油田安防雷达预警系统的研发与应用

大庆油田有限责任公司第十采油厂规划设计研究所

某采油厂横跨4个市县19个乡镇307个自然村屯，油田开发面积540 km2，管理油水井6 500余口，站间220余座，部分井、站靠近村屯，具有油水井高度分散、地域环境相对复杂、运输通道四通八达、安保防控难度大等特点。特别是沿江地区出现管控不利，极易造成环境污染等重大事件。

2012年，针对C厂环境敏感区块严峻的安保防控形势，采用无线网桥+单井摄像头技术部署了52套技防监控系统。系统运行初期收到了一定的防控效果，后期因人为破坏严重、图像传输易受环境干扰等原因，防控效果不理想，同时暴露出诸多问题：油井分布“点多面广”，安装单井监控工程量大，抗干扰、防破坏能力差；单点覆盖范围小，无法满足油田道路、通井路等特定目标监控；功能单一，不能主动筛选、预警潜在作案目标。

基于上述原因，经过前期调研，2013年12月底，选取距厂区较为偏远、沿江地区盗油较为严重的A转油站、B转油站，开展雷达预警[1]系统现场试验。

1 油田安防雷达预警产品研发

1.1 油田适应性分析

雷达系统按用途分为军用和民用两类。军用主要用做探测[2]、定位、精确制导，民用主要用做测速、导航。由于雷达预警领域技术限制，民用领域暂无预警雷达技术应用，为验证各类型雷达在油田复杂地形下的实际应用效果，从军用转民用角度逆向研发，选取B转油站安装35 m钢结构设备塔，塔顶平台安装不同类型雷达和光电视频监控设备，分别对机扫舰载雷达、机载海防雷达、机扫步兵雷达、电扫相控[3]雷达开展油田适应性分析测试。测试项目见表1，测试结果见表2。

表1 测试项目和数量Tab.1 Test items and quantity

表2 适应性分析结果Tab.2 Results of adaptability analysis

1.2 雷达技术优化

基于适应性分析结果，选用相控电扫雷达作为本体，对该型雷达低速目标定位偏差大，不能自动跟踪批量目标问题，从硬件、软件两方面入手开展技术优化。硬件方面采取了微带漏波天线代替原贴片式天线，天线测角精度小于2°，低速目标定位偏差减小到20 m。软件方面应用数字信号处理+现场可编程门阵列技术提升雷达回波数据处理能力，可同时跟踪200个动目标。

基于上述优化改进，预警雷达性能如下：

雷达识别距离：人3 km内，车辆6 km内；测距误差精度：20 m±6%m。

跟踪目标数：≤200个；动目标识别速度：≥3 km/h；扫描周期：8 s/360°。

1.3 系统集成与测试

2015年1月，在A、B转油站部署2套雷达预警系统，在C厂保卫大队建立了监控中心，构建了油田安防雷达预警系统第一代样机。配合新开发的雷达地理信息系统对样机进行了现场测试，结果表明，系统实现了以设备塔为原点，白昼监控半径5 km，夜间监控半径3 km范围内油井、进井路、油管线、计量间入侵目标预警、自动巡检。但受制于系统误报率（19.91%）、扫描周期（8 s）较长问题，未投入正式使用。

1.4 产品技术升级

2015年3月，针对已投产的雷达预警系统误报率偏高、扫描周期长等问题开展研究，结果显示，误报率高的原因是相控电扫雷达无法发现电磁波切线方向运动目标，扫描周期长的原因是内部阵列天线按45°角排列。上述问题无法通过软件优化解决，经过多方调研，一种新型红外全景成像预警雷达技术进入优化方案，该类型雷达不发射电磁波，通过压缩机制冷被动感知环境中的红外线形成360°环境红外图像，后台通过图像分析算法即可识别预警目标。

通过进一步优化软件算法，使用新型红外全景成像预警雷达代替相控电扫雷达，对两座转油站已建雷达预警系统进行升级，升级后的雷达预警系统适应油田复杂的地面、气候环境，具有扫描预警周期短，动目标定位精度高，误报率低，系统功耗低等特性。探测距离性能指标如图1所示，升级后的性能指标如图2所示。

