智能监控系统，以期监控与生产、业务管理全过程的高度融合与深度联动。

2 贵冶监控系统前期调研及现状分析

2.1 贵冶监控系统现状

经前期调研和分析，贵冶原有传统监控存在如下问题：

（1）覆盖面不足，盲点盲区较多。监控点不足以支撑全覆盖，围墙沿线、主要道路、危险源、配电室等重要区域存在若干空白。

（2）监控图像质量不高。原有监控普遍采用模拟信号，视野小，像素低，老化严重，大部分监控产品过时，不具备智能化功能，监控作用发挥有限。

（3）监控应用智能化程度低。各车间的生产监控没有形成网络联通，没有前端、后端智能应用，各类监控、检修资源难以整合共享，难以开展生产服务。

（4）监控手段高度依赖监控员责任心。通过监控员对监控平台的实时盯防，手段落后，对人员的责任心要求高，达不到高效的人防及技防相结合的模式。

2.2 国内智能监控系统的发展现状

随着人工智能的发展，智能化成为行业大趋势，智能监控也从“看得广、看得远、看得清”的基本需求，逐渐向“看得懂、算得清、盯得住” 的高级视频智能分析功能升级。提高视频监控系统的智能水平和效率，降低监控系统的成本，同时能够使视频资源发挥更大的作用，成为行业发展的必然选项。

根据中商产业研究院数据库数据，2012年以来，我国的智能视频监控市场经历了持续强劲的发展，速度超过全球其他地区，2012-2017年我国视频监控行业增长率均保持在15%以上（图1）。2018年，我国视频监控市场规模突破2000亿元。

图1 中国视频监控市场规模增长趋势图

智能监控行业的快速发展，极速地加快了监控产业的分工细化。呈现出三大特点：一是随着芯片技术的持续发展，嵌入式系统运算能力和智能视频分析算法的改进显著进步，在视频服务器和网络摄像机等前端设备嵌入视频分析模块已经成为智能监控发展趋势。二是智能分析技术已经实现了代替人力分析，以 诊断类智能分析、 识别类智能分析、行为类智能分析为主的智能分析甚至超过了人力分析，并在智能交通、安防、公安刑侦、电力、金融等11个大行业广泛运用。三是智能视频监控设备推陈出新的力度更大，为智能视频监控的大模应用提供了更充分的硬件环境。

3 贵冶智能监控系统建设思路

在目标定位上，通过建设全厂监控系统“一张网”，实现前端视频全自动、全天候实时覆盖全区域，后端服务器即时智能分析、快速定位事件现场、准确判断异常情况，按照“分级、分职授权”的原则，及时把异常情况上传到厂领导、职能部门及相关车间以供决策，为智能制造提供“实时监控、超限报警、智能分析、决策千里”的支撑，在加强及规范管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、指导安全生产、提供决策参考、加强外界联系等方面发挥重要作用。

在设计思路上，以“经济实用、适当超前”为原则，坚持“高起点布局、高密度聚合、高效能运转”为导向，以满足“生产管控、过程管理、治安防范、综合治理”需求为前提，在原有可视化监控的基础上，运用各种新兴的现代化视频监控技术和智能视频分析技术，通过保留、调整、新增监控点位，建设 “环保、消防、交通、安防、管理、指挥”六大智能应用平台，分期实现视频探头由模拟标清逐步向数字高清，硬件系统由分散零乱向集约高端，综合运用由信息孤岛向联运高效，管理方式由事后追溯向全程把控的“四大转变”。

在系统布局上，遵从网格化管理理念对监控点位合理布局，依据责任区域、区域面积、区域结构、监控密度和单位分布等要素，按照“圈、块、格、点”的基本框架，即以厂区围墙外圈形成相对闭合的圈，监控进出厂区和边界的人、车、物。圈内按各单位区域划分形成相对独立的块，块与块之间通过公共监控点位形成无缝连接。块内依据目标功能分成网格，格内依照车间需求布点，最大程度地减少监控死角和盲区。

