孫偉峰，戴永壽，王 艷，李立剛

（1．中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2．青島濱海學院 機電工程學院，山東 青島 266555）

海洋采油平臺是進行海洋油氣資源開發(fā)的生產(chǎn)基地，大多采用無人值守或少人值守的方式進行生產(chǎn)[1]。近年來，登陸平臺破壞、偷盜開采工藝設施的現(xiàn)象逐漸增多，不僅嚴重影響了油田安全生產(chǎn)，更為重要的是容易造成海洋環(huán)境污染，給海洋生態(tài)造成不可估計的損失。同時，為保證正常生產(chǎn)，對平臺生產(chǎn)過程進行監(jiān)測也非常重要[2]。因此，為確保海上油區(qū)安全生產(chǎn)，進行海洋無人值守采油平臺安防生產(chǎn)聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)的設計開發(fā)具有十分重要的意義。現(xiàn)有的海洋采油平臺安全監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下不足：1）方案設計不夠完善，探測識別設施的布設與現(xiàn)場安裝不盡合理；2）沒有實現(xiàn)平臺侵入視頻聯(lián)動監(jiān)控的功能，智能化程度有待提高；3）不具備對平臺生產(chǎn)過程進行監(jiān)控的功能。

針對以上功能需求及現(xiàn)有平臺監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題，結合海洋采油平臺的實際工作環(huán)境，設計了一套海洋采油平臺安防生產(chǎn)聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)方案并進行了開發(fā)應用。系統(tǒng)采用多重侵入探測識別手段，引入現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術、視頻聯(lián)動監(jiān)控報警技術、信息無線遠傳技術以及遠程監(jiān)控技術，實現(xiàn)了平臺侵入及生產(chǎn)設備故障視頻聯(lián)動跟蹤報警的功能，并能夠對報警信息進行無線遠傳。系統(tǒng)能夠在海上復雜環(huán)境下穩(wěn)定工作，可靠性高，安裝、調試方便，易于維護。系統(tǒng)的實施可以及時有效地發(fā)現(xiàn)不法分子進入采油平臺，延緩或阻止他們對采油設施的破壞，保證平臺生產(chǎn)過程的正常進行。

1 系統(tǒng)總體設計

在對系統(tǒng)功能需求進行調研分析的基礎上，綜合考慮安全性、功能性、適用性與經(jīng)濟性，設計開發(fā)了海洋采油平臺安防生產(chǎn)聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布采集、集中監(jiān)控的設計思想，分為海洋平臺子系統(tǒng)、無線遠傳子系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心子系統(tǒng)3部分，總體結構如圖1所示。

圖1 安防生產(chǎn)聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)總體結構Fig．1 Structure diagram of the security and production linkagemonitoring system

海洋平臺子系統(tǒng)由紅外探測器與門磁開關組成的前端識別探測器陣列、生產(chǎn)監(jiān)控PLC、監(jiān)控主機、智能攝像機、聲光報警器及無線網(wǎng)絡設備組成。設計時主要考慮系統(tǒng)對海洋環(huán)境的適應性、探測方式的選擇與探測器的布設安裝及系統(tǒng)維護等因素，通過優(yōu)化設計，合理選擇探測器的安裝位置，保證系統(tǒng)功能的前提下精簡探測器數(shù)量，節(jié)省成本的同時也方便后續(xù)維護。無線遠傳子系統(tǒng)實現(xiàn)平臺視頻信息與報警信息的無線傳輸，設計時主要考慮信號傳輸?shù)目煽啃?，適應海面風浪、鏡面等復雜條件。遠程監(jiān)控中心子系統(tǒng)[5]由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)庫服務器及無線網(wǎng)絡設備組成，設計時主要考慮信號顯示的直觀性、豐富性、操作的方便性以及數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。

