多维一体化智能安防系统在海上平台的应用研究

杨金丽　何骁勇　张碧霄

摘 要 根据海上平台少人化及无人化平台安全管理新要求，设计一种多维一体化智能安防系统。系统基于智能视频分析识别算法、人员定位算法、联动预警及集成算法，并应用不同的监测前端设备，实现平台生产安全监控、人员及船舶入侵识别、人员定位、预警告警等功能。系统可实现海上平台异常事件、潜在风险主动预警，解决了海上油气田传统安全管理模式效率低、数据分析困难等问题，极大地提高了安全管理水平。

关键词 智能安防 智能视频分析 人员定位 联动与集成

中图分类号 TP277   文献标志码 B   文章编号 1000-3932（2023）05-0713-07

海上平台油气生产是一项高风险、高强度作业，其特点是油气生产设备分布密集紧凑，风险隐蔽性高；生产作业频繁并远离陆地，发生安全风险时救援困难；海上作业，存在船舶碰撞风险等。特别是渤海海域航道较多，距离海上平台较近，同时渔民活动频繁，存在非工作人员登临平台钓鱼现象，对海上油气生产作业产生潜在安全威胁。

传统的海上油气田安防管理系统主要依赖于视频监控系统、船舶自动识别系统（AIS）及广播报警系统，主要是根据视频监控画面进行人工监控并判断平台内部是否有安全隐患、违章作业及人员入侵等［1］。AIS则通过标定平台坐标让周围船舶识别，并监测平台周边船舶航行轨迹进行船舶的监测。此系统需要大量依赖人工判断，对历史数据的查询也需要人工检索，极大地增加了工作量。在海上平台少人化、无人化的趋势下，智能平台建设势在必行，传统安防系统已不适用于高度智能发展的海上油气田［2］。因此，根据海上油气作业风险特点，研究设计一套多维一体化智能安防系统，通过视频智能识别分析平台内部及周边风险并联动预警，从而构建完善可靠的智能安防系统，完成平台安全管理模式的快速转变。

1 项目概况及总体设计方案

中国渤海某海上油田新建一座有人8腿中心平台A（CEPA），一座无人井口平台B（WHPB）。中心平台设置油气分离、湿气增压/脱水、气体回注等设施，井口平台B全液输送至中心平台处理。中心平台和井口平台供电依托山东岸电系统，井口平台与中心平台之间通过海底复合电（光）缆进行通信。两平台相对位置及物流关系如图1所示。

中心平台与无人井口平台安全管理除常规的生产安全监控外，对智能分析提出了更高的要求，主要分为3个方面需求：

a. 在人员安全方面，目前绝大部分海上平台未配置相应的智能化设备进行人员管理的提升。此项目对人员安全有了更高的要求，需要能够满足实时定位平台人员位置，实时发布危险预警，发生危险时联动视频监控进行人员追踪等要求。

b. 在生产安全方面，除常规视频监控外，需要对人员非法入侵、人员不合规行为进行识别分析，并能实现火气联动，进行自动分析及预警。

c. CEPA与WHPB平台距离最近的航路约1海里，附近航行船舶较多，此项目需要将常规AIS船舶识别监测与视频监控结合，实现船舶识别、AIS预警并联动VHF-FM进行语音警告。

根据项目安全管理需求，设计一套基于视频监控、人员定位及AIS预警模块的多维一体化智能安防系统，构建智能安防管理平台。根据功能分为三大功能模块：人员安全管理模块、生产安全监控模块和船舶安全监管模块，如图2所示。

此方案从人员安全、生产安全和船舶安全3个维度解决海上油气田安全风险识别、分析、预警及事件原因追踪等一系列问题，并通过智能分析和联动报警，极大地提高了系统的智能化监控水平，为油田安全生产管理、设备运行状态优化及应急响应管理等提供科学数据支撑。

2 智能视频分析

智能视频分析是智能安防的核心技术，它利用视频分析服务器强大的数据处理功能，对视频画面中的海量数据进行有用信息提取、特征分析、智能识别，为平台人员提供有用的关键信息［3］。本项目智能视频分析主要设计三大功能：视频周界入侵识别（人脸识别、虚拟周界）、船舶识别、人员行为管理（工帽识别、危险行为识别）。

