浅滩海上油气平台智能安防系统研究

吴可嘉，靳 嵩，刘冬洋，来 斌，刘彦彤

（1.中国石油天然气股份有限公司大港油田分公司 对外合作项目部，天津 300450；2.中油工程项目管理公司天津设计院，天津 300450）

0 前言

近年来，国内海上油气开发事业发展迅猛，对海上油气平台安防系统的要求不断提高，传统安防系统依赖大量人工进行监控、风险判断，已不再适用。基于海上风险信息智能判断、无效信息自动过滤、警报信息及时传送至应急决策管理部门和海警部门建设等智能安防需求，如何构建完善可靠的海上油气智能安防系统，成为当今浅滩海上油气平台安防建设备受关注的问题。

浅滩海域的油气生产平台的主要特点是：靠近海岸线，周边船舶航道与海上平台距离较近，来往船舶较多，附近渔民活动频繁，对油气生产运输有较大的安全威胁。传统的海上平台安防系统建成后，需要根据视频内容人工判断视频画面内的违章或者入侵行为，对历史数据的查询也需要人工检索，极大地增加了工作量。当航道进入繁忙时段时，浅滩海上油气平台安防管理人员无法完全保障对周边船只进行有效的实时监控。

本文从浅滩海上油气平台安防现状入手，基于智能视频监控、船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）及防爆巡检机器人技术的应用，结合人工智能图像识别分析算法，研究探索一套集高清红外成像仪管理、AIS 识别、机器人巡检于一体的适用于浅滩海上油气平台的智能安防系统。

1 浅滩海上油气平台安防现状

浅滩海上油气平台主要部署模拟摄像机和数字摄像机，分辨率较低，并且需要安全监管员实时监控，判断周边是否有非法船舶靠近。

现有摄像机受所处环境影响，外壳及镜头上经常有雾气，影响其视频效果，经常需要人工擦拭。由于平台周边均为海面，水波反射较大，画面刺眼，人工跟踪分析难度大，安全管理人员经常眼睛过度疲劳，工作效率低。

当出现极端大雾、雨雪等天气时，海上平台内部需要进行生产安全巡检，海上平台人员过道狭窄，人工巡检难度大，劳动强度大，安全风险较高，严重影响油气生产安防人员的人身安全。

2 浅滩海上油气平台智能安防所要达到的要求

（1）对浅滩海上平台主要生产作业现场区域、配电间、数据机房等进行摄像机全覆盖。

（2）对海上平台周围海域500 m 范围内的船只进行实时监测，对周围300 m 范围内的船舶进行监测跟踪预警，并及时报警和驱离。

（3）通过应用船舶智能分析算法，对非法船只进行自动识别。

（4）对海上平台的视频监控数据进行本地存储，实现异地容灾备份。

（5）视频数据上传至统一的工业视频监控平台。

（6）远程监控管理终端设置在陆地的生产调度指挥中心，实现对海上平台生产运行和钻井作业状态的有效监控。

3 浅滩海上油气平台智能安防系统构成及其功能要求

海上平台智能安防系统主要由视频监控、AIS船舶识别、定向扩音、智能分析算法组成，具体功能要求分析如下。

3.1 视频监控

视频监控系统采用网际互联协议（Internet Protocol，IP）网络结构，主要由红外热成像仪、防爆球型一体化远距离摄像机、固定枪型摄像机、传输网络、智能网络硬盘录像机、本地监控终端、远程监控终端以及大屏幕显示墙等组成。以某浅滩海上油气平台为例，视频监控系统监视区域主要分为平台周边海面500 m 范围区域监控、平台防爆油气生产区域监控、平台非防爆区域监控共计3 个区域。

在平台四周围栏部署防爆球型摄像机和红外热成像仪，用于实时监控周边海域船只，能实现周边海面500 m 范围区域的实时安全警戒监控。在平台油气生产设施监控和出入口处，设置防爆固定枪型摄像机，用于平台防爆区域的生产设施监控和出入口智能抓拍。在平台的室内非防爆区域，如电气设备间等，设置非防爆固定枪型摄像机，用于房间内生产设施的监控。平台前端摄像机通信组网物理介质采用单模光缆或超五类非屏蔽双绞线。在平台值班室设置汇聚层光口交换机，前端摄像机区域设接入层光口以太网交换机，采用星型组网方式进行组网。

前端摄像机电源：室内摄像机采用有源以太网（Power Over Ethernet，POE）供电或DC 24V 直流电源供电，电源引自平台不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）机柜间。单模光缆或超五类非屏蔽双绞线及电源线敷设，可依托平台内已建的电力桥架和仪表桥架同路由敷设。平台值班室设有本地监控终端和网络硬盘录像机等，安防指挥室设大屏幕显示墙，可实现平台视频画面和其他信息系统画面显示。

非法船只航速最快按照20 km 计算，换算约为617.45 m/min，经过计算，拉设500 m 预警和300 m预警的警戒线，设定约30～60 s 的过渡时间。摄像机水平夹角4°，按照30 s 内使用摄像机锁定船只，摄像机按照每3 s移动一个预制位，设定10 个预制位，单个摄像机可覆盖40°海域。

