基于通信铁塔的智慧燃气管线监控系统

张继亮

(泰能天然气有限公司, 山东 青岛 266000)

1 基于铁塔的智能监测整体思路

坚持优先利用存量资源,能共享的资源不新建的原则,利用通信铁塔(简称铁塔)和通信基站资源,提高资源利用率,极大地降低了系统的建设和维护成本[1]。监测数据采用分布式采集、集约化处理的扁平化架构,建设统一的数据中心,提高了系统运行的稳健性和数据安全性,降低基础设施的建设成本。监测对象种类繁多、任务场景复杂,兼顾系统成本和可靠性等要求,传感器采用多功能综合传感器设计。传感器设计面向任务需求,具有综合感知能力,实现全域感知,综合利用卫星等传感平台,构建立体化多层传感体系,实现能源、农业、林业等行业智能化应用。铁塔监测整体思路见图1。

图1 铁塔监测整体思路

2 基于铁塔的智慧燃气管线监控系统

2.1 需求分析

燃气管道领域存在打孔盗气问题屡禁不绝。输气管道分布广、监管难度大[2],人防投入巨大,巡护存在空窗期,难以做到巡护无盲区、全覆盖,不能实时发现、实时告警、实时响应等[3]。传统监控存在很多弊端,据美国国家实验研究室统计,用人眼盯着视频监控录像12 min,被忽略掉的信息大约60%,看录像24 min,忽略掉95%的信息。视频监控能做到留存,但大量冗余信息会造成时间和成本浪费。

多元化的人防+技防,可以实现全天实时监控,通过智能分析识别潜在风险事件(盗气、挖掘机等大型施工车辆进入监控区域)、实时警告,防止盗气和第三方施工破坏的发生[4]。事中,通过潜在风险目标智能行为分析,主动告警、远程语音驱离,联动巡线人员实地处理,并对整个事件发生过程全过程录像取证,方便事后追溯[5]。

2.2 总体架构

利用燃气管道周边既有铁塔资源,通过在铁塔高处安装长焦高清夜视摄像机搭建监控点位,通过预置摄像机扫描路径对输气管道进行24 h循环视频监控[6]。通过专网接入将视频流上传到监控中心服务器保存,用于后期取证。利用视频识别技术对各监控点画面进行实时分析,对管道附近的人工和机械取土挖掘作业,以及管道周边一定范围内定向钻孔等高度疑似行为启动实时拍照录像报警机制,经监控人工核实后及时通过平台分发出警任务。在输气管道两侧一定范围内设置电子围栏,针对不同路段设置不同人数、停留时间的预警阈值,一旦出现人员密集或停留时间过长现象,将触发拍照录像报警机制,从而形成一整套点线面相结合的远距离监控及预警系统[7-10]。从违法场景监测到出警任务派发,全业务流程实现信息化,智慧燃气管线监控系统架构见图2。

图2 智慧燃气管线监控系统架构

① 设备层

通信铁塔资源分布广、密度大,可以被栅格化综合感知系统充分利用,实现对监测区域的全面覆盖。

通过多点预置位巡航的方式,单站的光电传感设备能实现360°全方位监测。

本项目燃气管道监测涉及青岛市城阳、李沧、崂山和市北,结合已有基站点位,综合考虑超长距离摄像对塔身晃动的要求,以1.5 km为各监控点覆盖半径,初步设置32个监控点(高空摄像机32台,其中全景摄像机3台、高倍球机29台),以取得覆盖距离和摄像效果之间的平衡。高空摄像机安装点位见图3。高空摄像机参数见表1。

表1 高空摄像机参数

图3 高空摄像机设置点位

高倍球机实物见图4。高倍球机支持绊线入侵检测、区域入侵检测、穿越围栏检测、徘徊检测、物品遗留检测,支持物品搬移检测、快速移动检测、停车检测,支持人员聚集检测,支持人车分类报警,支持联动跟踪等。