3個子系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)了以下主要功能：1）平臺侵入多重探測識別與聯(lián)動監(jiān)控報警。當前端識別探測器陣列檢測到有平臺侵入發(fā)生時，能夠驅動攝像系統(tǒng)聯(lián)動跟蹤到報警位置進行監(jiān)視錄像，并驅動聲光報警器發(fā)出高音報警。2）生產(chǎn)過程故障視頻聯(lián)動監(jiān)控報警。當檢測到平臺生產(chǎn)過程出現(xiàn)故障時，攝像系統(tǒng)能夠聯(lián)動跟蹤到發(fā)生故障的設備處進行監(jiān)視錄像。3）視頻與報警信息無線遠傳。系統(tǒng)能夠將平臺侵入及生產(chǎn)過程故障信號匯總形成報警信息，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至遠程監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控中心可以實時訪問平臺的視頻監(jiān)視信息。

2 海洋平臺子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

海洋平臺子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的主體部分，結合海洋采油平臺的安防生產(chǎn)現(xiàn)狀，采用紅外、門磁探測、PLC監(jiān)測、視頻聯(lián)動跟蹤、聲光報警的運行模式，實現(xiàn)安防生產(chǎn)監(jiān)控從被動向主動模式的轉換。該子系統(tǒng)由平臺侵入信號探測識別模塊、生產(chǎn)過程故障監(jiān)測模塊、平臺侵入與生產(chǎn)過程故障信號采集模塊、監(jiān)控主機模塊以及聯(lián)動控制模塊組成。

為了滿足海上復雜環(huán)境的要求，海洋平臺子系統(tǒng)的設計需要滿足防爆和海上三防設計要求。出于安全性考慮，紅外探測器進行防爆技術升級，采用帶有玻璃窗口的隔爆外殼封裝；門磁開關、視頻裝置安裝部位為安全區(qū)域；信號線和電纜線采用船用鎧裝電纜，進入隔爆外殼均采用隔爆形密封夾緊裝置；紅外線隔爆盒、隔爆接線箱采用不銹鋼材質，解決了防爆、防火、防潮濕、防鹽霧、防霉菌的問題。

2.1 平臺侵入信號探測識別模塊設計

根據(jù)海洋平臺的實際結構與所處環(huán)境，確定平臺重點防登陸部位包括井口平臺與工藝平臺周界、平臺登陸梯和平臺登陸門；其中，平臺周界、平臺登陸梯部位利用紅外探測器進行侵入識別，平臺登陸門部位采用門磁開關進行侵入檢測，整個平臺以及重點防范部位采用視頻監(jiān)測方式進行監(jiān)視，總體結構示意如圖2所示。

圖2 海洋平臺侵入識別結構示意圖Fig．2 Schematic diagram of offshore platform invasion recognition

紅外線屬于環(huán)境因素不相干性良好且對目標因素相干性良好的探測介質，適合海洋平臺周界及平臺登陸梯部位的防范探測。在探測器選型上，結合海上平臺安裝、調試難度和防侵入設施所需的隱蔽性，系統(tǒng)選用ALEPH公司XA-060D型雙射線紅外主動對射探測器。該型號探測器在濃霧或天氣惡劣時會自動增強靈敏度、采用防雷擊電路設計及全密封防雨、防霧、防塵等全天候一體化結構設計，使其能夠在惡劣的環(huán)境中正常工作，適合在海洋環(huán)境中安裝。在井口平臺與工藝平臺的外圍輪廓分別安裝四對紅外探測器，形成“電子圍欄”；在平臺爬梯部位安裝一對紅外探測器，形成登陸平臺的第一道防護網(wǎng)。

門磁開關是一種探測門、窗是否被打開或移動的安全監(jiān)測裝置。系統(tǒng)選用ALEPH DC-1561型門磁開關，該型號的門磁開關耐壓性、耐沖擊性良好，抗震能力強。將其安裝于平臺登陸門部位并澆注密封，以達到安全及防護要求。這樣，在平臺爬梯部位采用紅外與門磁開關雙重探測識別，提高了識別的可靠性與報警的準確性。

