程有為，于巾濤，董金平，蘇宏偉，李婷玉，徐 震，田 楓，劉 芳

（1.中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北唐山 063004；2.東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

我國油田大多分布在氣候比較嚴(yán)峻的戈壁和沙漠地帶。在實際油田工作中，現(xiàn)有的巡檢手段和措施在一定程度上滿足了油田的需求，但是人工巡檢效率不高，特別是應(yīng)對緊急情況，在信息交互和協(xié)調(diào)水平上，傳統(tǒng)的人工巡檢手段很容易造成危害控制不及時，甚至導(dǎo)致更大的財產(chǎn)損失。油田視頻監(jiān)控系統(tǒng)是油田安全生產(chǎn)監(jiān)管中不可缺少的重要組成部分［1］［2］。然而傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)自身存在一定的缺陷。普通監(jiān)控攝像頭主要用于對所發(fā)生事件的實時機械記錄，并且由于產(chǎn)品自身配置軟件的性能較差，不能對移動目標(biāo)進行實時監(jiān)控與行為的區(qū)分；監(jiān)控攝像頭的像素和分辨率也較差，只能通過畫面的前后對比對所監(jiān)控畫面進行辨別；另外傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控在很大程度上多依賴于人的主觀判斷，由于人類自身生理上的弱點，有時無法察覺安全危險，從而導(dǎo)致漏報現(xiàn)象的發(fā)生；傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由安全工作人員對安全危險做出響應(yīng)和處理，在危險發(fā)生時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將直接關(guān)系到人身安全和財產(chǎn)安全。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將計算機視覺的相關(guān)技術(shù)引入到油田視頻監(jiān)控中。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種更加高級的視頻監(jiān)控應(yīng)用，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控相比較，在很多方面存在著優(yōu)勢。首先，在監(jiān)控的連續(xù)性方面，工作人員不必一直緊盯著屏幕，避免長期疲勞，并且可以長時間地進行監(jiān)控，真正做到全天候的監(jiān)控。其次，在監(jiān)控的有效性方面，由于人能管理的范圍是有限的，管理人員不能同時兼顧多個視頻，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以自動進行智能監(jiān)控，工作人員只需在接到智能預(yù)警時及時地處理突發(fā)情況即可。因此既可以擴大監(jiān)控范圍，又可以提高監(jiān)控效率。最后，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以適應(yīng)各種氣候條件，在監(jiān)控條件上不受自然環(huán)境的限制；在監(jiān)控實時性上，能夠做到事前預(yù)警，快速對突發(fā)事件做出反應(yīng)，從而減少對油田造成的損失。在油田作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以自動檢測，而且可以識別視頻中潛在的危險、可疑物體和突發(fā)事件等不安全因素，并能夠以最快的方式提供有用的信息并發(fā)出警報，從而更加有效地協(xié)助安全人員處理危險，減輕人員負(fù)擔(dān)和提高監(jiān)控系統(tǒng)效率，并最大限度降低誤報現(xiàn)象的發(fā)生。

1995年美國、西歐、日本等國家100多家石油化工企業(yè)宣布實施CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）計劃。該計劃推動了流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用［3］。英國石油公司建立的油田監(jiān)控系統(tǒng)對油井作業(yè)區(qū)的設(shè)備進行監(jiān)控，要求圖像清晰、網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢。如果有人非法侵入油井作業(yè)區(qū)，不但能夠聯(lián)動攝像機進行錄像抓拍，同時也會聯(lián)動警號、警燈進行語音提示，并發(fā)送短信到值班人員的手機上。意大利的AGIP石油公司提出以數(shù)據(jù)為核心的工廠信息集成系統(tǒng)方案，達到了很高的水平。Honey Well公司推出的TDC-3001油田自動控制系統(tǒng)功能齊全，完全能夠滿足對油田抽油機井進行全方位監(jiān)控的需求［4］。

我國在油田井場監(jiān)視方面，盡管起步較晚，但也取得了一定的進步。2009年，凌國春論述了采油井場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理、技術(shù)方案以及主要功能，提出無線網(wǎng)橋和CDMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用到油田井場的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)降低了一線工人的勞動強度，并能有效遏制井場盜竊等行為［5］。2010年，大慶油田在油田站（井）場外部安裝網(wǎng)絡(luò)紅外高速球攝像機，通過光纖接入、SCDMA無線接入、SCDMA McWiLL無線寬帶接入等多種方式將油田前線的攝像機連入監(jiān)控中心，實現(xiàn)告警、錄像等多種功能［6］。