图1 雷达探测距离示意图Fig.1 Schematic diagram of radar detection range

图2 雷达升级前后参数对比Fig.2 Comparison of radar parameters before and after upgrade

2 油田安防雷达预警系统原理和功能

2.1 系统构成

雷达预警系统硬件由前端设备、传输链路、后台显控设备组成，软件由雷达地理信息系统、可疑目标识别程序构成。

2.2 技术原理

前端红外预警雷达扫描监控区域的地理环境，形成红外图像，经传输链路传至厂监控中心。当物体跨越地理信息系统中设定的预警虚拟墙时，系统自动触发可疑目标判定程序，如判定结果为真，雷达主机发出声光报警，锁定事发区域跟踪目标，前端视频巡检仪根据雷达定位引导，转向事发区域显示现场实时画面，提醒监控员及时处理预警。

2.3 主要功能

（1）雷达视频联动，预警、跟踪、定位可疑目标。使用谷歌地图原始数据，经过加工整理后得出防区1∶500基础地形图，基于监控区域地理环境，使用手持GPS定位器驻点落实监控区域油田设施坐标，构建雷达地理信息系统。后台监控人员对地理信息系统软件平台中油井、站间线、外输油管线、通井路设置任意形状、半径不小于20 m的预警虚拟墙，同时设定自动巡检预警时间段，建立预警规则。

当系统运行在自动巡检模式下，雷达、视频联动模块基于目标运动要素，利用RSTR可疑目标智能识别程序，判定活动目标是否跨越虚拟墙活动。如判定结果为真，雷达预警主机发送报警信息，同时联动摄像机云台[4]对活动进行自动跟踪操作，监控中心大屏幕雷达画面显示、记录活动目标运行轨迹，视频画面显示可疑目标实时图像，系统发出声光报警，提醒工作人员及时处理确认可疑目标，直到目标消失或由工作人员取消跟踪动作，警报解除，转入自动预警。

（2）多元数据融合，生产管理辅助视频监控。雷达预警系统采用多元数据融合技术，将地理信息系统[5]与雷达数据系统融合，集成视频综合管理、雷达数据处理模块，实现地理信息系统地形图上鼠标点选哪里视频监控看哪里，不需要手动定位视频云台位置。

系统白昼使用长焦透雾摄像机进行监控，针对监控画面中同时出现的近、中、远景目标，进一步优化自动光圈数字聚焦技术，对于烟尘和大雾天气，配套专业的透雾镜头提高了在长焦视界的清晰程度，使其白昼监控半径达到了6 km。监控员通过镜头自动变焦可以清晰地观察到油井生产状况，当井上有工人施工时，该系统录像还可作为安全生产管理凭证使用。

系统夜晚监控使用红外热像仪，热像仪红外线波长较长，在传播时受气溶胶的影响较小，可穿透一定浓度的雾霭烟尘，实现准确聚焦。根据油田特殊环境状况，优化了滤波片配置，在环境微光或完全无光条件下呈现清晰的热图像，夜间监控半径可达3 km。利用这一特点，对监控区域内的油田生产运行状况辅助观察。

（3）视频监控辅助分析预警。在红外雷达干扰较大的场合，通过视频监控主机对防区雷达探扫盲区设定自动巡检，应用实时背景消减法原理，基于MapX对象，使用安全数组（SAFEARRAY）技术构建目标自动分析程序代码。将采集到的当前帧数据与背景帧数据相减，用阈值参数对比判断，得到图像中偏离背景模型值较大的点，从而完整地分割出监控画面的活动目标（大于50像素点大小，表面积≥1 m2）。视频监控系统将该目标运动要素反向映射至雷达地理信息系统进行绘图，启动可疑目标智能识别程序检测动目标是否侵入虚拟墙，如判定结果为真，监控中心声光报警，画面自动切换到事发现场，提醒工作人员及早发现，采取相应措施。