在平台应用上，建立厂部综合监控管理中心，统一数据库、统一管理界面、统一授权、统一管理各类业务流程，整合各类不同来源、不同格式的图像资源，实现各类视频信息整合和管理，最大限度实现跨区域、跨部门的视频监控资源共享和互联互通互控，通过网络、手机APP向厂领导和相关职能部门、车间直供，辅助决策和业务流程优化。

4 贵冶智能监控系统架构应用分析

贵冶监控系统采用“全面集成、综合管理、业务优化”的理念，总体架构由前端摄像头、主干传输网络、后台智能数据存储和分析、平台应用四部分组成，系统架构拓扑图如图2。

图2 贵溪冶炼厂智慧厂区系统拓扑图

4.1 前端智能设备需求分析及选择

传统监控仅用于对发生的实时信息进行记录，主要以震慑违章人员和事后取证为主，过分依赖操作人员的责任心，不能对移动目标进行实时监控、行为区分及智能跟踪，稳定性、可靠性不高。

贵冶是全球单厂产量最大的铜冶炼工厂，共有两个铜酸系统，41个职能部门及生产车间，周界围墙长达10km，现场环境复杂，人员结构复杂，管理难度很大。对监控的需求也是多元化，既有治安防范的需求，也有生产管控的需求，还有环境保护的需求，更有规范人员行为的需求。为此，选取适合贵冶现场环境的前端智能设备，监控是否能与生产、业务管理全过程的高度融合与深度联动，是智能监控系统成败的关键因素。为此，首先要考虑智能设备的选型。

贵冶前端设备的选型，首先考虑设备是否具有自动识别、报警和跟踪功能，当现场发生异常报警后，前端设备能联动通知相关方，降低人员的劳动强度，提高监控的可靠性。其次考虑前端设备是否具有智能分析功能，能否对复杂目标进行有效识别、特征提取和跟踪抓拍,解决过度依靠监控人员能力的问题和分析取证的难点。三是考虑前端设备应对复杂场景的能力，主要是看能否在强光、逆光、无光、雨雪雾、弱酸等恶劣环境中依然能准确过滤干扰源，获取清晰的图像，实现全天候的智能监控。四是适当考虑大场景、360°无死角的捕捉能力，主要应用于需要大范围实施抓捕或者监控的场景，解决传统监控依靠“接力”进行监控造成的盲区、死角，是对所有单个小场景监控的必要补充，也是形成监控全覆盖的基本条件之一。

基于以上考虑，在传统监控的基础上和充分调研的前提下，贵冶主要采用的设备种类有：360度高清全景摄像机（用于大场景联动）、热成像枪球联动摄像机（用于周界入侵治安防范）、热成像双光谱网络枪机（用于重点防火部位消防）、测速抓拍卡口摄像机（用于交通管理）、700万像素高清镜头（用于生产管控）、双镜头人脸抓拍摄像机（用于交通管理和治安防范）、黑光高清红外全彩网络球机（用于环保管理和治安防范）等。

4.2 主干传输网络

该部分是贵溪智能监控的重要组成部分，是整个智能监控的神经传导，也是保障前端设备能够安全、高效、准确传输到后端的核心环节，由核心交换机、接入层、汇聚层、核心层组成。

为确保传输网络的可靠性、安全性，网络链路带宽利用率最高约80%，其中20%作为包头数据的开销。为使数据传输安全、高效，接入层设备需求百兆带宽，上联带宽不低于千兆带宽；核心交换机交换容量大于等于所有数据流量总和的4倍，使之具有足够强大的峰值数据交换能力和留有足够的系统扩充空间。