視頻信號直觀性強，便于辨識目標。系統(tǒng)采用兩臺一體化高速智能攝像機對全平臺進行無縫監(jiān)控，1號攝像機安裝在工藝平臺的高壓配電室房頂，2號攝像機安裝于注水平臺的護欄上，分別對計量平臺和井口平臺進行實時監(jiān)控，同時兩臺攝像機又有相互重疊的監(jiān)視區(qū)域，以加強對重點區(qū)域的監(jiān)視。攝像機選型需要滿足海上平臺復雜環(huán)境的要求，系統(tǒng)選用了SFY2006一體化高速攝像機，該攝像機滿足防爆和防水等要求，具有最高的防護等級IP68，能夠在惡劣環(huán)境下使用。

2.2 生產(chǎn)過程故障監(jiān)測模塊設計

與防止非法侵入的安全監(jiān)控相比，對平臺生產(chǎn)過程故障進行監(jiān)控也同樣重要。生產(chǎn)過程故障監(jiān)測模塊具有對采油平臺生產(chǎn)設備的運行狀況進行實時監(jiān)測的功能。注水平臺、井口平臺以及工藝平臺上生產(chǎn)設備的重要生產(chǎn)運行參數(shù)，如壓力、溫度、流量、液位等，由平臺生產(chǎn)設備監(jiān)控PLC進行采集，然后利用故障分析程序進行判斷。對每個具體的生產(chǎn)設備，其各個參數(shù)狀態(tài)的故障判斷結果通過邏輯“或”的關系形成該設備最終的故障信號輸出。

硬件選型上，系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7-300可編程邏輯控制器進行參數(shù)采集，該款PLC采用模塊化結構設計，各種單獨的模塊之間可靈活組合以實現(xiàn)具體的功能。

2.3 信號采集模塊設計

信號采集模塊實現(xiàn)對紅外探測器以及門磁開關等前端探測器的輸出信號、生產(chǎn)監(jiān)控PLC輸出信號以及攝像系統(tǒng)視頻信號的采集。

紅外探測器、門磁開關的輸出均為開關量信號，在生產(chǎn)監(jiān)控PLC模塊中端接數(shù)字量輸出板卡形成數(shù)字量輸出，3類數(shù)字量信號通過數(shù)字量采集模塊進行采集，然后利用RS485總線實現(xiàn)現(xiàn)場信號數(shù)字化傳輸，在簡化信號線路的同時，提高了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，增強了信號傳送的抗干擾能力[6]。RS485信號最終經(jīng)RS485-RS232轉換器由RS232總線傳送至安全監(jiān)控主機。安全監(jiān)控主機中的信號采集程序以100ms的定時間隔對紅外探測傳感器以及門磁開關的信號進行檢測，以1 s的定時間隔對生產(chǎn)過程故障信號進行查詢，及時捕獲平臺侵入信號與生產(chǎn)過程故障信號。數(shù)字量信號采集的原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字量信號采集框圖Fig．3 Structure diagram of digital signal acquisition

系統(tǒng)中，數(shù)字量采集采用中泰RM446模塊，該模塊可以接受16路數(shù)字量信號輸入，并支持4路數(shù)字量信號輸出；RS485-RS232轉換器采用中泰RM436模塊。

視頻信號采集由視頻采集卡完成，視頻信號通過視頻線與視頻采集板卡的視頻輸入端子相連，經(jīng)PCI插槽接入監(jiān)控主機。系統(tǒng)中選用了?？低旸S-4004HC 4路視音頻采集壓縮卡進行視頻信號采集。

2.4 監(jiān)控主機模塊設計

安全監(jiān)控主機是整個系統(tǒng)的核心，其功能主要包括：實時檢測紅外探測器及門磁開關的狀態(tài)；及時監(jiān)測平臺生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)信息；視頻信號的采集、顯示與智能攝像機控制；當判斷探測器報警或生產(chǎn)過程出現(xiàn)故障時，驅動平臺視頻攝像機聯(lián)動跟蹤到預設的報警區(qū)域進行監(jiān)視錄像，并將報警信息發(fā)送至無線遠傳子系統(tǒng)；驅動平臺上的報警器高音報警。

