吳 剛，劉 浩，楊國(guó)超，楊小兵

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田長(zhǎng)北作業(yè)分公司，陜西西安 710016）

1 研究背景分析

1.1 背景介紹

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截止2017年底中國(guó)油氣管道總里程已超過(guò)13.3×104km，按照中國(guó)油氣管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，到2025年規(guī)模將達(dá)到24×104km。油氣輸管道距離長(zhǎng)，分布廣，管道沿線地形、地貌復(fù)雜多變。采氣管道作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈，一旦發(fā)生安全事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的環(huán)境影響，還會(huì)帶來(lái)負(fù)面的社會(huì)影響。因此采氣管道的安全問(wèn)題是社會(huì)、政府和管道公司關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。根據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）統(tǒng)計(jì)，目前采氣管道面臨的安全問(wèn)題主要來(lái)自于第三方破壞，其主要包括人為破壞和機(jī)械破壞。人為破壞指使用工具在管道附近進(jìn)行破壞活動(dòng)，機(jī)械破壞指采用重型機(jī)械挖掘作業(yè)[2]。由于長(zhǎng)輸管道大多分布在荒郊野外等無(wú)人值守的區(qū)域，所以容易受到第三方破壞發(fā)生管道斷裂和油氣泄漏等事故。

長(zhǎng)北項(xiàng)目是中國(guó)已建成陸上天然氣最大國(guó)際合作開發(fā)項(xiàng)目。位于鄂爾多斯盆地長(zhǎng)慶靖邊氣田東北部，隸屬陜西省榆林市及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，該區(qū)大部分處于毛烏素沙漠。由于終年暴露在野外和所處地理位置、氣候環(huán)境的特殊性，管線除了要遭受惡劣天氣的侵襲外，各種施工、違法違章行為引發(fā)的管道第三方破壞事故和案件也呈逐年上升趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅天然氣輸送的安全，對(duì)廠區(qū)整個(gè)采氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也造成了一定的阻礙。因此為確保長(zhǎng)北作業(yè)分公司管線控制范圍內(nèi)（地域權(quán)限范圍或國(guó)家法律法規(guī)規(guī)定的有效范圍）對(duì)第三方施工、管線的自然災(zāi)害、管線及管線附屬設(shè)施的巡查及保護(hù)，特此長(zhǎng)北作業(yè)分公司進(jìn)行管線巡護(hù)服務(wù)工作以保證管線的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。需要對(duì)所轄的支干線、單井管線、回注井管線、供水管線、電力線及光纜進(jìn)行巡護(hù)。而目前天然氣管線的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及預(yù)警主要依賴于人工巡線（管線巡護(hù)情況見表1），這種傳統(tǒng)方式具有工作模式艱苦、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)不全面的缺點(diǎn)。采用新技術(shù)以減輕天然氣管線風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及預(yù)警的負(fù)擔(dān)，有效保障天然氣傳輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，成為今后面臨的主要問(wèn)題之一[3]。所以開展采氣管線風(fēng)險(xiǎn)辯識(shí)及預(yù)警系統(tǒng)研究，對(duì)可能影響管線安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)和預(yù)警，降低管線被破壞的可能性，保障天然氣傳輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 長(zhǎng)北作業(yè)分公司管線巡護(hù)情況

目前長(zhǎng)北作業(yè)分公司需要巡護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的管線有CPF外輸線、C1支線、C6支線、TPO干線，共計(jì)8.5 km，需要每天進(jìn)行巡護(hù)任務(wù)。巡護(hù)時(shí)包括對(duì)8.5 km電力線與光纜線路的巡護(hù)。特別說(shuō)明，2018年7月9日對(duì)《長(zhǎng)慶油田作業(yè)分公司集輸管網(wǎng)管理細(xì)則》部分內(nèi)容進(jìn)行修訂補(bǔ)充。文件指出對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管段必須每天巡檢不少于1次；對(duì)于管道兩側(cè)保護(hù)范圍內(nèi)存在大型機(jī)械施工、鉆探、爆破等第三方施工、地震等特殊情況，出現(xiàn)地質(zhì)滑坡及其他自然災(zāi)害地段的管道，對(duì)管道安全造成影響時(shí)，進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控。

