海洋钻井平台视频监控系统升级改造

王 伦，钟 磊，王 镪，李文磊

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201206；2. 中海油田服务股份有限公司深圳分公司，广东深圳 518067）

海洋钻井平台视频监控系统（简称CCTV）担负着对顶驱、补偿器、井口，指梁等重要设备与区域的监控，在事故追溯中也发挥着不可替代的作用。若视频监控系统发生故障，司钻与井架工沟通将无法正常进行，严重影响立根对接顶驱、游动系统下放等作业。由于受到视频监控系统成本及技术的制约，老的钻井平台一般只对钻井相关的区域进行监控以方便司钻对相应区域的掌控，但不具备录像存储功能。在社会经济不断发展的过程中，计算机网络和传输技术、图像处理技术也在快速的发展，有效促进了监控技术的更新和进步，监控产品也从模拟化朝着网络化和数字化的方向发展[1]。随着视频监控系统技术的进步与成本的降低，视频监控系统的应用逐渐得以推广，全数字化网络视频监控系统已成为当下主流形式[2]。人们对其依赖程度也逐渐加深，已成为事故追溯、值班监控等的重要手段，加装视频监控摄像头以实现对要害部位、重要舱室设备、高风险作业区域以及人员不便到达处所进行监控，克服人工巡护工作量大、盲区多、巡检效率低等缺点，对相关区域实现实时监控，延长人眼的观察距离和记录时间[3-4]，实现全过程、全方位的安全生产和防范[5]，既是政策规定，也满足了实际需要。

然而，虽然数字网络视频监控系统（简称新系统）技术已很成熟，但由于以太网信号传输过程中不可避免的信号延迟和丢包，造成监控画面滞后、卡顿甚至断网，不能很好地满足钻井作业对设备高可靠性和画面实时性的要求。而“勘探四号”原模拟钻井视频监控系统（简称原系统）经过长期使用验证，其具有运行稳定、画面实时等不可替代的优点。为节约投入成本，在原系统的基础上进行升级改造，增加一套网络视频监控系统，将原系统信号接入新系统进行存储、显示和远传，成为较为合理的升级改造方式。但原系统均为进口模拟设备，与国产的数字视频监控设备并不兼容，在不影响原系统摄像头动作控制、稳定性和实时性的前提下，将其接入新系统并不简单。本文以“勘探四号”为例，介绍海洋钻井平台视频监控系统升级改造方法。

1 原模拟视频监控系统概况与升级改造要求

1.1 原模拟视频监控系统概况

“勘探四号”原模拟钻井视频监控系统主要监控顶驱、指梁、游动系统、左右沉箱泵舱、泥浆池、振动筛、泥浆泵、月池和左右推进机舱，并预留有水下机器人(简称ROV)接口，主要用于钻井监控，其系统结构见图1。该系统控制器和键盘分别采用BAXALL（贝克尔公司）公司生产的ZTX6 型和ZKX2/K 型，可旋转云台均采用ELECTRO FLOW CONTROLS LTD（EFC 公司）产品，固定式摄像头大部分采用VISTA（威视达公司）产品，该系统具有运行稳定，画面实时等优点，摄像头、显示器与控制器通讯均采用同轴电缆，其通讯距离可达600 m，充分保证了系统通信的实时可靠性。该系统不具备录像存储功能，无法满足事故追溯的要求，且受到控制器插口数量的限制，扩展灵活性比较欠缺；同时，仅在司钻房、中控室和井队办公室设置有显示终端，平台经理、甲方以及安全监督办公室等处无法进行监控，局域网计算机也无法调用视频监控信号，视频监控信号也无法远传至陆地总站，急需对其进行升级改造。

2 视频监控系统改造要求

视频监控系统的升级改造需兼顾原模拟视频系统的优缺点，并发挥当代数字网络视频监控技术的优势，主要有如下要求。

（1）系统采用的相关技术与产品应均为目前主流应用技术，并保有升级空间，保护用户投资的长期有效。

图1 “勘探四号”原模拟钻井视频监控系统结构

（2）考虑以后的扩展性，提供灵活的系统组合，用户可根据需求灵活配置或新增硬件，当系统需要变更监控点位、网络客户端数量时，只需增加相应独立的设备即可融入现有系统。

（3）系统具有任务单一、响应实时的特点，要求能全天候不间断稳定运行。

（4）主要硬件均可以即插即用，任意开关机、意外掉电都不会影响系统正常运行，软件应采用人机界面良好的图形化界面，用户安装相应软件后就可实现智能控制、管理、操作、配置和检索。