以上功能的實現(xiàn)由安全監(jiān)控主機內嵌的侵入及故障信號采集處理軟件、視頻監(jiān)視軟件以及報警聯(lián)動控制軟件完成。信號采集處理軟件完成所有紅外探測器與門磁開關信號以及生產(chǎn)過程參數(shù)的讀取并進行分析處理，一旦判斷有異常發(fā)生，則立即啟動報警聯(lián)動控制軟件向聯(lián)動控制模塊發(fā)出控制命令。視頻監(jiān)視軟件具有平臺視頻監(jiān)視信息顯示、報警信息提示、攝像機云臺及鏡頭控制、預置位設置、視頻運動自動偵測錄像以及視頻信息遠程傳輸?shù)墓δ堋?/p>

以監(jiān)控主機為核心的安防生產(chǎn)聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)總體結構及硬件連接框圖如圖4所示，其工作原理為：1）監(jiān)控主機的COM1口與RM436模塊的232接口相連，將232信號轉換為485信號，然后連接RM446模塊的485接口。紅外探測器受光器的輸出、門磁開關的報警輸出以及PLC單元的數(shù)字量輸出分別與446模塊的數(shù)字量輸入端相連，完成平臺侵入信號與生產(chǎn)過程參數(shù)的采集。2）監(jiān)控主機的COM2口與RM436模塊的RS232口相連，將232信號轉換為485信號后，與視頻攝像機的485控制口相連，實現(xiàn)對攝像機的云臺與鏡頭控制及預置位設置。3）視頻采集卡通過PCI插槽與監(jiān)控主機的主板相連，攝像機的視頻線與采集板卡的視頻輸入接口相連，實現(xiàn)對視頻信號的采集。4）RM446模塊的數(shù)字量輸出控制繼電器驅動報警器工作。5）視頻監(jiān)視信息以及報警信息通過網(wǎng)口經(jīng)網(wǎng)絡交換機發(fā)送到無線網(wǎng)絡。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)總體構成Fig．4 Overall composition of themonitoring system

系統(tǒng)采用一臺高性能計算機作為安全監(jiān)控主機，工作穩(wěn)定、可靠，可擴展性強。

2.5 聯(lián)動控制模塊設計

聯(lián)動控制模塊實現(xiàn)攝像機的聯(lián)動跟蹤控制及驅動聲光報警器報警功能。安全監(jiān)控主機采集前端探測器及生產(chǎn)監(jiān)控PLC的輸出信號并做出判斷，若識別有平臺侵入或設備故障發(fā)生，則獲取報警區(qū)域或故障設備的位置信息，然后報警聯(lián)動控制程序將相應的預置位命令發(fā)送給智能攝像機的云臺解碼器，視頻攝像機就能夠快速跟蹤到相應區(qū)域預設的監(jiān)視位置進行監(jiān)視錄像；同時，將報警信號傳送至RM446模塊，通過其數(shù)字量輸出驅動聲光報警器報警。

3 無線遠傳子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

無線遠傳子系統(tǒng)實現(xiàn)海洋平臺視頻監(jiān)視信息、侵入信息以及設備故障信息的無線遠程傳輸，架設起海洋平臺子系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心子系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁[3-4]。監(jiān)控主機的視頻監(jiān)視軟件通過對網(wǎng)絡參數(shù)進行配置，可以實現(xiàn)視頻信息的網(wǎng)絡轉發(fā)；同時，信號處理程序能夠將報警信號或故障信號整理成報警或故障信息，包括報警及故障發(fā)生的時間、方位以及報警類型等，通過網(wǎng)絡交換機發(fā)送至無線網(wǎng)絡。