图3 主干传输网络图

4.2.1 核心交换机设计及应用

核心层是整个监控网络的中心，是网络纵向建设和横向建设的关键，监控网络所有接入层交换机大多数的数据包都通过核心设备来转发，为此，核心交换机在选型上首先要考虑所需带宽，在计算核心交换机所需带宽时，必须考虑有多少个接入交换机，以多少带宽接入到核心交换。实际上所需带宽是被接入层交换机分担，无论用户多寡，如果接入层到核心层交换只有一根光纤，那么他们到核心层最大的速度也就是1000M，全双工为2000M。

最重要的，是必须要做好核心层可靠性设计。核心层的设备是整个网的基础，大多数数据包都通过核心设备来转发，从冗余性和可靠性的要求出发，核心层设计应采用双机方式，也就是说核心交换机应当用双机热备模式。

贵冶智能监控运用VRRP协议（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议），VRRP将局域网内的一组交换机划分在一起，称为一个备份组。当备份组内承担网关功能的Master交换机发生故障时，其余的交换机将取代它继续履行网关职责，从而保证网络内的主机不间断地与外部网络进行通信，局域网内的主机只需将虚拟路由器配置为缺省网关，有效避免单一链路发生故障后网络中断的问题。

图4 贵冶VRRP组网示意图

核心交换机作为整个传输网络的中心节点，通过在核心层设备上启用VRRP协议的支持，有效的发挥双物理核心交换机的冗余特性，为终端提供网关级的冗余，提高了传输网络容灾能力。

4.2.2 汇聚层设计及应用

考虑到监控点位分布面较广，点位分散的特点，在适当的区域增加汇聚层设计，可以有效的利用链路资源。使用分布式存储，在项目规划上把特定区域的监控数据集中存储在本级区域传输网络节点上，可以分散中心组网的流量压力，高效利用传输网络。

图5 分布式存储示意图

汇聚层的设备处在核心与前端接入之间，承载了网络流量，在设备选型上要考虑到端口密度规格，硬件冗余设计（电源、主控、风扇），二层协议的选择等。

贵溪厂区监控点位分散，区域较多，汇聚交换机与前端接入交换机距离有远有近（以UTP 5E网线传输距离100m作为参考），对于100m内选择使用普通6类网线连接前端接入交换机，对于多数超过100m的前端接入交换机，则使用光纤来互连。汇聚层承载了全部的接入层的数据流量，汇聚与核心互连的设计上我们需要着重考虑链路带宽，汇聚上行到核心的链路带宽通常设置在50%以内，在规划时预留50%的带宽，应对各种二层协议流量开销以及IPC突发流量等。

4.2.3 接入层的设计及应用

贵冶监控点位环境多样化，针对不同区域的特点，在选择对应规格的接入交换机时，主要考虑了以下几点：是否需要支持POE供电；室外放置对交换机工作温湿度的要求；是否需要网管型号；硬件组件的要求（是否需要无风扇设计，电源冗余性，AC/DC接入）；交换容量/包转发率、MAC地址表大小。

贵冶智能监控接入层采取三角形组网方式，接入可靠性以及扩展能力更高。接入层到汇聚层的连接方式，如下图所示。

图6 接入层汇聚层连接方式

由于接入层三角形组网存在二层环路，所以需要在交换机上可以多生成树协议MSTP。汇聚层交换机部署虚拟路由器冗余协议VRRP，将VRRP组的虚拟IP地址作为服务器网关。接入层具备以下主要特性：

（1） 使用冗余引擎和冗余电源获得系统级冗余，提供高可靠性。

（2） 与具备冗余系统的汇聚层进行双归属连接，获得缺省网关冗余，支持在汇聚层的主备交换机间快速实现故障切换。

（3）通过配置802.1X，动态ARP检查及IP源地址保护等功能增加安全性，有效防止非法访问。

4.3 后台智能数据存储和分析

贵冶视频监控系统规模较大，高清视频大规模应用，视频数据保存时间长，并随时满足调用需求，因此，对视频监控系统存储数据和应用的复杂程度较高，对存储系统的可靠性等方面都提出了新要求。