（5）系统应兼容多种矩阵协议、云台控制协议、网络协议和传输方式等。

（6）平台卫星通讯带宽较低，摄像机应至少具备H.264 码流压缩技术，或能优于该码流的其他技术，保证通讯流畅，以方便将视频信号远传至陆地监控总站。

（7）原系统信号应接入新系统，以方便在新系统的显示终端进行显示、存储和远传。

（8）系统升级不应破坏原系统的完整性，不应影响原系统的动作控制、稳定性和画面实时性。

（9）钻井区域监控仍沿用原系统，以避免电磁干扰、电网波动等原因造成网络视频监控系统延迟、卡顿或断网对钻井作业的影响。

（10）新系统和原系统的视频信号均应能储存，存储时间均不小于60 天，

（11）应增加监控显示位置，除经理办公室、井队办公室、甲方办公室中控室等处新增监控系统专用显示器外，平台局域网电脑也能调用视频监控信号，对其进行显示和监控。

（12）需增加监控区域，对左右舷、管子堆场、生活区等增加摄像头，便于对辅助船靠泊和大型吊装作业进行监控和安防。

（13）考虑到钻井平台电网谐波较大，视频监控主要设备供电应使用UPS（不间断电源），以避免减少设备使用寿命和电源引起的系统不稳定。

（14）视频信号应能远传，以方便陆地总部对钻井平台进行监控。

3 视频监控系统升级改造

3.1 视频监控系统结构

升级改造后的视频监控系统结构见图2。系统分为新视频监控设备、新视频压缩设备、原钻井视频监控设备、原局域网设备，为满足升级改造要求，本项目在硬件配置，通信方式和系统供电方面都进行了特别设计。

（1）硬件配置

图2 “勘探四号”升级改造后的视频监控系统结构

为方便视频监控设备扩展，新视频监控系统的解码器、摄像头、键盘、POE（有源以太网）交换机、WIFI（无线上网）热点、视频存储服务器、上网行为管理器、热点管理器均采用网络化设备，只需配置相应IP（一种网络之间互连的协议）地址并设置后，即可使用。根据使用环境差异，危险区域选用防爆摄像头或防爆WIFI 热点，露天区域选用防水摄像头或防水WIFI 热点，并根据监控设备或区域差异，选用固定式或者可旋转式摄像头。硬盘录满后可自动对前面的录像资料循环覆盖，能够满足60 天的存储容量。

（2）通信方式

新视频监控系统、新视频压缩设备、原钻井视频监控系统、原局域网系统之间均采用双绞线以太网通讯。其中，新视频监控系统与原局域网通过上网行为管理器联接，新视频监控系统内的WIFI 热点或者即插电脑可以通过上网行为管理器访问原局域网络或者卫星网络，选用的新视频监控设备如解码器、摄像头、键盘、POE 交换机、WIFI 热点、视频存储服务器、上网行为管理器、热点管理器均采用以太网通信。为保证通信质量和减少电缆敷设量，分区域设置交换机，各区域交换机之间根据通信距离选用网线或者光纤通信，当通信距离大于80 m 则采用光纤，否则选用网线。

（3）供电方式

半球摄像机、WIFI 热点均可由POE 交换机供电，普通球机、防爆球机和可旋转云台则就近取电源，为保证系统运行可靠，同时为克服钻井平台可控硅驱动设备运行时电网谐波较大、电压不稳等特点，机房核心交换机、服务器、视频存储服务器、热点管理器、上网行为管理器均采用UPS 供电。

3.2 原模拟钻井视频监控系统接入新数字网络视频监控系统

为增加原钻井视频监控系统的存储功能，同时，为方便原系统无显示终端的经理办公室、甲方办公室等处所对钻井处所进行监控，将原钻井摄像头信号接入新数字系统。将原钻井摄像头同轴电缆信号通过BNC（一种同轴电缆的连接器）三通一分为二，分别接至原模拟控制器和新加的三混录像机，信号经三混录像机处理后，通过以太网双绞线接至新系统交换机，在三混录像机所在的CCTV 控制室设置显示器和鼠标（三混录像机自带键盘），以方便进行设置和维护，本设计三混机采用大华/DH-HCVR9016HP-SF 型，其支持数字摄像机、模拟摄像机、网络摄像机三种信号输入，本项目在设置中勾选“同轴高清摄像机”，接线见图3。