（4）相邻区域系统组网[6]，联合定位跟踪。系统发生报警动作时，当设定区域定位追踪的目标超出该区域雷达监控范围进入到相邻区域时，相邻区域的雷达可自动从上一区域雷达设备中接转目标运动要素，继续定位，实现跨区域联合定位追踪。

3 应用效果

A、B转油站于2015年3月先后投入运行，统计2014年4月—2019年12月盗油次数和盗油量，结果如表3所示。2015年上述区域盗油次数同比下降90.5%，被盗原油数量下降95.9%；2016年至今上述区域盗油次数同比下降97.2%，被盗原油数量下降99.3%，年均减少盗油量约2 100 t，年均挽回盗油造成的各类经济损失约630万元。2016年以来，警企联动成功破获涉油案件21起，阻止事中案件[7]50余起，为公安机关固定证据提供破案线索100余条，其中现场抓获违法犯罪嫌疑人57人，截获各种盗油车辆63台，收缴被盗原油400 t以上，收缴电缆线1 000 m，变压器2台，有效管控生态安全事件2起。

表3 雷达预警系统运行前后油田发案及损失统计Tab.3 Statistics of oilfield incident rate and economic loss before and after the application of radar early warning system

相关案例如下：

（1）破获“7.3”盗油案。2016年7月3日1时57分，C厂监控中心雷达预警系统报警，监控员通过光电红外画面侦测到某油井周围停放2台车辆，有4人在井口实施盗油。辖区公安机关根据监控中心提供的视频信息，结合具体案情分析犯罪分子可能的途径路线、活动区域，进行对比，于7月5日，保卫大队联合公安机关在异地陆续将3台盗油车辆抓获。

（2）侦破“9.18”窃电案。2016年9月18日19时22分，厂监控中心雷达预警系统发出警报，光电红外画面显示井口有盗电嫌疑人。立即指令前线保卫队赶赴现场，现场收缴变压器1台、电缆电线300余延长米。属地公安机关根据厂监控中心提取的现场录像，对窃电嫌疑人进行了治安处罚。

（3）生态管控。2016年6月1日07时25分，厂监控中心监控员在巡查重点区域油田生产油水井时，光电系统[8]传输画面上发现一口水井正在大面积跑冒，监控员将情况通报给生产单位现场处理。由于及时将水井闸门更换，有效避免了该水井周边大片农田被淹事件的发生。

4 推广应用

系统投入使用后，A转油站和B转油站基本杜绝了盗油案件的发生，收到了较好的社会效益，油田安防雷达预警系统适用于生产区大范围防侵入预警，对于位置偏远、环境敏感、地势平坦、盗油现象较为严重的油区效果较好。

基于油田安防雷达预警系统良好的使用效果，2015年7月，编制C厂雷达预警系统总体实施方案，如表4所示。依据方案，覆盖全厂主力区块共需建设9套雷达预警系统，先期安排5座站点的雷达预警系统建设，后期逐年安排4座站点雷达预警系统建设。截至目前已完成7套，剩余2套年底完成施工。

表4 雷达预警系统建设规划汇总Tab.4 Summary of radar warning system construction and planning

S采油厂于2019年10月安装6套油田安防雷达预警系统，W采油厂于2019年12月安装2套油田安防雷达预警系统。截至目前，正在实施的有A采油厂2套、B采油厂6套、Q采油厂5套、J采油厂12套，共计25套。上述采油厂同类项目实施完成后，将有效降低油田盗油发案率，进一步降低生产运行成本[9]。

5 结束语

油田安防雷达预警系统适用于生产区大范围防侵入预警，对于位置偏远、环境敏感、地热平坦、盗油现象较为严重无视频监控的油区效果较好。下一步将结合数字化油田建设，从停机井自动巡检、远程启停机辅助、站场周界报警、单兵遇险报警、作业车辆跟踪方面拓展雷达预警系统功能维度，为数字油田建设奠定坚实技术基础。