网络视频监控系统在天然气输配管网无人站场中的应用

尤立华

（中国石油天然气股份有限公司新疆油田油气储运分公司，新疆克拉玛依834002）

在天然气输配管网上分布着各类一、二级的配气站、简配站、调压计量站等小型站点，该类站点地处戈壁或油气密集区域，生产功能单一、结构紧凑，多为无人值守。由于天然气管网覆盖面积大，包含的该类站点多，通过划分片区进行管理，一个片区包含数个无人站点和一个远端集中监控站，值班人员在远端集中监控站负责对下属的无人站进行管理和巡检，生产调度人员在总调度监控中心负责对整个天然气管网进行集中监控。

1 无人站网络视频监控系统

1.1 总体说明

小型无人值守站场周边社会环境单一，占地面积小，约十几平方米，生产工艺简单，工艺装置多为露天。天然气管网站场安防监控系统的设置基于油田办公网络及生产自动化专网，采用先进的视频管理及视频分析技术，实现低码流下高清晰视频图像的采集、存储、传输、转发及自动报警功能［1］。值班人员通过客户端可清楚地了解辖区、重点要害部位的情况，实现视频网络资源和信息资源的共享，满足了生产运行、应急抢修和上级主管部门的需求。

1.2 关键点

小型无人值守站场网络视频监控系统关键点有以下几个方面：

1）视频传输及调试。由于各个小型无人值守站场的分布较为分散，且站间距较大，对视频的远距离传输和集中监控带来困难；视频采集、存储、传输等前端设备分布在各个小型无人值守站场内，安装调试成本较高。

2）摄像机性能。视频监控摄像机均为室外安装，全年自然气候差异性较大，昼夜温差大，工作环境较为严苛，对设备的性能和质量要求较高。

3）访问用户权限管理。视频监控系统访问用户数量较多，包括远端集中监控站值班人员、生产调度运行人员、各级主管部门技术人员以及应急抢修指挥人员等，因此需进行分级权限管理。

4）网络技术。视频流并发访问及转发功能需要有网络等技术支持。

5）视频分析技术。受室外各种环境因素的影响，对视频分析技术要求较高，对各类自然气候条件，如：风、霜、雨、雪、雾，摄像机的抖动，夜间灯光照明以及油田伴生气、蒸汽等干扰因素的识别，降低误报率。

2 网络视频监控系统层次结构

无人值守站场网络视频监控系统层次结构如图1所示。

图1 无人值守站场网络视频监控系统层次结构示意

将无人值守站、远端集中监控站和管网调控中心视频监控系统作为一个整体，依据网络视频数据的接入分为核心层、汇聚层、接入层［2］。最上一层是整个天然气管网视频数据的核心层，设在调度中心，负责调用、控制和回放各个站场视频资源，设置有中心管理服务器、工作站、归档备份服务器等设备。中间层作为视频应用的汇聚层，是视频存储与视频流转发的核心环节，设在远端集中监控站，对本站或下属各无人站的视频资源进行调用、回放、遥控摄像机转动或变焦（PTZ控制）等，设备有网络摄像机、网络硬盘录像机（NVR）、客户端工作站、存储服务器、显示大屏。基础层为各小型无人站，是前端监控设备的接入层，实现本地存储和转发。

3 实际应用

3.1 系统说明

某油田天然气输、配管网分四大片区，其中西北缘片区分布有5座小型无人值守二级配气站和1座有人值守集中监控站，调控中心负责对整个输配气管网进行集中监控。为便于管理，将5座无人站分别编号为1～5号，每座站场安装10台网络高清摄像机，监控点位部署分周界安防和生产区域监控两个功能，周界安防监控点位部署在站场四面围墙边界处、场院死角、大门出入口重点部位，通过本地视频分析服务器算法分析，触发移动目标跟踪和入侵报警功能，将入侵报警信息远传至远端集中监控站；生产区域监控部署在站内计量间和工艺区边界处、露天装置区。每个站均安装有NVR，对本站视频进行录像存储及转发。

远端集中监控站内值班人员远程监控各无人站，调控中心集中监控管网上所有站的视频。天然气输、配管网网络视频监控系统拓扑结构如图2所示。

3.2 前端设备

网络高清摄像机作为前端设备，其主要功能见表1所列。在选型方面主要考虑分辨率、应用环境、照度、宽动态、镜头焦距等。由于无人站分布较为分散且分布广，因而安装的前端设备须具备稳定性和远程维护功能，便于远程升级、备份、启动等。