1.2 人工巡檢現(xiàn)狀分析

采氣管道巡檢工作的目標(biāo)是有效消除可能的隱患或損失，保障管網(wǎng)安全，進(jìn)而降低成本、提高工作績(jī)效的高效管理。而傳統(tǒng)的采氣管線巡檢主要是由工作人員到管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)人工目測(cè)，巡檢效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。特別是一些地勢(shì)險(xiǎn)峻，路途崎嶇的線路，巡檢難度大。因此，用傳統(tǒng)的手段對(duì)采氣管道實(shí)施巡檢，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展和現(xiàn)代化管理的需要。具體體現(xiàn)在：

（1）不利于隨時(shí)掌握巡檢員執(zhí)勤的到位情況。無(wú)法有效地保證巡檢人員按計(jì)劃要求，按時(shí)按周期對(duì)所有管網(wǎng)展開巡察，使巡檢工作的質(zhì)量和管網(wǎng)狀態(tài)的真實(shí)性難得以保證。

（2）不利于及時(shí)掌握隱患情況及跟蹤管理。很多重大的事故都是因?yàn)殡[患得不到及時(shí)解決或解決不徹底而造成的，缺乏有效跟蹤復(fù)查隱患處理的平臺(tái)，導(dǎo)致巡檢發(fā)現(xiàn)采氣管道及設(shè)施的隱患無(wú)法有效跟蹤。

（3）不利于掌握危及管網(wǎng)和附近設(shè)施安全的狀況及可靠的記錄存檔。大多巡檢仍在使用手寫報(bào)告記錄的方式記錄巡檢信息，不僅信息不全面，而且隨意性較大。這種方式費(fèi)工、保持不便。如果錄入電腦存檔，又存在數(shù)據(jù)丟失，錄入錯(cuò)誤的問(wèn)題，耗工費(fèi)時(shí)且很難全面體現(xiàn)真實(shí)情況。

（4）不利于出現(xiàn)特殊情況時(shí)對(duì)管道進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控。根據(jù)2018年7月9日《長(zhǎng)慶油田作業(yè)分公司集輸管網(wǎng)管理細(xì)則》部分內(nèi)容進(jìn)行修訂補(bǔ)充內(nèi)容說(shuō)明，對(duì)于管道兩側(cè)保護(hù)范圍內(nèi)存在大型機(jī)械施工、鉆探、爆破等第三方施工、地震等特殊情況，出現(xiàn)地質(zhì)滑坡及其他自然災(zāi)害地段的管道，對(duì)管道安全造成影響時(shí)，進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控，人工巡檢無(wú)法完成。

（5）不利于進(jìn)行數(shù)字化分析管理和輔助決策的實(shí)施。巡檢前，要準(zhǔn)備巡檢任務(wù)單和操作程序卡；巡檢中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，又要填寫危險(xiǎn)點(diǎn)及安全措施單據(jù)等記錄單，不僅工作繁瑣，而且對(duì)發(fā)現(xiàn)的管網(wǎng)隱患及故障無(wú)法進(jìn)行有效地分類統(tǒng)計(jì)分析，乃至季節(jié)性、階段性的工作重點(diǎn)，都無(wú)法進(jìn)行有效到位的安排。

（6）不利于及時(shí)搶修任務(wù)分派和就近調(diào)度。當(dāng)發(fā)生事故或搶修任務(wù)時(shí)，搶修應(yīng)急反應(yīng)速度無(wú)法考核，無(wú)法掌握事故處理細(xì)節(jié)，不利于產(chǎn)出有效地跟蹤分析，提高各項(xiàng)應(yīng)急處理效能。

（7）不利于對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警判斷。危險(xiǎn)預(yù)警一方面是觀測(cè)和分析當(dāng)前監(jiān)測(cè)的前管網(wǎng)狀態(tài)是否處于危機(jī)邊界范圍，另一方面是在掌握管網(wǎng)現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，對(duì)是否需要進(jìn)行報(bào)警進(jìn)行測(cè)算，即預(yù)測(cè)功能。傳統(tǒng)的人工巡檢不具有實(shí)效性，無(wú)法滿足對(duì)管網(wǎng)的全天候巡查，進(jìn)而無(wú)法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警判斷處置。

所以，面對(duì)采氣管道線路增長(zhǎng)迅速的態(tài)勢(shì)和復(fù)雜地勢(shì)的日常檢修、故障探測(cè)等特殊性，迫切需要發(fā)展智能巡檢技術(shù)[4]。