2.1 硬件配置

根据海上油气田生产安全需求，智能前端硬件设备主要是在生产区配备高清防爆摄像头；在导管架登临处及直升机甲板附近設置高清红外摄像头和自带功放的扬声器；在平台面向航道方向设置红外热成像双光谱摄像机；在后台设置视频监控网络硬盘录像机、视频分析服务器、存储单元、显示大屏等硬件设备。

2.2 视频周界入侵识别

视频周界入侵识别是基于视频流的智能图像识别和虚拟周界，利用深度学习与模式识别技术，在监控区域内划定虚拟边界并监测是否有人员闯入［4］。平台内部入侵识别主要是指识别非工作人员登临平台，将海上油气田平台作业人员的面部信息录入人脸样本库，形成员工白名单。当有人闯入禁入区域，通过红外摄像头摄像取证，将视频图像传到视频分析服务器与样本库进行面部比对识别，当识别为陌生人入侵时，自动启动扬声器及声光报警灯进行人员驱离和报警［5］。视频周界入侵识别系统架构如图3所示。

视频周界入侵识别主要功能如下：

a. 人脸识别与目标监测。系统可以自动识别出拍摄区域内的人员，并进行身份识别。

b. 越界行为监测。可在视频监控后台划定虚拟边界，若存在越界行为，则报警。

c. 报警及取证。如发现越界行为，可进行语音报警驱离，并自动拍摄非法入侵影像，进行取证。

d. 全过程智能分析。智能视频全自动分析，无需人为操作。

视频周界入侵识别可以对监控区域实时动态监视，实现事前预警、事中示警、事后取证的全过程安全监控，并及时对入侵风险因素进行安全预警处理，大幅提升平台防范安全等级，将安防从被动监控转变成为主动监管。

2.3 船舶识别

平台主要针对附近5 km内的船舶进行识别。由于海上环境复杂，易多雾、雨、雪，夜晚情况下普通高清摄像机对远距离船舶的识别并不适用。在本项目中采用红外热成像技术，利用船舶和海洋之间的温度差或辐射差异形成的热红外辐射特征图像来发现和识别船舶［6］。红外热成像的两大基础功能是测温与夜视，由于红外线的波长较长，穿透雨、雾的能力较强，热成像技术无需外部照明，且探测距离更远。只要目标物与其背景之间存在细微的温差，观测者即可通过热像仪发现目标，其识别原理如圖4所示。

为了进一步提升识别精度，本项目采用红外热成像双光谱摄像机，它同时具备高清摄像机功能，可作为红外热成像摄像机的有效补充［7］，实现平台对周边船舶24 h全天候视频监控与识别，且对船舶识别距离可达5 km，有效弥补了现有监控手段的不足。通过远距离船舶的识别和越界行为分析等智能应用，有效实现从“事后控制”向“事前预防”转变。

2.4 视频行为分析

安全生产一直是海上油气生产的首要注意事项。只有保障现场人员的安全，才能保障油气田的利益。戴头盔、高空作业等行为将成为人员施工的安全注意事项，通过视频行为分析，可实现对作业行为的合规性监督，对于不合规行为，及时发出告警，从而提高海上油气田生产安全管理水平。视频行为分析技术是利用智能视频分析算法对人员行为进行识别分析，包括多个人工智能视频识别功能，如安全帽识别、高空作业识别、人员倒地识别等，并对相关行为进行预警告警。视频行为分析流程如图5所示。

安全帽识别技术主要功能如下：

a. 人体检测及定位。通过对背景建模，分离出运动前景，在前景提取人体特征并定位人体区域。

b. 头部区域定位。从人体检测上获取头部信息，将头部区域宽度和高度定义为人体宽度的1/3［8］。

c. 安全帽监测及分析。将提取头部特征矢量进行智能分析，识别判断是否佩戴安全帽，从而进行警告。

高空作业和人员倒地识别技术主要功能如下：

a. 运动物体检测、定位及跟踪。背景静态图像处理、运动检测、定位及分析。

b. 视频行为识别与报警。利用运动检测进行分析，根据目标出现的时间、位置、高度等因素进行综合判断，实现高空作业/倒地等异常行为识别及报警。

各智能视频分析算子封装于视频分析服务器中，通过建立模式识别样本库，不断进行训练学习及算法优化来降低误报率，从而提高平台安全管理精准度。智能视频分析技术弥补了传统视频监控系统的不足，通过主动的信息获取、比对、分析、预警，将监控变被动为主动，极大地提高了平台安全管理效率。

