本溪市機(jī)電工程學(xué)校 劉 偉

數(shù)字油田(Digital Oilfield)用來對對油田進(jìn)行虛擬表示，是油田現(xiàn)場和人文信息采用聯(lián)網(wǎng)技術(shù)匯集，從而可以探查該虛擬體并進(jìn)行互動。數(shù)字油田作為一套應(yīng)用系統(tǒng)連接地面與井下的閉環(huán)信息采集、雙向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理，在油田生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)程當(dāng)中實時地對勘探開發(fā)方案的執(zhí)行和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)，作為閉環(huán)系統(tǒng)包含所有主要價值循環(huán)過程。油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)實時性；(2)高效性；(3)全方位性；(4)準(zhǔn)確性。是在原有視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上配合智能視頻技術(shù)。

近年來，國內(nèi)三大石油公司投入大量資金進(jìn)行油田的數(shù)字化以及智能化改造，從而來提高企業(yè)競爭力。其中，油田數(shù)字化一個重要部分是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)件。不斷需要對一般智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行考慮，而且要對石油行業(yè)工作環(huán)境進(jìn)行分析。2000年，美國國際高級研究項目署對HID(Human Identification at Distance)遠(yuǎn)距離人臉識別項目進(jìn)行了資助。EMW公司的IVM智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用用先進(jìn)的視頻圖像處理技術(shù)，能夠?qū)撛诘奈ｋU事件進(jìn)行實時、自動化檢測、識別，對多種事件和行為進(jìn)行進(jìn)一步的偵測。

北京大學(xué)視覺與聽覺信息處理國家重點(diǎn)實驗室主要研究高度智能化的機(jī)器感知系統(tǒng)，并在智能機(jī)器人、三維視覺信息處理、言語聽覺技術(shù)等領(lǐng)域都有很多研究成果[1]。

1.智能視頻監(jiān)控的關(guān)鍵問題

對油田現(xiàn)場進(jìn)行智能視頻監(jiān)控的目標(biāo)是使用機(jī)器代替人來監(jiān)視場景及目標(biāo)，智能視頻監(jiān)控主要理論是計算機(jī)視覺。MIT AI實驗室通過對對景物3D重建，通過圖像得出形狀信息劃分三個表象階段，分別為低層視覺、中層視覺和高層視覺。

主要問題如下：

(1)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行快速檢測、跟蹤，分類及識別實時魯棒的運(yùn)動目標(biāo)技術(shù)。

(2)基于移動攝像機(jī)的視頻監(jiān)控。

(3)檢測異常事件、對未來事件進(jìn)行預(yù)測及報警。

(4)非接觸式身份識別。

(5)運(yùn)動分析以及行為理解。

2.智能視頻監(jiān)控中的運(yùn)動目標(biāo)檢測算法分析

2.1 相鄰幀差法

在運(yùn)動目標(biāo)檢測中最常用的算法是相鄰幀差法。該方法處分前景和背景圖像是利用處于運(yùn)動狀態(tài)的物體在圖像序列相鄰兩幀圖像中出現(xiàn)比較明顯的差值圖像實現(xiàn)的。這種方案相對簡單，假設(shè)差分圖像為Di( i, j)，第t+1幀和第t幀圖像在(i, j)分別為ft+1(i, j )、ft( i, j)，進(jìn)行二值得到的結(jié)果是Wt( i, j)，那么得到查分運(yùn)算公式如下：

相鄰幀差法基本要求：目標(biāo)區(qū)域內(nèi)噪聲較小，速度不為0，亮度變化明顯，背景基本無變化。采用相關(guān)方法來補(bǔ)償全局運(yùn)動，如坐標(biāo)變換法、塊匹配法區(qū)域差分雙差分，雙差分法等。雙差分法主要利用噪聲在時間域上表現(xiàn)為難重復(fù)，孤立噪點(diǎn)采用相乘處理來消除。

2.2 光流法

光流是空間運(yùn)動物體被觀測面上的像素點(diǎn)在運(yùn)動時產(chǎn)生的瞬時速度場，包含了物體結(jié)構(gòu)、動態(tài)行為重要信息，光流通常通過相機(jī)運(yùn)動、目標(biāo)運(yùn)動或兩者同時運(yùn)動產(chǎn)生。光流法主要分為三類：基于頻域的方法、基于梯度的方法和基于匹配的方法。

(1)基于頻域的方法

借助速度可調(diào)的濾波組來對相位和頻率信息進(jìn)行輸出，對初始光流估計具有很高的精確度，但是計算復(fù)雜，可靠性評價較差。

(2)基于匹配的方法

該方法有兩種：基于區(qū)域的方法、基于特征的方法。

1)基于區(qū)域的方法

主要用在視頻編碼中，先定位類似的區(qū)域，然后對光流通過相似區(qū)域的位移進(jìn)行計算，存在光流不稠密的特點(diǎn)。

2)基于特征的方法

不斷定位和跟蹤目標(biāo)主要特征，具有魯棒性特點(diǎn)，缺點(diǎn)是光流很稀疏，不容易進(jìn)行特征提取和精確匹配。

(3)基于梯度的方法

利用圖像序列的時空微分來對2D速度場進(jìn)行計算。主要是光流計算時的可靠性評價因子的選擇和可調(diào)參數(shù)的人工選取[2][3]。

3.智能視頻監(jiān)控在數(shù)字油田的應(yīng)用

3.1 油田應(yīng)用的現(xiàn)狀

(1)新疆油田

新疆油田比較早的對幾個沙漠油田進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行實施，，但是對于老區(qū)塊基本還沒有實現(xiàn)自動化。需要對老區(qū)推廣油田數(shù)字化改造從而來保證生產(chǎn)安全。