2 基于云圖像的監(jiān)控巡線系統(tǒng)分析

2.1 必要性分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像監(jiān)控技術(shù)在長(zhǎng)采氣管道安全生產(chǎn)、應(yīng)急管理等方面的數(shù)字化轉(zhuǎn)化型升級(jí)蘊(yùn)藏巨大潛力。圖像監(jiān)控的第一要?jiǎng)?wù)是在最短的時(shí)間內(nèi)反饋目標(biāo)監(jiān)控對(duì)象的受控情況，而基于云圖像的監(jiān)控是在圖像監(jiān)控的基礎(chǔ)上引入智能識(shí)別分析以及定位，將巡檢人員從長(zhǎng)途跋涉以及繁雜而枯燥的盯屏任務(wù)中解脫出來(lái)，由機(jī)器來(lái)完成工作。采氣管道圖像巡檢監(jiān)控，要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警并處置。另外從大量圖像數(shù)據(jù)中快速檢索出關(guān)心的內(nèi)容，采用人工的圖像監(jiān)控和事件回放檢索的方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。

基于云圖像的監(jiān)控系統(tǒng)是一套將圖像采集、分析及預(yù)警管理高度集成到一個(gè)控制平臺(tái)的安防管理系統(tǒng)，通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止非法入侵等，借助聲光報(bào)警、圖像信號(hào)、自動(dòng)跟蹤鎖定并生成事件報(bào)告記錄，提示值班人員及時(shí)處理。為生產(chǎn)、生活提供穩(wěn)定的保障并降低因安全因素而帶來(lái)的各種影響。

油田采氣管道圖像監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)分析采集的圖像數(shù)據(jù)，將場(chǎng)景中的背景和目標(biāo)進(jìn)行分離，智能化識(shí)別并判斷被監(jiān)視目標(biāo)是否存在安全威脅，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒁霈F(xiàn)的威脅進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，及時(shí)向管理人員發(fā)出警報(bào)。圖像經(jīng)過(guò)3D數(shù)字降噪、圖像霧化、寬動(dòng)態(tài)、圖像防抖動(dòng)預(yù)處理，再進(jìn)行濃縮、檢索、復(fù)原、拼接等圖像處理后，借助強(qiáng)大的圖像分析功能可以進(jìn)行人和車輛識(shí)別、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、行為分析、目標(biāo)跟蹤、圖像診斷等。

隨著云技術(shù)、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，圖像智能分析工具的日益成熟完善，采氣管道智能巡檢監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合采氣管道實(shí)際情況、相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)及成本等因素綜合選擇。智能圖像監(jiān)控技術(shù)將變革傳統(tǒng)的采氣管道巡檢模式，為智能管網(wǎng)等額運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持[5]。

2.2 應(yīng)用前景分析

基于云圖像的監(jiān)控巡線系統(tǒng)建設(shè)后，將提供一個(gè)可靠的圖像監(jiān)測(cè)信息傳輸平臺(tái)；對(duì)檢修人員有針對(duì)性地提高巡檢及檢修質(zhì)量等方面具有現(xiàn)實(shí)意義；將巡檢人員的現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)巡視+經(jīng)驗(yàn)判斷的檢查模式變?yōu)樽詣?dòng)采集+智能分析，降低了工作強(qiáng)度，減少了遺漏及誤判的可能性；將分散的巡視檢查變?yōu)榧斜O(jiān)控。該系統(tǒng)的建立將對(duì)各種危及管網(wǎng)安全生產(chǎn)的隱患進(jìn)行預(yù)警，將會(huì)大大增加管網(wǎng)危險(xiǎn)點(diǎn)的全面檢測(cè)能力，大大完善采氣管道的故障檢測(cè)系統(tǒng)，從而保障管網(wǎng)的安全生產(chǎn)，同時(shí)提高安全運(yùn)行能力。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)其生產(chǎn)成本和人工成本有所降低，保障相關(guān)工作人員的安全，不僅提高了采氣管網(wǎng)的可靠性，且有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

