張皓若，王怡瑋，毛炳強

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油集團工程股份有限公司，北京

3國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心，北京

1. 引言

目前，熱成像監(jiān)控技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、公安監(jiān)控等領(lǐng)域，石化企業(yè)也開始逐漸使用紅外熱像儀查看管道的保溫隔熱層有無損壞、是否有泄漏、用于防火監(jiān)控等。國內(nèi)輸油氣管道工程由于不需要太遠的監(jiān)控距離，因而沒有相關(guān)的應(yīng)用。

但是，隨著管道局海外戰(zhàn)略的拓展，將來會有一大批海外輸油氣管道工程，而海外輸油氣管道工程大多地處社會治安敏感區(qū)，業(yè)主對安防提出更高的要求，要求長距離監(jiān)控以及夜晚燈光滿足不了照度要求的情況下也能實現(xiàn)人員入侵的監(jiān)控。

對于地處社會治安敏感區(qū)內(nèi)的站場，不法分子作案時通常會隱蔽在草叢及樹林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺錯覺，容易產(chǎn)生錯誤判斷。尤其在晚上攝像前端的攝像效果往往都很差，如果晚上發(fā)生破壞事件，很難捕捉到相關(guān)信息，紅外熱成像技術(shù)是被動接受目標(biāo)自身的熱輻射，人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此不易偽裝，也不容易產(chǎn)生錯誤判斷，能及時發(fā)現(xiàn)異常，采取行動[1]。

為了給運維人員爭取足夠的時間阻止破壞的發(fā)生，本文針對以上問題，提出了采用熱成像監(jiān)控技術(shù)，將熱成像監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于油氣管道工程(高風(fēng)險地區(qū)和戰(zhàn)爭易發(fā)生區(qū)域)，熱成像監(jiān)控技術(shù)不受環(huán)境的影響，穿透能力強，能察覺隱蔽目標(biāo)，采集圖像距離遠，能起到很好的預(yù)警作用。

2. 熱成像監(jiān)控技術(shù)

任何物體絕對溫度高于-273.16°都能發(fā)射紅外線，紅外線都載有物體的熱特征信息，熱成像攝像機就是根據(jù)物體發(fā)出的紅外線來攝像的，它利用紅外探測器、光學(xué)成像器件將接收的紅外線轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)字處理轉(zhuǎn)化成視頻信號在后端顯示器進行顯示，后端顯示器根據(jù)現(xiàn)場不同的溫度差別來區(qū)分不同的物體形狀。圖1 為熱成像攝像機原理圖[2]。

Figure 1. Schematic view of thermal imaging camera圖1. 熱成像攝像機原理圖

傳統(tǒng)的熱成像攝像機在進行編碼過程中總會出現(xiàn)一定的失真，一些細節(jié)部分難免會丟失，而往往這些細節(jié)部分是監(jiān)測的關(guān)鍵點，為了實現(xiàn)圖像的無失真?zhèn)鬏?，本方案在傳統(tǒng)攝像機基礎(chǔ)上對圖像進行重構(gòu)處理，采用小波濾波和二次匹配算法，對已有圖像進行最大程度的細節(jié)還原，以保留關(guān)鍵的識別點(用以區(qū)分危險入侵元素)，圖2 為本方案的熱成像原理圖。

Figure 2. Thermal imaging schematic diagram of this scheme圖2. 本方案的熱成像原理圖

本設(shè)計的核心是在原有攝像機基礎(chǔ)上重點增加了二次匹配算法：匹配算法就將模板與圖像進行匹配，模板作為一個小窗口搜索整個圖像，按照計量方法搜索整個區(qū)域，找到關(guān)鍵點，對關(guān)鍵點進行加強。原理如下圖3。

Figure 3. Matching algorithm圖3. 匹配算法

為了更為方便地找到關(guān)鍵點，利用誤差進行分析，即將模板與被搜索區(qū)域取向量誤差，并設(shè)定一個合理的誤差閾值E0，當(dāng)E(i,j)＞E0，即停止搜索。

而二次匹配算法就是在進行2 次模板匹配，首次匹配將模板的隔行隔列數(shù)據(jù)取出來(1/4 模板)，在被處理圖像上進行隔行隔列匹配(1/4 圖像范圍)，在匹配過程中需要設(shè)計一個合理的誤差閾值E0：

e0為各點平均最大誤差，一般去40～50 即可，m和n為模板的長寬。

第二次匹配是在經(jīng)過首次匹配后的誤差最小點的鄰域內(nèi)，對目標(biāo)圖像進行搜索匹配，找到匹配點，得到結(jié)果。

3. 方案設(shè)計

本方案將改進的熱成像監(jiān)控技術(shù)與智能分析技術(shù)相結(jié)合，前端熱成像攝像機對監(jiān)測對象進行圖像采集，通過視頻纜將模擬圖像不失真的傳送至網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，經(jīng)過后端智能識別系統(tǒng)對采集的圖像進行特征點識別，當(dāng)相似性達到一定設(shè)定值即驅(qū)動報警單元，實現(xiàn)報警。