(2)遼河油田

遼河油田進(jìn)行油氣生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)只存在比較小的規(guī)模，很多老區(qū)基本沒有對數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行開展。

(3)塔里木油田

塔里木油田是國內(nèi)第二大油田。數(shù)字化建設(shè)發(fā)展具有不均衡的特點(diǎn)，現(xiàn)場采集部分自動化程度低，具有較大的系統(tǒng)建設(shè)缺口。

3.2 油田的數(shù)字化建設(shè)的特點(diǎn)

(1)油區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)薄弱

很多油區(qū)離城市比較遠(yuǎn)，處于比較偏僻的山區(qū)、戈壁或沙漠，能夠依托的社會通信資源十分稀缺，油田自主進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)投資建設(shè)費(fèi)用高。所以，老油田生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)薄弱，嚴(yán)重阻礙了數(shù)字化的進(jìn)程。

(2)數(shù)字化覆蓋率較低、建設(shè)不平衡

數(shù)字化覆蓋率比較低；油水井、老區(qū)塊較低、氣井、新建區(qū)塊具有較高的數(shù)字化。

(3)信息化以及自動化融合力度不夠

數(shù)據(jù)和信息的利用和服務(wù)方面利用深度不夠；數(shù)據(jù)分析方法欠缺；沒有很好的形成數(shù)據(jù)為油田生產(chǎn)服務(wù)的意識，油田信息化、自動化脫節(jié)嚴(yán)重，沒有把生產(chǎn)分析優(yōu)化還有信息化缺很好的結(jié)合。

所以對油田數(shù)字化進(jìn)行建設(shè)要分析油田各自的特點(diǎn)來進(jìn)行改造，不但數(shù)字化數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)流程，而且整合和改組上游行業(yè)更高層次，從而使油田智能化加強(qiáng)。數(shù)字化方面需要包含生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實時采集、現(xiàn)場故障分析還有及時診斷等業(yè)務(wù)，主要目標(biāo)是：提高油田勞動效率，降低勞動強(qiáng)度，對以人為本的理念進(jìn)行落實；對勞動組織模式進(jìn)行優(yōu)化，減少用工量，降低生產(chǎn)成本；實時對油氣田的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行了解，從而作整體的分析與管理。

3.3 數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

(1)智能視頻監(jiān)控硬件方案

油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括前端圖像數(shù)據(jù)采集、編碼壓縮傳輸、軟件解碼、圖像數(shù)據(jù)分析、報警聯(lián)動、系統(tǒng)整合、后端存儲控制等功能。按照油田的現(xiàn)狀和系統(tǒng)的要求，得到了油田視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖[4](見圖1)。

(2)智能視頻監(jiān)控組網(wǎng)方案

組網(wǎng)方案見圖2。方案實施方法如下：

①在監(jiān)測點(diǎn)各安裝一臺紅外網(wǎng)絡(luò)高清攝象機(jī)，有兩個監(jiān)測點(diǎn)攝像機(jī)使用云臺進(jìn)行控制。

②視頻信號采用以太網(wǎng)方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，接著送到以太網(wǎng)交換機(jī)上，再連接到服務(wù)器還有不同部門的電腦。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能視頻監(jiān)控組網(wǎng)方案圖

③服務(wù)器把視頻信號傳送到電視墻并顯示出來，數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱疟P陣列存儲起來。

(3)智能視頻監(jiān)控設(shè)備

①一體化攝像機(jī)：光學(xué)變焦大于18倍，當(dāng)油田井場油井?dāng)?shù)目大于3口的時候，攝像機(jī)需要配套云臺。

②智能分析視頻服務(wù)器：具備視頻接入端口，圖像識別功能，控制電纜接口，TCP/IP傳輸協(xié)議，WEB管理，系統(tǒng)維護(hù)、升級功能。

③輔助照明燈。

4.結(jié)論及建議

智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)在加快國內(nèi)油田業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息化建設(shè)還有提高企業(yè)整體管理水平方面具有重要意義。針對油田不同的特點(diǎn)，以及考慮相關(guān)費(fèi)用，采用具有較高精度的目標(biāo)檢測算法，并應(yīng)用相關(guān)的硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)件，并且提出合理化的組網(wǎng)方案。為了加快國內(nèi)油田數(shù)字化建設(shè)的進(jìn)程，需要著重研究視頻檢測系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)如火如荼來對事件進(jìn)行評估，以及保證數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。

[1]Kim,IS.Intelligent Visual Surveillance-A Survey.International Journal of Control Automation and Systems,2010,8(5):926-939.

[2]王素玉,沈蘭蓀,李曉光.一種用于智能監(jiān)控的目標(biāo)檢測和跟蹤方法[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2008,25(8):2393-2395.

[3]張海青,李厚強(qiáng).基于蒙特卡羅方法的目標(biāo)跟蹤[J].中國圖像圖形學(xué)報,2008,13(5):937-938.

[4]張文香.面向數(shù)字油田的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)[D].甘肅:蘭州理工大學(xué),2012.