1 油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架

油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用四層架構(gòu)模式，包括基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)分析層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和應(yīng)用終端層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。基礎(chǔ)資源層主要是對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護，包括探頭配置管理和數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)傳輸；數(shù)據(jù)分析層由視頻存儲服務(wù)、智能分析服務(wù)和學(xué)習(xí)算法服務(wù)組成，對于視頻存儲服務(wù)有兩種方式，即非結(jié)構(gòu)化存儲和結(jié)構(gòu)化存儲，智能分析服務(wù)包括人員檢測、跟蹤檢測、入侵檢測和著裝檢測，學(xué)習(xí)算法服務(wù)包括模型庫和樣本庫；在業(yè)務(wù)應(yīng)用層中，主要是報警聯(lián)動，會對數(shù)據(jù)分析層傳送的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)研判和相應(yīng)的應(yīng)急處理，使用Socket技術(shù)對異常信息進行推送；應(yīng)用終端層則是油田作業(yè)現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)?；A(chǔ)資源層將采集到的油田現(xiàn)場實時視頻傳送給數(shù)據(jù)分析層，數(shù)據(jù)分析層經(jīng)過學(xué)習(xí)算法和視頻存儲對視頻進行智能分析，數(shù)據(jù)分析層將分析后的結(jié)果傳送給業(yè)務(wù)應(yīng)用層，業(yè)務(wù)應(yīng)用層判斷當(dāng)前視頻是否需要觸發(fā)報警聯(lián)動，最后結(jié)果推送給系統(tǒng)前端界面。

圖1 油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of oilfield intelligent video surveillance system

2 系統(tǒng)功能模塊與需求分析

經(jīng)過實地調(diào)研和油田監(jiān)控中心業(yè)務(wù)人員的反饋，再結(jié)合實際情況，設(shè)計了油田作業(yè)現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊，如圖2所示。連接管理模塊包含服務(wù)器連接和數(shù)據(jù)庫連接兩個子模塊，分別用來連接服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫；檢測參數(shù)管理模塊有檢測功能管理和檢測細節(jié)管理，可以對每個攝像頭賦予一個相應(yīng)的檢測功能；在設(shè)備管理模塊中，主要是對攝像頭的一些基本信息進行維護，具備對監(jiān)控的攝像頭增、刪、改、查功能；權(quán)限管理中，可以由超級管理員對用戶角色和所屬部門進行管理，這就使得不同的管理員有不同的權(quán)限，方便業(yè)務(wù)管理，責(zé)任明確；用戶信息是對當(dāng)前登錄用戶信息的維護；在視頻流管理模塊中，可以指定每個通道播放視頻。

圖2 油田作業(yè)現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能圖Fig.2 The functional diagram of the intelligent video monitoring system on the oilfield operation site

3 Socket信息傳輸

Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API，也是在Internet上進行應(yīng)用開發(fā)最為通用的API。Socket技術(shù)實際上是在計算機中提供了一個通信端口，可以通過這個端口與任何一個具有接口的計算機通信。應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、接收的信息都通過Socket接口來實現(xiàn)。Socket的基本工作原理如圖3所示。

圖3 Socket通信Fig.3 Socket communication

首先，服務(wù)器監(jiān)聽到一個固定的端口，然后，客戶端連接到服務(wù)器，該服務(wù)器執(zhí)行接收操作，接收客戶端的連接。當(dāng)連接創(chuàng)建成功后，就進行數(shù)據(jù)傳輸，等到數(shù)據(jù)傳輸完畢后，服務(wù)端和客戶端就斷開連接［7］。Socket具有以下幾點好處：（1）Socket技術(shù)可以實現(xiàn)跨平臺之間的通信。例如，服務(wù)器運行在Ubuntu系統(tǒng)下，客戶端運行在Windows平臺上。（2）Socket技術(shù)在很大程度上減少了網(wǎng)絡(luò)通信中的難題?；谝陨蟽蓚€優(yōu)點，本文使用了Socket I/O多路復(fù)用通信技術(shù)，用來啟動和關(guān)閉檢測算法。具體的實現(xiàn)步驟如圖4所示。

圖4 Socket I/O多路復(fù)用通信Fig.4 Socket I/O multiplexed communication

在客戶端與服務(wù)器端之間的通信，Socket主要負(fù)責(zé)對服務(wù)器進行啟動和關(guān)閉，Socket的Server端啟動后根據(jù)CS端的輸入使用TCPSocket sever和Client通信，Client端則嵌入在CS端中負(fù)責(zé)發(fā)出啟動和關(guān)閉的信息，Sever端進行信息的響應(yīng)，其具體流程如下：（1）發(fā)送啟動或者關(guān)閉檢測算法的消息。（2）Socket server接到消息，查詢數(shù)據(jù)庫，獲取當(dāng)前指定服務(wù)器所運行檢測程序的數(shù)量。（3）正在輪詢的檢測算法信息表查詢。（4）判斷當(dāng)前服務(wù)器是否達到任務(wù)負(fù)載上限。（5）對應(yīng)服務(wù)器是否開啟。（6）開啟檢測算法。（7）推出檢測視頻流。（8）Server將推出的RTSP流返回給超級管理員和對應(yīng)的普通管理員。（9）普通超級管理員收到RTSP流消息進行視頻流播放。