3 人员定位

海上油气田事故主要由人的不安全行为、物的不稳定状态、环境的不安全因素和管理的不到位4方面造成，传统人管人的监管方式效率较低，且容易出现管控盲区，使得安全监管压力逐渐增大。通过综合运用高精度定位技术、三维可视化技术、视频联动等技术，实现全自动、全区域、全天候、全目标覆盖的主动式人员安全控制模式。

根据平台特点定制化设计人员定位系统，采用超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术定位，UWB是一种无线载波通信技术，采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据［9］。超宽带定位技术精度可达到静态0.3 m，主要由定位基站（信标）、标签、综合网关和服务器（解算引擎）4部分组成，系统结构如图6所示。

将平台生产区设计为高精度定位区域，布署定位基站（信标），并放置综合网关（交换机）。员工佩戴定位标签（胸卡标签和腕带标签）。信标持续播发信号，标签接收到信号后将所在物理位置的相对坐标传输至综合网关，由网关统一将数据回传至服务器（解算引擎），并在用户端将人员实时位置、人员轨迹等信息呈现在平台三维模型上。在紧急情况或特殊作业工况下，可与视频联动进行人员实时视频跟踪，实现平台内部人员的精确位置管理，同时此系统还可实现人员危险预警、智能调配与高效协同，可大幅提升人员精细化管理水平。

4 AIS船舶预警

因平台位置处于航道附近，为了有效监测船舶，预测潜在风险，本项目在AIS基础上，设计了一套AIS船舶预警系统。AIS由VHF天线、北斗天线、传输控制单元、监控显示单元及局域网接口等组成，其主要功能包括船舶自动识别和信息交流、帮助跟踪目标、简化和促进信息交换、提供其他辅助信息以免发生碰撞等［10］。AIS预警系统在AIS基础上以电子海图为核心，AIS为数据源，叠加中国海油作业特色位置信息，对指定区域内海底管线及船舶进行实时、主动动态监控。

在AIS预警系统中，距离平台中心5～10 km范围区域设定为通航控制区；距离平台中心5 km范围内区域设定为应急响应区，如图7所示。通过船舶位置数据信息，电子海图及预警区域等实现平台与船舶的避碰、以及船舶与管线之间避碰。同时以热成像双光谱摄像机作为辅助，对靠近平台的船舶、未配备AIS设备的游艇等进行视频捕捉和识别。

当系统监测到有船舶进入距离平台中心10 km的通航控制区时，自动触发VHF-FM无线电台，向来船发出语音预警，提示来船平台位置使其提前进行避让。当预判来船航行轨迹与平台存在碰撞风险时，守护船/平台则继续通过VHF无线电台联系来船，督促其采取妥善避让措施，安全通过平台附近水域。当来船行驶至距离平台中心5 km应急响应区时，则联动热成像双光谱摄像机对船舶型号识别、实时监测船舶状态并视频取证，同时启动声音驱离系统进行强声报警驱离。平台人员结合AIS监测信息做出应急反应并根据安全管理规定采取相应的应急措施以应对潜在碰撞风险。

5 联动及集成

智能视频分析与联动报警是提升智能安防管理效率的核心技术。智能安防系统将视频监控、人员定位、AIS预警及广播告警等系统进行适当集成开发，实现各监测系统联网联动，从而提升整个安防系统的管理效率。将各监测、报警信号汇聚至安防管理服务器，进行数据处理、分析。并将各数据进行关联从而触发相应视频弹窗、广播告警、声光警示等联动反应，系统架构如图8所示。