基于云圖像的監(jiān)控巡線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是提高巡檢效率，節(jié)省人力成本。操作人員只需要通過(guò)主站系統(tǒng)，就可以進(jìn)行方便、快捷的控制，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力成本，避免了傳統(tǒng)人工巡線任務(wù)繁重。二是可以檢修情況連續(xù)跟蹤，并且保留圖片，對(duì)進(jìn)一步分析故障及檢修方法提供了有效的技術(shù)手段。三是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，豐富了突發(fā)情況下的檢測(cè)手段。四是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)式管理，更有利于數(shù)據(jù)的調(diào)用與管理。五是通過(guò)基于云圖像的監(jiān)控巡線系統(tǒng)可以做到對(duì)管網(wǎng)的危險(xiǎn)預(yù)警判斷并第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警處置，從而降低事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。六是所有設(shè)備屬于一次投資，僅需要定期進(jìn)行設(shè)備檢修與維護(hù)。

3 采氣管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警云圖像協(xié)同辨識(shí)及定位關(guān)鍵技術(shù)分析

本文以井叢管線為試點(diǎn)進(jìn)行基于云圖像的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警協(xié)同辨識(shí)及定位關(guān)鍵技術(shù)研究。為此設(shè)計(jì)監(jiān)控巡線系統(tǒng)，其包括在線監(jiān)測(cè)裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)及主站系統(tǒng)。以達(dá)到對(duì)巡視人員不易到達(dá)或重點(diǎn)巡查地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，進(jìn)而大大提高巡查的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，并降低投入成本，同時(shí)為監(jiān)測(cè)潛在事故點(diǎn)的預(yù)判及解決提供了必要條件。

3.1 天然氣支干線管理現(xiàn)狀

長(zhǎng)北68口生產(chǎn)井、2口回注井都面臨大量的外協(xié)管理難題，以S117井和S119井為例。S117井部分管段位于榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鎮(zhèn)波羅灘村二組，2018年10月一老鄉(xiāng)反映，在挖排水溝的過(guò)程中挖出了管線。將所在區(qū)域重新挖開并檢查后發(fā)現(xiàn)：注醇管線3/4"，有長(zhǎng)35 mm，寬19 mm，深度2 mm的損傷；天然氣管線上有長(zhǎng)25 mm，寬3 mm，深度1 mm的損傷。其后對(duì)S117實(shí)施了關(guān)斷、隔離、泄壓措施，所幸此次事件無(wú)甲醇和天然氣泄漏，無(wú)人員受傷，事發(fā)時(shí)S117井未生產(chǎn)，處于恢復(fù)壓力關(guān)井狀態(tài)。11月對(duì)管線進(jìn)行了修復(fù)處理后，S117井恢復(fù)正常生產(chǎn)。此次事件造成氣井停產(chǎn)20 d，損失氣量50余萬(wàn)立方米。S119井位于陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗村，是一口柱塞措施井，管線長(zhǎng)度1.45 km，埋深1.5 m。2018年10月底巡線人員發(fā)現(xiàn)S119管線標(biāo)示樁被拔，私自占?jí)汗芫€約260 m，對(duì)涉及人員進(jìn)行勸誡并下發(fā)危險(xiǎn)告知書無(wú)果，目前管線占?jí)簡(jiǎn)栴}尚未得到妥善處置。

造成事件的原因：（1）在開管線上方施工作業(yè)前未與長(zhǎng)北進(jìn)行及時(shí)溝通；（2）巡線周期為“一周一巡”，在巡線空檔期施工，巡線人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止事件發(fā)生。

3.2 在線監(jiān)測(cè)裝置

在線監(jiān)測(cè)裝置，采用高性能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、低功耗云臺(tái)進(jìn)行間隔1 h現(xiàn)場(chǎng)拍攝。該系統(tǒng)可以直接將攝像頭安裝于距離采氣管道不遠(yuǎn)處的電力桿塔上，且利用電壓互感器進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)采氣管道及周圍環(huán)境的全天候監(jiān)測(cè)，監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖（見圖1），與采用光伏供電等其他供電方式相比，經(jīng)濟(jì)無(wú)后期維護(hù)費(fèi)用，且長(zhǎng)期穩(wěn)定。