4 油田作業(yè)現(xiàn)場危險因素智能識別模型設(shè)計

4.1 構(gòu)建油田作業(yè)現(xiàn)場危險數(shù)據(jù)集

一個合適的數(shù)據(jù)集對于目標(biāo)檢測或者目標(biāo)識別而言相當(dāng)重要。在實際調(diào)研和實際需求驅(qū)動下，本文根據(jù)具體的油田作業(yè)現(xiàn)場情況將油田存在的危險因素劃分為：安全規(guī)范著裝、警戒區(qū)域入侵、煙火、抽煙、漏液等類型。并根據(jù)危險因素的劃分、場景以及具體的檢測要求，收集和制作相應(yīng)的數(shù)據(jù)集，為后續(xù)訓(xùn)練模型做準(zhǔn)備。

4.2 模型設(shè)計

近年來，隨著計算機硬件能力的提升和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測算法逐漸代替了傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測算法。同時根據(jù)是否有候選區(qū)域生成，又可以將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)檢測算法劃分為基于分類的目標(biāo)檢測算法和基于回歸的目標(biāo)檢測算法。經(jīng)過實驗和對比分析，基于回歸的目標(biāo)檢測算法檢測速度較快、實時性較好，同時在準(zhǔn)確率上的表現(xiàn)也滿足實際需求。因此，本文采用了基于回歸的目標(biāo)檢測算法作為檢測模型生成算法。實驗中算法模型如表1所示。

表1 目標(biāo)檢測算法實驗對比Tab.1 Experimental comparison of target detection algorithms

通過實驗可以看出，F(xiàn)ast R-CNN與Faster R-CNN在mAP上的表現(xiàn)不相上下，但是兩者在實時性上（檢測速度）都有著很低的幀率。相較于前兩者，YOLOv1、YOLOv3、YOLOv5在mAP上的表現(xiàn)逐漸增強，而且三者的幀率相差無幾。為了保證檢測的準(zhǔn)確性和實時性，本文選用了YOLOv5作為訓(xùn)練模型的算法。部分檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 智能識別算法模型效果圖Fig.5 Effect diagram of intelligent recognition algorithm model

5 油田作業(yè)現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

5.1 系統(tǒng)主頁面展示

系統(tǒng)功能主要包含用戶信息、設(shè)備管理、檢測參數(shù)管理、權(quán)限管理、攝像頭啟動識別設(shè)置、異常信息管理和服務(wù)器管理等。系統(tǒng)頁面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 The main interface of the system

5.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理主要是以表格的形式將監(jiān)控攝像頭的簡要信息進行展示，對監(jiān)控攝像頭的查詢、修改、添加以及刪除，為管理員提供方便的管理界面。具體的設(shè)備管理界面如圖7所示。

圖7 設(shè)備管理界面Fig.7 Device management interface

5.3 檢測參數(shù)管理

在檢測參數(shù)管理界面，展示了已經(jīng)部署的算法，可以對檢測算法進行管理，同時也可以新增檢測算法并且提示管理員該算法是否已經(jīng)部署。如果管理員要對某一算法刪除，系統(tǒng)就會提示警報信息，告訴管理員謹(jǐn)慎操作（圖8）。

圖8 檢測參數(shù)管理Fig.8 Detection parameter management

6 結(jié) 論

本文首先對油田作業(yè)現(xiàn)場傳統(tǒng)的巡檢模式進行了闡述，其中包括人工巡檢和傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是兩者都存在其自身的弊端。其次，經(jīng)過對油田作業(yè)現(xiàn)場的實地考察和根據(jù)油田監(jiān)控中心業(yè)務(wù)人員的反饋，提出了一種基于流媒體服務(wù)器的油田作業(yè)現(xiàn)場智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)控和檢測的功能，在很大程度上提高了油田作業(yè)現(xiàn)場的工作效率。最后，對該智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在Windows操作系統(tǒng)的PC端進行了開發(fā)與調(diào)試。結(jié)果表明，油田智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過視頻實時監(jiān)控油田生產(chǎn)現(xiàn)場，盡早發(fā)現(xiàn)疑似存在的不安全工作因素，降低了危險發(fā)生的概率，保證了油田安全生產(chǎn)順利進行。