双光谱热成像摄像机在输油管道智能监控的探讨

李娇媚

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）

0 引言

石油是国家经济的命脉，陆上原油通常采用输油管道的方式运输，与公路、铁路、航空等运输方式相比，输油管道具有经济、安全、易运维等特点，保障管道运行安全是至关重要的任务。近年来随着基础建设的不断增加，已建管道周围被外来人员违章占用的事件时有发生，同时老管道周围的地质环境也在逐年发生变化，一旦出现管道泄漏，将对周围的人身、财产、生态安全造成损害。埋地原油管道难以观测和维护，传统人工巡检的维护方式已经不能满足现有需要，迫切需要一种代替和辅助人工巡检的24h、智能化、智能预警的输油管道监控系统，实现输油管道的智能化巡检监控。本文基于以上需求，提出了一种基于热成像技术的输油管道智能监控系统，帮助提高管道监控运维能力。

1 输油管道监控特点

输油管道路径长、走向复杂、不确定性大，输油管道通常长达数十公里，时常穿跨越河流、公路、铁路、农田、人口密集村庄城镇等地区，地形地貌复杂，人员管控难。在穿越人口密集区，及加油站、化工厂等危险区域时，安全风险增加，穿越地质环境复杂多变的地区，维护难度加大。除管道外部环境难以控制，埋地管道自身也存在着腐蚀、管道强度降低等问题，以上都是输油管道监控的重点和难点问题。

2 输油管道监控现状

输油管道监控措施目前通常采用“人力巡检为主+泄漏检测系统及视频监控为辅”的方法。人力巡检工作量大，尤其在雨雪天气，道路泥泞或结冰打滑，工作效率低，耗费大量的人力物力，在现有油田减员增效的要求下，人力资源越发可贵，现有人员已无法满足不间断巡检的需求。虽然人力巡检对不法分子钻孔盗油及违规占地的发现处理较有效，但是对于长距离管线的微小泄漏存在观测不到位及漏检的缺点。管道泄漏检测系统主要有负压波检测法、声波检测法、光纤振动检测法、无人机巡检等方法。前3种方法实际使用中存在无法精准定位，误差较大，受周围噪声环境影响，存在误报情况，同时存在施工成本高，安装复杂，工程量大的缺陷。无人机巡检成本较高，也受续航及飞行航线管控的制约，无法大面积使用。现有常规视频监控系统通过人员观看监控屏和录像来实现监控，不能在管道泄漏发生时实时在线监控和报警，而且受到户外天气、光线影响较大，在夜间监视距离和视频清晰程度有限，无法达到有效监控，偷盗活动多在夜间进行，传统视频监控方式存在弊端。

通过以上分析可以发现，提高传统视频监控的可靠性和使用效果，能够让其克服天气、光线等因素的影响，达到真正的24h 工作，提高摄像头监视距离，同时通过智能算法实现异常自动报警，从而大大提升报警的及时性、准确性，降低了人员的工作强度，减轻输油管道损坏带来的经济、环境、安全影响。

3 基于热成像的智能管道监控技术

3.1 热成像监控技术

视频监控技术根据采集光谱的范围，分为可见光和非可见光两类。可见光视频监控技术是目前应用最广泛的监控手段，尽管可见光视频的清晰度已达到1080P 甚至4K级，但是其受周围环境影响较大，当光线较弱的时候，即使是星光摄像机也需要依赖微弱的光线，可见光摄像头在夜间和恶劣天气情况下，可观测范围和清晰程度大打折扣。

红外热成像摄像是工作在非可见（红外）光谱范围内的监控摄像机，按工作方式分为主动红外和被动红外两种。主动红外技术是主动发射光源，利用目标反射的红外光来进行监控，常用的有红外补光及激光夜视监控技术。这两种技术受自身发射光源的能量限制，在沙暴和雨雾天气时光源被分散，导致监控效果不佳。被动红外热成像是通过观测目标自身的红外辐射来监控，根据不同物体之间的红外辐射温差来区分和识别目标，即热成像技术。热成像摄像机成像结构相对简单、能耗低、价格经济。双光谱热成像摄像机则兼具可见光和红外光谱下的视频监控功能，在光线微弱时，红外光谱可以进行成像，对于在输油管道监控方面，双光谱热成像摄像机能够弥补普通摄像头在微弱光线时的不足，达到24h 不间断监控，观测范围更大，具体性价比高的特点，并且热成像技术不发出光源，具有隐蔽性，不易被狡猾偷油的不法分子发现。