贵冶监控系统云存储采用分层结构设计，整个系统从逻辑上分为五层，分别为设备层、存储层、管理层、接口层、应用层。充分考虑后期扩容需求，视频监控点位一期按照2000个点位，平均存储45天计算。为节省机房内空间，经计算，采用了6TB硬盘576块，视频云存储节点12台。

贵冶监控系统云存储主要由管理节点和存储节点（物理存储设备）两部分组成。系统内部需要配置的元数据信息由管理服务器统一管理，管理节点还需要负责集群内部的负载均衡，失败替换等管理职能；视频云存储系统可以组建海量的存储资源池，容量分配不受物理硬盘数量的限制，并且存储容量可进行线性在线扩容，性能和容量的扩展都可以通过在线扩展完成。

图7 云存储结构图

4.4 综合安防智能管理平台应用

贵冶监控系统监控中心综合安防智能管理平台，是一套以管理和业务需求为导向，以满足“治安防范、综合治理”需求为前提，“集成化”、“数字化”、“智能化”的平台，通过保留、调整、新增监控点位，建立存储、应用、管理和相关业务流程为一体的综合平台一张网，分期实现视频探头由模拟标清逐步向数字高清，硬件系统由分散零乱向集约高端，综合运用由信息孤岛向联运高效，管理方式由事后追溯向全程把控的“四大转变”为建设目标。

由控制部分、解码及显示部分、存储部分和平台承载服务器、中心管理服务器、流媒体管理服务器、中间数据库服务器、管理客户端、视频综合平台、小间距LED屏等组成，包含门禁、周界入侵、智能交通、智能消防、智能环保、智能生产管控等应用。

4.4.1 门禁人脸智能识别系统的应用

在调研工作中发现，大量的内部人员和外部访客在不同时间进出不同的场所，此种现象给厂区管理带来了巨大的安全隐患，同时考虑到目前的刷卡、密码人证方式存在信息被盗用现象，并且这个盗用、代打卡的现象普遍严重，这给门禁、考勤系统管理带来了严峻的考验。如何在出入口处进行有效的人员身份核验和进出管理，构建一个先进、实用、可靠的安全防范和人脸识别应用系统，是智能监控中不可或缺的一个诉求。

在此次建设中，贵冶通过设计人脸识别门禁14台套，系统由前端智能摄像机+有障碍门禁+后端智能服务器组成，通过时间由原有的3s提高到1s。前端人脸摄像机对进入厂区人员进行智能抓拍，并上传至后端人脸分析服务器，和系统“黑名单”进行分析比对，完成人脸识别系统黑名单识别、人脸识别系统与身份证核验、人脸识别系统与门禁联动等基础应用。一旦发现与“黑名单”中人脸相似度高的人员出现，门禁关闭，系统即时向派出所和保卫部巡逻人员报警。项目的实施，提高了贵冶安防等级和门卫、考勤工作效率，有效杜绝了转借、代打代刷等问题。

4.4.2 周界入侵防范系统的应用

长期以来，针对厂区的周界区域基本上采取传统防盗手段，如人工巡逻、常规可见光监控、震动光纤、电子围栏、红外对射等，无法全天候快速准确的发现入侵事件，并及时报警遏制。针对厂区内大场景的监控，贵冶侧重于高清全景与局部细节兼而得之，利用智能监控手段来实现高效准确的报警，实现全天候的入侵检测，同时也减少人力资源的损耗。

基于这个出发点，贵冶设置周界入侵设备30台、全景360度摄像机2套，周界设备由基于双光谱设计的红外枪机、高清球机联动的摄像机组成，通过先进的视频技术，在强光、逆光、无光、雨雪雾等恶劣环境中依然能获取清晰的图像，实现全天候的入侵检测，一旦有人员进入围墙虚拟线范围，系统进行自动跟踪、识别、报警、录制，现场巡逻人员实时处置（围墙内由保卫部处置，围墙外报警由辖区派出所处置），最大限度地减少异常入侵带来的安全隐患。