在實(shí)際運(yùn)行情況中，可能會(huì)出現(xiàn)電力線故障以及檢修等情況。針對(duì)此類問(wèn)題，擬采用如下兩種解決方案。方案一，根據(jù)人工巡線經(jīng)驗(yàn)判斷，選取高風(fēng)險(xiǎn)管線中常發(fā)生事故的位置，為此段線路的監(jiān)測(cè)點(diǎn)加裝太陽(yáng)能光伏板，作為其備用電源。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池、交流逆變器組成。當(dāng)電力線路故障或檢修停電時(shí)，如果此時(shí)光照強(qiáng)度滿足則通過(guò)太陽(yáng)能光伏后備電源為其供電；當(dāng)陰雨天或者光照不滿足時(shí)，通過(guò)蓄電池供電，確保在極端條件下對(duì)攝像機(jī)供電從而保證對(duì)高危管線風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的可靠性。方案二，采用UPS作為攝像機(jī)的后備電源。主要由主路、旁路、電池等電源輸入電路，進(jìn)行AC/DC變換的整流器（REC），進(jìn)行DC/AC變換的逆變器（INV），逆變和旁路輸出切換電路以及蓄能電池組成。當(dāng)突發(fā)停電時(shí)，UPS電源開始工作，由儲(chǔ)能電池供給負(fù)載所需電源，維持設(shè)備正常工作。UPS的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的不間斷供電能力，放電穩(wěn)定，可以大電流放電以及工作溫度范圍較寬等。具體安裝方案確定需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定。

3.3 圖像傳輸系統(tǒng)

本文通過(guò)電力線載波通信（PLC）中的中壓載波通信，采用OFDM調(diào)制解調(diào)方式，利用現(xiàn)有10 kV電力線路作為通信傳輸介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸。通過(guò)中壓載波通信耦合器搭建中壓載波通信機(jī)與10 kV電力線路的載波通信通道，中壓載波通信從機(jī)從互感器低壓側(cè)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取圖像信息，調(diào)制后經(jīng)10 kV耦合器耦合到10 kV電力線路，中壓載波通信主機(jī)通過(guò)10 kV耦合器從10 kV電力線路接收到載波信號(hào)，解調(diào)后發(fā)送到主站系統(tǒng)，原理圖（見圖2）。中壓載波通信由于使用現(xiàn)有的、完善的電力線作為傳輸通道，不需要線路投資的有線專網(wǎng)通信方式，具有投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工容易、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理分析，基于圖像識(shí)別預(yù)警分析結(jié)果，對(duì)采氣管道情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。

3.4.1 主站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 現(xiàn)有的圖像和視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是簡(jiǎn)單的將這些多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度端，不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，還需要接收端的工作人員對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析和識(shí)別；不僅如此，人的眼睛長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)疲勞，從而會(huì)導(dǎo)致判斷結(jié)果準(zhǔn)確度下降，這嚴(yán)重影響了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控自動(dòng)化的程度。同時(shí)，圖像和視頻數(shù)據(jù)存量巨大、增長(zhǎng)速度快且價(jià)值密度低，人工檢查和識(shí)別可能發(fā)現(xiàn)一些有用信息，但是效率低下，并且給出的結(jié)果存在主觀性、模糊性、不完全等問(wèn)題。因此，對(duì)非結(jié)構(gòu)化視頻和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，從中提取并識(shí)別出重要設(shè)備，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，提高設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和管理水平具有十分重要的意義。因此，對(duì)管網(wǎng)所位于的環(huán)境區(qū)域中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警識(shí)別，是當(dāng)前智能化基于圖像的管網(wǎng)故障與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別平臺(tái)亟需解決的。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

圖2 基于中壓載波通信的圖像傳輸系統(tǒng)原理圖

本文開展基于網(wǎng)絡(luò)攝像頭的采氣管道保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及預(yù)警技術(shù)的研究，利用基于稀疏表示的圖像去噪技術(shù)，通過(guò)選取或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某陚渥值?，?gòu)建出基于圖像的多形態(tài)稀疏表示模型，去除圖像中存在的噪聲；利用深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集到的圖像信息，運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，辨識(shí)采氣管道保護(hù)區(qū)存在的風(fēng)險(xiǎn)；利用基于隨機(jī)抽樣一致性的圖像匹配技術(shù)，確定不同網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝到的圖像之間像素的匹配關(guān)系，得到保護(hù)區(qū)中風(fēng)險(xiǎn)信息的相應(yīng)位置進(jìn)行定位與追蹤，并對(duì)工作人員提供相應(yīng)的預(yù)警，方便工作人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)排除潛在的風(fēng)險(xiǎn)，原理流程圖（見圖 3）。