图4 高倍球机实物

视频支持优选、支持抓拍、支持上报最优的抓图。支持机动车检测、非机动车检测、人体检测、人脸检测。具体如下。

a.机动车属性

包括车牌、车辆类型、车身颜色、车牌颜色、车标、车系或年款、遮阳板、安全带,车内人员吸烟、打电话,车内饰品,年检标志等。

b.非机动车属性

包括类型、车身颜色、骑车人数、上衣类型、上衣颜色等。

c.人体属性

包括衣服类型、衣服颜色、背包、帽子、性别等。

包括性别、年龄、表情、眼镜、口罩、胡子等。

全景摄像机采用一体化机芯和高速云台设计,单产品即可同时提供全景监控、特写画面和快速细节定位功能。全景画面由4个传感器拼接而成,全景画面可支持关注区域畸变矫正。全景摄像机实物见图5。

图5 全景摄像机实物

全景摄像机支持绊线入侵检测、区域入侵检测。

视频支持跟踪、支持优选、支持抓拍、支持上报最优的抓图。支持机动车检测、非机动车检测、人体检测、人脸检测。具体检测内容与高倍球机相同。

支持车辆密度检测,包括支持车辆密度分布、停车上限和车辆拥堵检测报警功能。

支持人群分布图检测,包括人群分布效果图、全局人群密度、区域人群密度、区域人数统计、人群密度异常联动跟踪。

树叶、灌木叶等植物叶子使得图像照度均值提升,从而促使高空摄像机降低光通量,导致观测不到植物叶子间隙的目标。另外,目标和植物叶子对激光的反射率相当,使得从背景中提取目标比较困难。为了更好地进行智能视频分析,高倍球机的设置尽量高且要避开铁塔以及线缆遮挡。

本项目高倍球机和全景摄像机均采用室外非屏蔽网线(UTP-Cat 6)与传输网络相连。为通信设备、模块化配线架实现快速互联,从而保证系统传输的可靠性,具有极低的损耗和较高的宽带。

水稻幼苗期易出现立枯病，其主要症状是稻苗发黄并弯曲，生长迟缓，抵抗力在较大程度上会有一定的降低，若出现其他病菌，会大大降低水稻成活率。引发此病的主要原因是低温，立枯病易在低温中生存，这就需要在进行抗病防治时从温度入手，水稻幼苗期需要控制生长温度，做好保温工作，避免幼苗受低温侵袭。水稻在出苗期至三叶期，一般情况下把温度控制在25℃左右，保证水稻的抵抗力，三叶期后将水稻进行有效实时通风，以此能够在较大程度上锻炼尤其抗旱能力，以此降低立枯病发病率。

② 网络层

传输网络实现智慧燃气管线监控系统中不同监控设备和信息系统基础设施的互联互通。基于铁塔的智慧燃气管线监控系统利用高空摄像机等前端设备,采用专网传输到泰能机房,机房内防火墙及各平台服务器采用光纤连接,将采集到的信息集中分析,利用智能手机实现现场处置。智慧燃气管线监控系统网络拓扑图见图6。

分组传送网PTN是当前业界为了能够在传送层更加有效地传递分组业务,并提供电信级的运行、管理、维护和保护而提出的一种分组传送技术。PTN的结构与同步数字传输系统(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)不同,PTN是以分组处理作为技术内核,结合了分组技术与SDH和多业务传送平台(Multi- Service Transport Platform,MSTP)网络体验优点的产物,在秉承SDH的传统优势的同时,还可提供高精度的时间同步解决方案。

③ 基础平台

基础平台是一个依托于物联网、人工智能、大数据、地理信息等技术实现的平台即服务(Platform as a Service,PaaS)级公共基础云服务平台,向下可接入分散的传感设备和各类数据源,向上面向各行业应用,提供物联设备接入和管控、智能分析和算法管理、大数据计算和存储、空间位置计算等基础性公共服务,为在智慧城市、智慧城市轨道交通、智慧铁路等领域内的应用产品开发和优化升级提供共性基础支撑。