智能安防系统主要涉及四方面联动：火气与视频联动、AIS预警与视频联动、人员定位与视频系统联动、视频监控与广播告警系统联动。火气系统、AIS预警系统、人员定位系统将预警或报警信号协议转换后传输至智能安防管理服务器联动模块与相应区域的摄像机IP地址进行软对应。各系统在触发现场报警的同时，通过联动报警模块判别出报警区域，自动弹出相应区域摄像机，对准现场位置，确保火情、人员及船舶潜在风险的第一时间确认信息，从而采取正确的安防措施进行下一步救援或防护工作，及时制止安全风险事件的发生。智能安防系统通过智能視频分析确认危险动作后，在自动弹出监控画面的同时，联动广播告警系统进行区域广播，提醒工作人员第一时间处理警情。

集成及联动设计将探测的工作前置，采用智能分析功能将被动式探测变为主动式预警，从传统依靠人力安全管理实现向智能化管理转变。通过各系统联网联动，实时掌握平台安全状态，实现自动监控报警、自主取证，极大地提升了海上油气田智能化管理水平，并大幅节省了海上平台人力、物力。

6 结束语

通过对视频智能分析、人员定位及联动预警等技术进行深入研究，设计一种适合海上油田群的多维度、多方位、管理高效的监控、预警一体化智能安防系统。通过视频周界入侵、行为分析、人员定位及船舶识别等技术，实现海上平台安全防护合规性监督，实时监测不合规行为，及时发出报警。同时各监测系统与视频监控系统、广播告警系统进行联动，实现风险因素第一时间确认，及时采取安全措施。现场作业反馈，此系统极大地提高了平台安全管理水平与效率，将平台潜在风险降至最低，对海上油气田生产安全管理、海上平台少人化、无人化建设都具有重要意义。

参 考 文 献

［1］ 张海峰.智能视频监控系统在数字油田中的应用［J］.中国信息化，2019，6（2）：67-69.

［2］ 乔亚捷.探讨智慧油田下的无人值守技术［J］.信息系统工程，2019，26（5）：34.

［3］ 夏博强.智能视频识别技术在石油石化行业中的应用研究［J］.中国新通信，2023，25（8）：62-64.

［4］ 王瑞，史天运，包云.一种基于视频的铁路周界入侵检测智能综合识别技术研究［J］.仪器仪表学报，41（9）：188-195.

［5］ 闫飞.智能视频监控系统中的人脸识别技术［J］.设备管理与维修，2019，40（14）：189-191.

［6］ 潘恩亮.红外热成像技术在智能监控中的应用与发展［J］.中国公共安全，2014，9（22）：66-68.

［7］ 张双亮，谭壮壮，张凤红，等.海上平台智能安防监控系统设计及研究［J］.红外，2020，41（9）：42-48.

［8］ 马玲官，李强，孙明利.基于智能视频分析的作业行为管理系统设计［J］.电力设备，2017（25）：46-49.

［9］ 张秀林，林梓淇，古博，等.深水半潜式生产储油平台人员定位系统应用研究［J］.海洋工程装备与技术，2022，9（4）：72-79.

［10］ 梅雄，钟成雄，俞海.AIS技术及其在航行避碰中的应用［J］.中国水运（理论版），2006（3）：14-15.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-09）

Application Study of Multi-dimensional Integrated Intelligent Security System on Offshore Platform

YANG Jin-li， HE Xiao-yong， ZHANG Bi-xiao

（CNOOC Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract   Considering  new requirements of undermanned or  unmanned security management of the offshore platforms， a multi-dimensional integrated intelligent security system was designed. In which， having both intelligent video analysis and identification algorithm， personnel positioning algorithm， response warning and integration algorithm based and different monitoring front-end equipment adopted to achieve production safety monitoring， personnel and ship intrusion identification， personnel positioning， early warning and alarm functions. The system can realize the active early warning of abnormal events and potential risks of the offshore platforms， including solving low efficiency and difficult data analysis of traditional safety management mode so as to greatly improve the level of safety management.

Key words   intelligent security， video analysis， personnel location， linkage and integration

作者简介：杨金丽（1984-），高级工程师，从事海上平台通信系统设计、系统监测及智能化设计工作，yangjl4@cnooc.com.cn。

引用本文：杨金丽，何骁勇，张碧霄.多维一体化智能安防系统在海上平台的应用研究［J］.化工自动化及仪表，2023，50（5）：713-719.