根據(jù)海上平臺的位置分布特點及所處的特殊環(huán)境，網(wǎng)絡系統(tǒng)設計采用“中心匯聚、主干回傳”的網(wǎng)絡結構作為網(wǎng)絡系統(tǒng)的主體架構，以海上中心平臺為核心，通過點對多點無線設備連接周邊衛(wèi)星平臺，優(yōu)化無線中心點和遠程接入點設置，合理規(guī)劃無線頻率分配，構成3個中心匯聚網(wǎng)絡。3個中心平臺與遠程監(jiān)控中心之間使用3套點對點高速無線網(wǎng)橋作為信息回傳的主干鏈路；中心平臺之間安裝兩條無線鏈路用于故障冗余，結合IpStar衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡和海底光纜網(wǎng)絡，進行網(wǎng)絡系統(tǒng)的多鏈路整合。

結合海洋平臺所處環(huán)境及傳輸距離、傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)擴展等要求，系統(tǒng)選用Alvarion公司的BreezeACCESSVL無線寬帶產(chǎn)品作為構建網(wǎng)絡的主要設備。該產(chǎn)品適應海上惡劣氣候環(huán)境，點對點鏈接距離最遠為60公里，扇區(qū)覆蓋距離最遠為10公里，能夠確?？焖佟⑦B貫、可靠的數(shù)據(jù)服務。通過帶寬管理、動態(tài)帶寬分配、流量優(yōu)先的服務質量機制，保證了各種網(wǎng)絡傳輸應用的暢通運行?，F(xiàn)場運行表明，無線遠傳子系統(tǒng)能夠在海面風浪、鏡面等條件下穩(wěn)定傳輸，抗干擾能力強，信號質量穩(wěn)定。

4 遠程監(jiān)控中心子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

遠程監(jiān)控中心子系統(tǒng)[5]由數(shù)據(jù)庫服務器、監(jiān)控計算機等設備組成，主要實現(xiàn)對海洋開發(fā)平臺進行總體的監(jiān)視控制及報警信息顯示與存儲功能。通過監(jiān)控中心的計算機可實時查看報警區(qū)域的視頻信息，并能夠操控平臺攝像機轉向所關注的區(qū)域進行監(jiān)視，結合實時接收到的平臺侵入及設備故障信息進行綜合判斷，最終形成平臺侵入及設備故障實情結論并形成實時數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)報警與故障的智能診斷提供基礎數(shù)據(jù)。

4.1 總體監(jiān)視控制

遠程監(jiān)控中心的授權用戶通過視頻監(jiān)控客戶端管理軟件或IE登陸的方式，可以在網(wǎng)絡內實時訪問海洋平臺現(xiàn)場視頻，并能夠實現(xiàn)對平臺攝像系統(tǒng)的遠程控制以及錄像資料的查詢回放等功能。

4.2 報警信息顯示與存儲

遠程監(jiān)控中心能夠實時接收并顯示海洋平臺傳來的報警及故障信息，相關人員可結合現(xiàn)場視頻信息驗證異常報警的真?zhèn)危⒉扇∠鄳奶幚砼e措；同時將這些報警或故障信息及相應處理措施保存至數(shù)據(jù)庫，以便進行歷史查詢。

5 結 論

該系統(tǒng)采用多重探測識別手段對平臺進行立體監(jiān)測，覆蓋平臺所有重點侵入位置及重要設備區(qū)域，保證了平臺整體的監(jiān)控效果。系統(tǒng)從設計到實施都考慮到了海洋平臺的復雜環(huán)境，保證了系統(tǒng)的適用性。系統(tǒng)的設計開發(fā)滿足了海洋采油平臺的生產(chǎn)現(xiàn)狀及實際功能需求，也為后續(xù)海洋無人值守采油平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用實施提供了有力的技術支撐。

本系統(tǒng)暫不具備對進入平臺的運動目標進行動態(tài)跟蹤的功能，下一步應考慮利用圖像模式識別及運動目標跟蹤技術來改進視頻監(jiān)控方式，采用數(shù)字視頻移動偵測技術探測、跟蹤移動物體，更好地跟蹤記錄侵入對象的信息，以滿足平臺不斷變化的環(huán)境條件，減少意外報警，進一步提升系統(tǒng)的智能化水平。

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