同时，配置的两套全景360度相机的“点面结合系统”，在看全景的同时捕捉细节，解决了管控超大场景范围的传统难题。以厂区水库位置为例，以水库为半径的3公里以内，需要监控点位30个以上（视点位密度和设备性能、场景而有差异），依靠逐点衔接、图像拼接，才能完成对整个的监控，还会不可避免的出现盲区和死角问题。实践证明，全景监控可以满足大型周界区域“看的更高，更远，更全面”的需求，并实现多目标动态监控。

项目的实施，改变了周界治安依靠人员巡逻、现场蹲守以及普通摄像机识别率低等治安防控模式，对隐藏在暗处或草丛中的人员亦可进行高效探测，让作案人员无处可藏。

4.4.3 智能交通系统的应用

交通管理在厂区内存在诸多困难：管控项目多，环境复杂，很多违法行为取证困难。由于法律法规并没有赋予强制性措施的权力，在执法过程中，执法人员常常遇到违法当事人拒不承认违法事实，又不配合调查取证的情况，容易引发纠纷，激化矛盾。但是厂区每日进出车辆数量庞大，从厂区生产效益和安全作业的角度出发，必须要有一套完整的流程方案，来实现对交通系统的规范化管理。交通管控系统要素在于获取完整可靠的证据链，在处理现场问题的时候能提供准确、清晰、合法的证据。

出于上述思路，此次建设中贵冶共设置14个出入口车辆管理系统、14套车辆超速和违停抓拍卡口、50个轨迹识别简易卡口，记录、拍摄所有在厂内通行的车辆，自动抓拍、记录、传输和处理信息，实现对车辆的24h全天候监控覆盖。一旦发现在禁止停车的区域停车，或者车辆超过限制的车速等违章行为，系统自动抓拍、识别、并将报警信息直接推送到管理人员手机上，同时信息联动到出入口车辆管理系统，没有接受处罚的车辆将不能出厂。项目的实施，解决了车辆交通违章的检测、识别、取证难等问题，威慑力强，有效遏制了交通违规行为。

4.4.4 智能消防系统的应用

消防系统在厂区作业中一直是非常重要的环节，由于冶金行业的特殊性，消防系统更需要重点关注。例如仓库存放区堆放有较多的矿袋等易燃材料，油库区存放有大量的油罐，具有爆炸失火等隐患，单靠人员值守，无法做到7×24h实时预防。

考虑到设备温度是检查设备是否处于正常运行状态的一个重要指标，过高或者过低的温度都在预示着设备（或环境）处于异常状态，如不能及时处理，情况恶化，易形成事故，造成损失。贵冶消防智能监控就是以设备温度检测作为突破点，利用热成像监控系统，对重点部位进行24h巡航检测，通过非接触方式，让监控设备自动去检测运行中的设备温度和运行状态，简捷、安全、直观、准确的查找、判断设备过热故障，迅速采取措施解决防止火灾事故的发生。

贵冶一期在全厂5个重点防火部位设置了基于热成像应用的高精度防火系统，通过对热成像监测可覆盖的货架（货物）表面进行温度异常检测，对无法覆盖的区域进行火点检测，火情发现更快速、准确更报警、高效更处理。一期工程对几个重点防火区域设置巡航扫描，产生火情报警时，监控系统会自动对监控人员发出警告，提醒对预警区域进行处理和排查，配合周围球机快速确认现场实际情况。项目的实施，增强了贵冶对火灾的预防、报警、处置能力。

4.4.5 智能环保系统的应用

环境保护是贵冶非常关注的要点，每年在环保上的投入非常巨大。为了提升管理效率和降低运营成本，在污水处理上建设了自动化控制系统（也称为“中控系统”），借助物联网技术，实时采集治理设施运行状态、液位、流量、水质监测、视频等数据，并结合工艺流程图进行直观展示，供厂内环保部和调度人员查看。从整个行业情况看，很多厂区的环保系统与视频监控系统的结合度不高，重要污水处理工艺环节、厂区关键区域都缺少高清、智能的监控手段，生产过程不可见，安全隐患不可控，给环保管理带来了很大的困扰。