本文的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下三點(diǎn)：

（1）基于稀疏表示的圖像去噪技術(shù)。通過(guò)建立基于圖像的多形態(tài)稀疏表示模型，以稀疏表示模型為基礎(chǔ)，用簡(jiǎn)潔的方式表示圖像。通過(guò)選取或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某陚渥值洌瑧?yīng)用基于不同訓(xùn)練策略的超完備字典分別進(jìn)行去噪等處理，針對(duì)圖像不同的幾何、紋理結(jié)構(gòu)形態(tài)，構(gòu)建出基于圖像的多形態(tài)稀疏表示模型，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝照片的噪聲去除，完成圖像預(yù)處理工作。

（2）基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采氣管道路風(fēng)險(xiǎn)信息識(shí)別技術(shù)。常規(guī)故障識(shí)別方法難以分析復(fù)雜多變的情況下可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)情況，難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別采氣管道風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)代大數(shù)據(jù)和人工智能方法應(yīng)用在風(fēng)險(xiǎn)信息識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究，采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采氣管道風(fēng)險(xiǎn)信息識(shí)別技術(shù)，將風(fēng)險(xiǎn)信息分為動(dòng)態(tài)識(shí)別和靜態(tài)識(shí)別。利用深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集的圖像信息，運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，對(duì)采氣管道中存在的風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行識(shí)別。

圖3 面向采氣管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的云圖像協(xié)同辨識(shí)及定位關(guān)鍵技術(shù)原理流程圖

（3）基于隨機(jī)抽樣一致性的圖像匹配技術(shù)。模擬人類視覺，使用隨機(jī)抽樣一致性的圖像匹配方法，從兩個(gè)或者多個(gè)攝像頭觀察一個(gè)物體，獲取在不同視角下的圖像，利用隨機(jī)抽樣一致性算法匹配不同圖像之間像素的關(guān)系，確定保護(hù)區(qū)中風(fēng)險(xiǎn)信息的相應(yīng)位置，并進(jìn)行定位與追蹤。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)信息辨識(shí)和預(yù)測(cè)情況，對(duì)工作人員發(fā)送相應(yīng)的預(yù)警信息，方便工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)排除潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

本文將圖像人工智能識(shí)別技術(shù)和深度視覺技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)北采氣管道巡線中的風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、高效、全面地識(shí)別與預(yù)警，解決了之前靠人工所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。一方面能夠節(jié)省人工成本，另外一方面能夠確保天然氣管道位置中的風(fēng)險(xiǎn)信息辨識(shí)和預(yù)警的及時(shí)性、全面性，保證天然氣傳輸安全、可靠的運(yùn)行，帶來(lái)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4.2 報(bào)警系統(tǒng) 作為主站系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，報(bào)警系統(tǒng)的功能主要包括如下三個(gè)方面：

（1）報(bào)警系統(tǒng)基于圖像處理分析的結(jié)果提供可靠的數(shù)據(jù)信息，以確保不會(huì)發(fā)生漏報(bào)、誤報(bào)以及不報(bào)等情況，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)與報(bào)警信息相同步的目的。

（2）為了使得工作人員操作更加便捷，主站系統(tǒng)在對(duì)多個(gè)攝像頭同時(shí)利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像識(shí)別后，僅當(dāng)出現(xiàn)事故或者預(yù)警時(shí)，將圖像及位置顯示在服務(wù)器屏幕上，從而避免多攝像頭多屏幕的問(wèn)題。

（3）通過(guò)系統(tǒng)處理判斷后的報(bào)警信息將通過(guò)語(yǔ)音、聲光報(bào)警、短信等方式第一時(shí)間傳遞給值班的工作人員，以達(dá)到對(duì)報(bào)警信息及時(shí)處理的目的，從而保證管網(wǎng)安全生產(chǎn)和可靠運(yùn)行。