按照实时360°完全覆盖500 m 海域的监控要求，平台上至少配置防爆固定枪型远距离摄像机90台。由于浅滩海上油气平台安装摄像机位置有限，视频监控系统要满足为按照10 s 内360°完全覆盖500 m 海域的监控要求，平台上还要配置防爆球型一体化远距离摄像机9 台。

3.2 AIS 船舶识别系统及声驱系统

船舶识别系统主要是基于AIS 系统，包括AIS 船舶识别终端、水处理系统（Water Treatment System，WTS）平台端软件、AIS 服务器（含报警输出单元、串口服务器、海域地图）、控制话站模块、音频控制报警模块、防爆警示灯、防爆强声扬声器等。

平台四周摄像机监控杆上安装定向扩音喇叭，音源输入信号取自高清远距离摄像机，在本地监控终端智能安防系统平台进行驱离语音录入。

船舶识别系统能实现对平台周边海域1 km 内的船舶进行识别，当识别到非本单位船舶靠近平台且靠近距离小于300 m 时，输出提示信号（定义为报警信号）。

AIS 报警信号将传送至声驱系统（喇叭）和视频监控系统，声驱系统通过高功率喇叭进行警告驱离，视频监控系统通过AIS 传输信号调动摄像头云台，使摄像头旋转到指定位置拍摄并存储，同时进行画面弹屏。如果非法闯入平台的船只不撤离，摄像机就跟踪拍摄录像存储，上报至该区域海警部门处理。

3.3 非法船只视频识别算法

基于人工智能机器视觉的非法船舶识别算法，以浅滩海油气平台的视频监控系统为载体，针对登陆的各类船舶，研发一套海上平台特殊场景的非法船舶入侵智能识别算法，作为海上油气平台安防系统的智能化手段。本文中非法船舶识别智能算法应用的是YOLOv3 网络结构，该网络结构能够有效识别给定照片中一个或多个目标的存在位置和类型，并利用K-mean 均值聚类算法为每个网格预测9 个模板框，实现多目标预测。YOLOv3 模型可以通过改变模型结构的大小来调整速度与精度，进行多尺度预测，这是当今机器视觉领域经常应用的技术手段。

将海上平台实景拍摄的船舶照片作为数据集，经过图像标记与处理、模型训练与优化、评估模型表现、模型优化调参等多轮机器视觉识别训练，通过对多段实景船舶视频的识别测试，识别工作船只的准确率超过94%，识别非法船只的准确率超过92%，工作船只检测平均精度（Average Precision，AP）为0.95，非法船只检测平均精度为0.92（见图1），工作船只平均召回率(Average Recall，AR)为94.80%，其他船只平均召回率(Average Recall，AR)为92.07%，可以用于识别闯入平台周边300 m 警戒区域的非法船只、工作船只并报警，减少监控管理人员数量，提高海上平台安防水平，填补针对海上平台非法船舶安防的技术空白。

图1 最终模型检测平均精度

3.4 浅滩海上油气平台巡检机器人系统

浅滩海上油气平台巡检机器人系统能接收智能安防系统的联动信号，为个别视频监控盲区及生产人员巡检提供有效的技术支撑和安防技术补充。

机器人巡检系统基于国产北斗卫星定位系统，主要由防爆仿人机器人本体与其他环境传感器、无线通信网络环境、数据采集及生产安全巡检调度平台等部分组成。

根据平台安全生产十年内人工巡检的线路图，在平台上设置机器人巡检路线和重点装置，明确巡检主要工作。平台上进行无线接入点（Access Point，AP）覆盖建设，实现机器人与控制室之间的数据联通。在平台的控制室和二级监控中心部署机器人数据采集控制软件、中心端北斗智能机器人巡检调度平台，实现本地和远程对机器人巡检的实时监控。

4 浅滩海上油气平台智能安防系统的应用效果

在未来的浅滩海上油气平台建设中，智能安防将是必不可少的重要组成部分，可以作为平台无人值守的重要监控手段。智能安防系统应用在未来的浅滩海上油气平台中，能够有效避免非法船只给油气生产平台带来的威胁，提高油气平台工作效率，减少人员工作量，达到减员增效的目的。此外，随着机器人巡检系统相关技术不断成熟，其综合价格将越来越低，可靠性越来越高，必将成为浅滩海上油气田安防领域的重要应用工具。

5 结语

智能安防系统的建设要符合数字化、智能化海上油气开发的要求，可逐步按照“事前预防，事中响应、事后追查”流程进行部署。本文讨论的智能安防系统是将人工智能技术融入海上安防，与AIS、定向广播及机器人巡检系统之间形成互相配合的集成智能系统，使管理人员根据智能安防系统提供的结论进行科学决策，从而有效减少传统安防工作中人工巡检、人工监控等工作量，从技术手段及设备应用上实现数字化、智能化安防。此外，笔者也更加期待，在科技飞速发展、人工智能日新月异的时代，会有更加高效、智能、安全的技术应用到海上油气平台安全防范工作中，为海上油气开发提供重要保障。