前端熱成像攝像機采集視頻信息，通過傳輸線纜接到網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器進行編碼及存儲，并通過智能分析服務(wù)器對拍攝的視頻進行智能分析區(qū)分異常事件，并通過監(jiān)控終端進行報警顯示以及日常視頻的監(jiān)測。另外，報警管理主機一旦有報警，通過信號轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器聯(lián)動前端攝像機進行可視化監(jiān)控。

本設(shè)計采用的熱成像攝像機為PELCO 生產(chǎn)的一體化熱成像攝像機，敏感原材采用非制冷微測輻射熱計，氧化釩(圖4)。

熱成像攝像機不受光照條件影響，不依賴于光源，依靠監(jiān)測對象自身的溫度差發(fā)熱成像，無論白天黑夜都可以正常工作。熱成像攝像機利用的是紅外線熱成像原理，紅外線波長較長，穿透效果好，即使在雨霧的惡劣環(huán)境下仍然可以正常觀測。因此在夜間及雨霧等惡劣天氣情況下，利用紅外熱成像儀可以對目標(biāo)進行正常的監(jiān)控[4] [5] [6]。

Figure 4. Schematic drawing圖4. 方案設(shè)計圖

4. 工程應(yīng)用及實際效果

4.1. 工程應(yīng)用

本文以伊拉克xxx 管道工程10#閥室為例進行說明。10#閥室場區(qū)40 m × 48 m，場區(qū)中心位置一桿安裝2 臺槍式熱成像攝像機，選用的攝像機的傳輸距離為10 km (圖5)。

Figure 5. Camera layout圖5. 攝像機布置圖

本工程采用在中心位置一桿安裝2 臺槍式熱成像攝像機，同時，圍墻設(shè)置周界報警終端設(shè)備，實現(xiàn)雙重報警，提高報警準(zhǔn)確性，當(dāng)有人進入預(yù)警范圍內(nèi)時(10 km)，攝像機自動將圖像傳至附近的站場顯示終端，站場站控室人員通過觀察人員的動態(tài)進行辨識是否具有入侵行為，如果有，即時做出應(yīng)急處理，進行現(xiàn)場阻止，同時，本工程采用了第二道防線，圍墻周界報警系統(tǒng)，萬一熱成像攝像機沒有監(jiān)測到危險人員的闖入，穿越圍墻時會立即報警，附近站場運維人員即可趕到閥室進行處理。兩道防線極大地降低了風(fēng)險，為站場安防提供了更為有利的保障。

本工程做到了無論白天還是黑夜都能很好的預(yù)警，為站場運維人員阻止可能發(fā)生的破壞爭取了足夠的時間，切實保護了站場設(shè)備的安全，特別適合于在不安全區(qū)域或環(huán)境惡劣的區(qū)域使用。

4.2. 實際效果

傳統(tǒng)的安防只是在圍墻設(shè)置周界報警系統(tǒng)，場區(qū)內(nèi)安裝攝像機，當(dāng)有人入侵時，攝像機與周界聯(lián)動，實現(xiàn)報警；而當(dāng)周界報警時，危險人員已經(jīng)翻越10#閥室圍墻，當(dāng)站場人員趕到時，危險人員已經(jīng)進行了一定的破壞。

而本方案熱成像攝像機在圍墻監(jiān)測范圍10 km 內(nèi)只要監(jiān)測到有危險人員進入即現(xiàn)場制止，阻止危險人員的入侵，避免了管線的破壞。

從以上應(yīng)用效果可發(fā)現(xiàn)，本工程熱成像攝像機優(yōu)勢明顯，特別適合在危險區(qū)域的油氣管道站場中應(yīng)用。

5. 結(jié)論與展望

5.1. 結(jié)論

1) 熱成像監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)了管道安防的“預(yù)警”而非報警，為站場人員進行危險的處理提供了寶貴的時間，最大程度降低了管道安防的風(fēng)險，保證了管道運行的安全。

2) 基于熱成像監(jiān)控技術(shù)的攝像機不易受環(huán)境因素影響，不依賴于光源，在光源不足的惡劣環(huán)境也能很好的應(yīng)用。

5.2. 展望

熱成像監(jiān)控技術(shù)具有傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)無法替代的優(yōu)勢，必將在油氣管道工程中將會有廣泛的應(yīng)用。