3.3 存 储

为不占用网络带宽，各个无人站视频数据进行本地存储；网络录像机的主要功能是对网络摄像机发送来的视频流进行存储、转发至存储设备，响应视频工作站实时视频和录像回放的请求。

图2 天然气输、配管网网络视频监控系统拓扑结构示意

表1 前端摄像机主要功能

存储容量的计算：基于通道数、码流、存储周期，计算存储容量。如50路高清图像，存储90 d，则存储容量＝4 Mbit/s（统一按平均码流速）÷8×3 600×24×90×50÷1 024÷1 024＝185.4（TB）

3.4 无人站周界视频分析功能实现

油气站场作为易燃易爆场所，对进站人员有严格的限制。为满足无人站场周界安防的要求，在现有的网络视频功能基础上增加了智能分析技术［3］。采用后端服务器方式，该方式支持的视频分析通道数有限，适合于小型站场的周界应用。将网络摄像机与分析服务器设置为本地局域网内网地址，视频信号由网络摄像机编码压缩后通过局域网传输，分析服务器抓取码流后对视频信号进行算法分析。该过程称为“入侵探测”，将站场周围定义为场景区域，四面围墙定义为虚拟防区，当物体接近或进入预先设置好的虚拟防区，系统自动进行探测并跟踪轨迹，如果完全符合预设规则，则分析服务器发出报警信息。

3.5 远端集中监控设备

远端集中监控站作为整个管网安防监控系统的“应用核心节点”，是视频存储和视频流转发的核心环节，具有对该片区视频资源浏览、调阅、回放和摄像机控制等功能。远端集中监控设备主要功能见表2所列。

表2 远端集中监控设备主要功能

3.6 管网调控中心监控部分

调控中心作为整个油气管网安防管理的监控中心，可全面监控和管理下属的所有站库，查看实时图像和调用录像资料。远端监控站已将各个小型无人站摄像机视频码流进行存储与管理，即使调控中心监控系统不运行也不影响各个集中监控站的正常运转。在调控中心设置由32个大屏拼接的电视墙，调控中心要从各集中监控站调取视频资料，按照单屏单路计算，每路高清码流4 Mbit/s，则32路速率可达128 Mbit/s，汇聚层与核心层之间的千兆链路能满足该速率。在调控中心监控系统内还配置备用网络录像机和存储设备，当某一个远端集中监控站的网络录像机宕机失效时，可及时接管，将集中监控站视频码流切换至调控中心系统，汇聚层与核心层之间的链路发挥着重要作用。

3.7 网络传输

网络传输由综合布线和网络交换机组成，5座小型无人站交换机为接入层、远端集中监控站交换机为汇聚层、调控中心交换机为核心层，系统速率满足百兆接入，千兆汇聚、千兆核心。其中，远端集中监控站汇聚层流量示意如图3所示，各层级网络及交换机主要功能见表3所列。

图3 远端集中监控站汇聚层流量示意

表3 各层级网络及交换机主要功能

从汇聚层连到核心层的链路需千兆。在该系统架构中，NVR在汇聚层，核心交换机没有视频流存储与转发的较大压力，只有实时视频解码显示及录像调用回放的流量压力。核心层交换机的选型主要考虑交换容量以及与汇聚层之间链路带宽。

汇聚交换机上口连接核心交换机，进行部分实时视频浏览及录像回放请求，带宽需求不高。下口连接接入交换机，5座小型无人站网络摄像机码流都将在集中监控站汇聚交换机同时处理。按照每座站10台摄像机，5座站共50台，码流4 Mbit/s，则50×4＝200 Mbit/s。汇聚层交换机需要支持百兆以上的交换容量，此外还需要考虑额外实时视频转发带宽需求。

接入交换机下口连接网络摄像机，需要考虑与汇聚层之间链路带宽，链路容量大于下连摄像机的总码流，保证所有网络摄像机与NVR之间带宽畅通。若交换机接入10路高清网络摄像机，则总码流为40 Mbit/s，此外还需考虑控制、音频等数据占用带宽。

4 结束语

作为网络视频监控系统中的几个关键要素，网络高清摄像机的优势在于高质量、多细节、大场景；NVR作为系统的中间设备，具有视频录像、存储与转发功能，大容量、开放化、标准化、支持冗余是产品性能的技术指标；智能分析技术在“事前报警”、“事后视频快速索引”方面特点突出。小型无人站网络视频监控系统是在有限的成本投资下，依靠现有的网络技术条件，选择合适的产品及架构，充分发挥其效能。系统的稳定运行为今后长输管道及运行管网视频监控综合管理平台的搭建提供基础性的参考案例。