④ 应用层

应用层主要是通过利用前端传感设备对数据进行实时采集,结合项目实际需求,利用物联网、云计算、大数据、人工智能等技术,对传感数据进行实时计算与分析,对图像信息进行数据提取,同时结合业务规则信息,快速发现传感设备监视区域内的违法行为,并通过消息服务第一时间通知执法人员,最终达到对违法事件的快速发现、及时处理。

⑤ 用户端

登录WEB浏览器主要包括智慧运维和全域感知。智慧运维包括集中告警、故障管理、图纸资料、运维专家知识库功能。全域感知包括AI调度舱、AI视频分析、智能监控巡视、报警事件处置功能。监控人员通过手机应用程序可查看实时视频,可实时接收、处理告警信息。

2.3 功能特点

① 自动感知与全场景监测

基于铁塔的智慧燃气管线监控系统结合铁塔、AI云服务、AI监控,促成新业态智能管道巡护,提供了一种远距离、超视距监控,做到了远程感知、远程操作、远程辅助的智能化服务。

智慧燃气管线监控系统以铁塔为基础建设,由架设的不同类型的光学传感器采集实时数据,通过网络传输,根据时间、密集情况、遮挡情况等不同场景用相对应的人工智能网络做到快速识别图像内容,快速分析数据结果,快速响应执法流程,提升智慧监控的可行性和使用价值。

② 万物互联的智能传感监控

基础平台以传感器接入和统一设备数据服务标准为核心功能,是整个系统的中枢。解决厂家设备数据差异,提供标准统一的设备监控服务接口和海量设备稳定、高并发、快速访问的设备接入管理服务。智慧燃气管线监控系统支持海量不同解析协议的物联设备接入,实现对摄像机、广播设备、定位设备统一接入,实时接收上报信息,统一下发控制命令。通过设置触发规则,实现设备间联动,有效将视频监控结果与现场定位和广播联动起来,达到自动声光告警驱离的效果。

③ 全方位可视化监测地图

空间位置作为基础信息资源,需要基于地理信息系统(Geographical Information System,GIS)充分整合和挖掘,为智慧燃气管线监控系统提供空间地理实体的数字化管理及可视化展示。

通过实地勘测铁塔的位置,测算监控范围,系统能够迅速定位告警位置,并进行事件与执法业务统计,可以查看带有具体标号、准确定位路段、触发告警内容的时间信息。

④ 视频实时AI智能分析

基于人工智能技术,提供基于视频、图片的分析算法服务仓,实现面向人员管理、车辆管理、安全防护、设备监测等业务范围的智能分析服务。通过服务配置中心模块将所有服务的配置信息进行集中化管理,具备动态路由、请求限流、容错、服务监控和日志记录的功能[9]。

智能分析服务功能包含绊线入侵、区域入侵、人员聚集、停车检测、徘徊检测等20个智能分析服务。通过对挖掘机、钻探机、打桩机、定向钻等人员、车辆精准识别,对逗留时间自动计算,实现对盗气和施工的主动感知,主动预警告警,提高监控效率。

2.4 应用效果

依托管道周边的铁塔,采用远距离昼夜监测一体化摄像机,利用机器学习技术对管道周边的偷盗燃气场景特征进行智能监测,实现报警地点定位和出警任务派发,从而实现对输气管道进行全天、高效率保护。

3 铁塔应用展望

通过开放性、模块化智能感知体系设计,建设基于通信铁塔的物联传感网络,形成全域栅格化网络覆盖,以物联网智能感知和大数据技术构建大数据平台,推进智慧行业建设。基于铁塔+5G+AI的铁塔视联平台,依托铁塔独特杆塔资源优势、全国统一可视可管可控化视频监控平台以及AI、边缘计算等技术,广泛应用于环保、林草、农业、国土、水利、交通、应急等领域的数据感知、数据采集、数据分析、信息处理、数字孪生等数字化服务,可实现综合治理数字化。