贵冶一期智能监控在各排口安装夜间黑光全彩摄像机28套，全天候24h对废水、废气及现场洒落情况进行实时监控、数据分析，根据排放物颜色、浑浊度等信息，将异常数据推送给管理者，实现了实时信息与业务管理信息的集成，提高了环保事件的提前预知能力和及时处置能力。

4.4.6 智能生产监控的应用

安全生产是工业生产中很重要的一部分，只有保障了员工的安全，才能保证企业的利益。安全帽作为保护的重要防范手段，一直是各大企业要求员工佩戴的，可由于员工自身的疏忽，企业监管力度的不到位，每年还是会发生各种由于未佩戴安全帽导致的安全事故。除了人为管控这种常规方法外，贵冶此次利用智能监控，辅助对生产现场的人员行为进行智能管控。

贵冶智能生产监控包括了对原有490余个监控点位的利旧，设计16台32路模拟硬盘刻录机，将模拟信号与数字信号在系统中并行，确保了模拟信号摄像机不延时、不丢包。目前实现了磅房无人值守、应急站无人值守等应用，对厂内工作人员是否佩戴安全帽、穿戴制服，是否流动抽烟、拨打手机等行为进行监测，一旦发现可疑行为，向指挥中心和所属车间报警，相关人员及时处理，促进了人员行为的规范化。该系统还可以根据企业生产管理的不同进行功能拓展，定制针对不同用处、适应不同环境的行为智能监控，使得智能监控更好的与各种环境、不同需求的企业管理进行深度融合。

贵冶智能监控系统的应用，彰显了智能监控平安建设、减员增效、服务生产、促进管理的“内涵”，发挥了较好的经济效益和良好的社会效应：一是提高了贵冶的安防等级，实现了入厂人员事前审核、事中监控、事发处置全智能化流程，减少治安案件发生，减少国有资产流失，产生良好的社会效益；二是预先定制各类事件的处理流程，增强了现场处理工作的准确性、及时性，特别是提高了应急事件的处置效率，为挽救生命财产争取更多的时间和机会；三是提高了抓捕行动的精准度，利用监控设备捕获对象特征，并调用全厂的监控传感设备来将具有该特征的信息自动上报，提高抓捕行动的精准性和安全性；四是实现了无人值守，降低了人的劳动强度，实现了减员增效；五是智能交通、消防、环保监控系统的应用，解决了违章发现难、现场处置难等问题，确保了交通、消防安全，提升了环境保护水平，符合了国家的环保政策要求，彰显了良好的社会效益。

5 结语

智能监控系统是一个集人员管理、生产管控、治安防范、消防预知、交通治理、环保监测于一体的智能化监控体系，和传统监控最大的区别，在于重点依靠设备自动化、智能化前端处置，解放了监控人员依靠责任心去发现问题，提高了劳动生产率，实现了不同专业、领域之间的集中统一监控、调度和指挥，为维护好工厂生产秩序和环境提供了技术支撑。

贵冶智能监控项目在两个维度上实现了突破，一是工厂管理由信息化、可视化向智能化的突破，在优化管理、降本增效、人员配置等方面带来较大的改变，实现了企业管理水平的提升和生产效率的提升。二是贵冶在全球冶金行业具有较高的知名度，项目在江铜集团及有色行业的示范意义较大，为冶金行业推动智能智造树立了先行先试的标杆。

可以预期的是，做为智慧企业、智慧城市建设不可或缺的重要一环，随着智能视频分析算法的不断改进和完善，智能监控必将走向集成化、网络化与智能化的道路，一定会越来越广泛的应用于社会生产和生活，为保障社会和谐发展和提升生活品质发挥越来越大的作用。