3.2 热成像智能监控系统组成

热成像智能监控系统由“双光谱热成像摄像机+传输介质+网络交换设备+视频监控终端+智能分析平台（数据存储服务器）+手机APP”组成，通过双光谱热成像摄像机采集视频图像，通过网络将数字图像上传至视频监控终端进行查看，上传至数据存储服务器的图像经过智能分析平台的分析运算，筛选出对输油管道存在安全隐患的危险因素进行报警提示，发送到监控终端和手机APP 提示监控人员。

3.3 热成像智能监控系统功能

3.3.1 基础功能

双光谱热成像摄像机实现可见光和夜间红外摄像功能，双光联动，白加黑24h 成像，在恶劣气候天气环境下，通过红外热成像功能成像，视频不间断监控。摄像机可监控范围≥3km，具备定时视频巡检功能，实时监控管道周围环境变化，例如对于产生积水的路面进行远距离重点观测，及时发现问题，第一时间抢修，提高维抢修速度。

除常规可见光下人员、车辆信息的自动识别，还可通过红外成像功能，在有树木、农作物等对管道有遮挡的地方，通过散热量识别遮挡物后方的人体、车辆。双光谱对比显示，同一场景在显示器上同时显示红外及可见光图像，方便人员观测对比，发现问题。

通过红外测温功能，温度实时可视化检测、视频监控和录像，实现精确测温，实时对画面中识别出的物体进行温度测量，测温范围：-40℃～150℃，测温精度±1℃。可进行高温报警，火点识别，可进行火灾报警。

3.3.2 智能分析功能

管道泄漏报警功能，利用埋地输油管线与周围土壤的温差，通过红外热成像将埋地管网显示出来，通过图像处理技术、智能分析，识别管道泄漏情况。

通过热成像摄像机采集的管道热图，经过图像处理、色彩增强、图像分析、骨架跟踪可以将埋地管道的红外图像显示在监控画面上[1]。

智能分析平台通过地表温差精准定位管道泄漏点。通常输油管道先将原油进行加热升温，防止原油凝结，提高输送效率，较高温的输油管道会与四周土壤进行热交换，管道与周围环境的热传导可概括为3 个步骤：管道外壁和保温层间的热传导；保温层与周围土壤直接的热传导；地表与大气之间的热对流。参考石油学报《用红外成像法探测埋地输油管道》这篇论文，数值模拟计算一条加热到60℃、埋深1m，DN300 管径的埋地管道，其上方地表温度场分布曲线，管道上方和距离管中心2m 处有≥1℃的温差[1]。参考化工学报《埋地输油管道泄漏污染物地表运移特征》这篇论文，模拟埋地输油管道泄漏污染物地表运移过程，在泄漏孔径设定为40mm 时，原油3000s 到达地表形成污染区，地表形成较大污染区域且污染区域具有较大的摊铺厚度，地表特征非常明显[2]。随着时间的推移，泄漏量扩大，热交换影响区域逐渐扩大，对地表的温度场影响不断增强，同时向四周辐射红外光谱，此时对红外热成像摄像机拍摄的图像进行智能分析，捕捉温度场变化，识别输油管道泄漏点，实现精确定位泄漏点，提高管道泄漏报警效率。参考城市供热管网现有实际应用经验，使用双光谱热成像摄像机，对地下供热管道泄漏检测，可以明显观察到埋地管道的热水泄漏位置，通过热成像检测到的温度场，对比识别画面中的最低、最高温度出现的位置，精确定位泄漏位置[3]。通过红外热成像加智能分析，弥补人眼观测的盲区，智能识别地下管道泄漏点，大大缩短了泄漏点的定位时间，加快了事故处理速度，降低漏油事故造成的安全风险、经济损失。

智能目标锁定及报警功能：外来人员及车辆的智能识别，人工设定观测区域内车辆和人员的驻留时间，对长时间驻留的大型车辆及人体进行报警，短时间和移动车辆不进行报警，对大型车辆的驻留进行报警，可人工设置不同的报警车型，针对大型作业工程车辆碾压管道的情况进行识别，及时进行报警处理。

4 结束语

双光谱热成像摄像机在输油管道智能监控中具有巨大的应用价值，实现24h 全天候，远距离、大范围的视频监控，有效克服雨雪、风沙等恶劣天气的影响，同时拥有强大的智能分析功能，精准定位地下管道泄漏位置，提高了管道泄漏位置定位的准确性，降低了巡线人员的劳动强度，加快事故应急响应速度，具有良好的经济和社会效益。