3.5 與人工巡線對(duì)比

目前，長(zhǎng)北作業(yè)分公司人工巡線包括：正常巡線、加密巡線和礦權(quán)巡線，根據(jù)不同的巡線任務(wù)需要4至6名工作人員參與，并需要符合要求的車輛、手持GPS、執(zhí)法記錄儀等設(shè)備，要求加密巡線不得占用正常巡護(hù)人員及車輛。同時(shí)，對(duì)巡護(hù)人員，公司需定期組織安排培訓(xùn)，以提升員工業(yè)務(wù)能力和安全操作意識(shí)。此外，對(duì)巡檢車輛，公司需制定相應(yīng)的維護(hù)管理制度，做到定期車輛安全檢查，以避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。并且對(duì)巡線任務(wù)需要填寫巡護(hù)記錄，要求對(duì)發(fā)現(xiàn)的隱患問(wèn)題進(jìn)行匯報(bào)、拍照以及錄像。綜合來(lái)看，4條高風(fēng)險(xiǎn)管線CPF外輸線（358 m）、C1支線（4 412 m）、C6支線（2 206 m）及TPO干線（1 517 m）巡線任務(wù)每?jī)赡昃托枰冻?0萬(wàn)元的費(fèi)用以及大量未知外協(xié)事宜。

本文采用的面向采氣管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的云圖像協(xié)同辨識(shí)及定位關(guān)鍵技術(shù)，僅在室內(nèi)就能夠完成實(shí)時(shí)巡檢任務(wù)，對(duì)事故或隱患可自動(dòng)進(jìn)行拍照、定位、預(yù)警以及報(bào)警等工作。本文技術(shù)亦不需要巡檢車輛以及相應(yīng)的安全檢查，并且對(duì)人員的要求十分寬松，僅需監(jiān)控室1人，若采用聲光報(bào)警或短信報(bào)警系統(tǒng)甚至無(wú)需人員全天候監(jiān)控。具體對(duì)比內(nèi)容（見表2）。

表2 人工巡護(hù)與本文采用技術(shù)對(duì)比情況

表3 高風(fēng)險(xiǎn)管線巡護(hù)費(fèi)用明細(xì)表（2年費(fèi)用）

表4 本文采用技術(shù)方案費(fèi)用預(yù)算（高風(fēng)險(xiǎn)管線）

為了更加直觀的對(duì)傳統(tǒng)人工巡線以及本文所提出的方法進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明，本文所提出方法的大概預(yù)算費(fèi)用（見表4）。其中選用的攝像頭有效工作范圍為200 m，數(shù)量為43個(gè)。在實(shí)際安裝過(guò)程中，則需要根據(jù)管線現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行調(diào)整。如果現(xiàn)場(chǎng)情況滿足，可以選用有效范圍更大的攝像頭，以減少攝像頭購(gòu)置費(fèi)用，從而降低總投資費(fèi)用。通過(guò)對(duì)巡線合同金額和表4進(jìn)行對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：本文提出的方法屬于一次性投資，初次投入費(fèi)用82萬(wàn)元較人工巡線費(fèi)用高，若后期做好設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)備的有效工作時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)高于2年，相應(yīng)的費(fèi)用和成本會(huì)有效降低，長(zhǎng)期來(lái)看該方法更實(shí)惠有效；根據(jù)2018年7月9日《長(zhǎng)慶油田作業(yè)分公司集輸管網(wǎng)管理細(xì)則》部分內(nèi)容進(jìn)行修訂補(bǔ)充說(shuō)明，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)管段必須每天巡檢不少于一次，如果由人工巡檢完成，費(fèi)用會(huì)繼續(xù)增加；當(dāng)出現(xiàn)特殊情況及自然災(zāi)害地段的管道，如果對(duì)管道安全造成影響時(shí)，需要進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控，而人工巡檢無(wú)法實(shí)時(shí)做到24 h不間斷監(jiān)控；如果采用本文提出的方法，則無(wú)須追加任何費(fèi)用就可以完成對(duì)其24 h不間斷監(jiān)控任務(wù)。

4 總結(jié)

長(zhǎng)北作業(yè)分公司管線，需每天進(jìn)行巡護(hù)管理，基于其維護(hù)任務(wù)量繁重，為防止第三方破壞嚴(yán)重惡化，本文提出面向采氣管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的云圖像協(xié)同辨識(shí)及定位關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)將圖像人工智能識(shí)別技術(shù)和深度視覺技術(shù)結(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集圖像，然后通過(guò)中壓載波通信傳輸至主站系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)主站系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行基于云圖像的協(xié)同辨識(shí)及定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)北采氣管道巡線中的風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、高效、全面地識(shí)別與預(yù)警。進(jìn)而節(jié)省人工成本，與此同時(shí)24 h確保天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)信息辨識(shí)和預(yù)警的及時(shí)性、全面性，保證天然氣傳輸安全、可靠的運(yùn)行，帶來(lái)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)與安全效益。