图3 “勘探四号”原钻井摄像头接入新数字视频监控系统接线图

3.3 视频信号远传

目前相关的视频监控设备和技术已经非常成熟，在陆地上已得到了广泛应用。船岸一体化远程监控是是现代船舶远程监控管理的一种趋势[6]，但由于视频监控需要较高带宽，远洋船舶卫星通信通道的带宽和成本一直都是制约海上视频监控应用的瓶颈[7]，海洋钻井平台视频信号远传也受制于此。勘探四号目前通过卫星装置与陆地总部进行通讯，带宽仅有1.8 Mbps，而在用摄像头大部分工作于1080 P（一种最高等级高清数字电视的格式标准）状态，也就是单个摄像头监控画面若从钻井平台传到陆地总部几乎将占用现有大部分带宽，多路上传更是导致网络阻塞。根据钻井平台网络现状，设置视频压缩装置，将视频监控系统占卫星带宽控制在500 kbs 以下，在总部部署接收监控平台，视频压缩装置压缩后上传至接收监控平台，在陆地总部部署监控平台，从钻井平台获取监控信号，进行选择性观看。同时，视频监控系统网段为192.168.1.1～254 之间，当上网行为管理器根据需要设置为信号单向传输时，与平台办公网段10.240.243.xx 之间由于上网行为管理器存在网络物理链路中断，故视频压缩机前后分别采用交换机和路由器，如图2 中“新视频压缩设备”所示。经测试，将摄像机码流压缩至128 kbs，在保证视频清晰度满足要求的前提下，同时远传4 个画面，总部可流畅地观看平台的视频画面。

3.4 视频监控设备新增

在日常应用中，主要是数字网络摄像头和监控显示器的新增。

（1）新增摄像头的方法：先根据IP 配置清单给新增加的摄像头分配一个IP 地址，用网线将调试用电脑与摄像头联接，将默认IP 地址更改为分配好的IP 地址，并更改摄像头名称，然后将新增摄像头与就近的POE 交换机用网线联接，在解码器上新增摄像头显示即可。

（2）新增监控显示器方法：CCTV 交换机与公网已经与上网行为管理器联通，将上网行为管理器设置为信号双向传输，将需要调用视频监控信号的局域网电脑用网线与局域网交换机或CCTV 交换机连接，其“高级TCP/IP 设置”菜单设置见图4。给新增电脑主机配置一个CCTV 系统的IP 地址，在IP 设置中添加该IP 地址，并添加CCTV 系统的子网掩码和默认网关，并勾选“自动跃点”。其中，“10.240.243.128”为访问局域网IP 地址，“192.168.1.188”为访问视频监控系统的IP 地址，这样，该电脑既能访问原有局域网，又能访问视频监控系统。之后在IE 浏览器中键入服务器IP 地址，点击“CS 客户端下载”并下载，即可通过客户端显示、控制各区域的监控画面。同理，可以通过上述方法新增其它IP 地址、子网掩码和默认网关，访问更多网段的网络资源，实现同一电脑访问多网段数据。

图4 局域网电脑访问视频监控系统设置

4 设备选型

设备选型主要是新视频监控系统和新视频压缩设备选型，原视频监控系统只需增加三混录像机及显示器、鼠标等辅助设备，通过BNC 三通将原摄像头信号接入三混录像机即可，本视频监控系统升级改造设备选型见表1。

表1 “勘探四号”视频监控系统升级改造设备选型表

5 结论

“勘探四号”海洋钻井平台视频监控系统升级，实现了监控点的新增，并将原模拟钻井视频监控系统接入了新数字网络监控系统进行显示和存储，既不影响原系统的运行稳定、画面实时等优点，又巧妙地实现了在所有局域网口可达的处所调用视频监控信号。利用同一电脑自动调用多网段数据，既不影响原局域网电脑的原有功能，又能方便调用视频监控信号。并根据卫星网络的带宽，经过压缩后远传给陆地总部。升级改造后的视频监控系统具有分析智能化、抗干扰性强、图像清晰等优点，对类似新旧视频监控系统的融合、设计与升级具有较好的借鉴意义。