監(jiān)控系統(tǒng)在油氣管道小斷面盾構(gòu)工程中的應(yīng)用

趙靈寬，王善濤，曾繁宇，劉 昆，暢洪興

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1.監(jiān)控系統(tǒng)概述

監(jiān)控系統(tǒng)是基于IP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，又稱網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)能夠?qū)⒁曨l信息數(shù)字化，并通過有線或無線 IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，使得實(shí)時監(jiān)控和錄像等功能可以擴(kuò)展到所有具備網(wǎng)絡(luò)連接的地方，同時也使該類系統(tǒng)可以與其他安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成。

基于IP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是將前端監(jiān)控設(shè)備的音視頻信號、報警信號等壓縮、編碼轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，通過RJ-45以太網(wǎng)接口或光纖直接傳送到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)即可遠(yuǎn)端監(jiān)視現(xiàn)場畫面，監(jiān)控場景可以實(shí)現(xiàn)任意組合、調(diào)用，靈活性大，是目前比較成熟的視頻監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)。

2.盾構(gòu)工程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

一般盾構(gòu)工程廠區(qū)按功能分為3個區(qū)域，即辦公生活區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)、井下隧道盾構(gòu)機(jī)區(qū)。該監(jiān)控系統(tǒng)主要分布于以上3個區(qū)域，其中監(jiān)控中心設(shè)置于辦公區(qū)技術(shù)室。

監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端信號采集系統(tǒng)、圖像與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制中心與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及用戶端系統(tǒng)組成。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用POE交換機(jī)進(jìn)行信號傳輸。POE交換機(jī)是在現(xiàn)有以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)不做任何改動的前提下，向基于 IP終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)信號的同時為該設(shè)備提供直流電技術(shù)，該技術(shù)符合IEEE802.3af和IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)。交換機(jī)通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，同時利用電纜空閑線對攝像機(jī)進(jìn)行供電，減少設(shè)備復(fù)雜度。

系統(tǒng)布線采用架空光纖電纜進(jìn)行施工區(qū)、隧道及盾構(gòu)機(jī)到監(jiān)控中心的信號傳輸，進(jìn)行非壓縮處理、全實(shí)時監(jiān)控。光纖傳輸系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、傳輸質(zhì)量高、不受電磁干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸業(yè)務(wù)多、工程造價低等優(yōu)點(diǎn)，可以解決由于封閉區(qū)面積較大、監(jiān)測點(diǎn)較為分散，監(jiān)控中心與井下盾構(gòu)監(jiān)控、施工生產(chǎn)區(qū)監(jiān)控距離較長，施工區(qū)域中變壓器、箱式變電站和高壓線存在電磁干擾使傳輸畫面質(zhì)量嚴(yán)重劣化等一系列問題。

2.1.信息采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端部分，由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。攝像機(jī)通常布置在被監(jiān)視場所的特定位置，使其能覆蓋需要監(jiān)控的各個方位。在系統(tǒng)中根據(jù)不同需求可分別在監(jiān)控地點(diǎn)設(shè)置槍型攝像機(jī)、半球型攝像機(jī)和球型攝像機(jī)。區(qū)域網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集前端視頻信號，通過光纖收發(fā)器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號，以光纖傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸?shù)接脖P錄像機(jī)，并將視頻信號分配至各個監(jiān)視器及顯示設(shè)備。

槍型攝像機(jī)具有高清的成像技術(shù)，高清透霧功能、紅外偵測鎖定、日夜轉(zhuǎn)換紅外攝像功能等已在電視監(jiān)控工程中被廣泛使用。槍型攝像機(jī)的日夜轉(zhuǎn)換紅外攝像功能使攝像機(jī)在日夜轉(zhuǎn)換模式下探測紅外線，實(shí)現(xiàn)濾光片切換，解決普通日夜型攝像機(jī)出現(xiàn)的頻繁日夜轉(zhuǎn)換問題。水平清晰度為540TVL，電子快門達(dá)到1/50 s至1/100000 s，紅外照射距離約為30～40 m。在道路監(jiān)控使用中，即使車速變化范圍較大，槍型攝像機(jī)也可以提供清晰的畫面。通過內(nèi)置的強(qiáng)光抑制功能、手動電子快門設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對車牌的抓拍。

球型攝像機(jī)是全天候室外一體化智能快球攝像機(jī)，采用堅固耐用、符合國際 IP66標(biāo)準(zhǔn)的外殼設(shè)計，具有防風(fēng)、防雨、防塵功能；可360度全方位監(jiān)控現(xiàn)場，日夜、黑白自動轉(zhuǎn)換功能，最低照度彩色可達(dá)0.4Lux，黑白 0.036Lux；還有具有路徑學(xué)習(xí)、動態(tài)檢測、報警輸出/輸入、隱私遮擋和 RS-485遠(yuǎn)程控制等功能。

2.2.圖像與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

圖像與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是該系統(tǒng)的圖形信號通路。監(jiān)控系統(tǒng)中除主要傳輸圖像信號外，根據(jù)不同需求，如對重點(diǎn)區(qū)域聲音信號分析和通過控制中心對監(jiān)控攝像機(jī)進(jìn)行控制，還要傳輸音頻信號和控制信號。對于圖像信號的傳輸，重點(diǎn)要求是在圖像經(jīng)過傳輸系統(tǒng)后，不產(chǎn)生明顯的噪聲和失真(色度信號和亮度信號均不產(chǎn)生明顯的失真)，保證原始圖像信號的清晰度和灰度等級無明顯下降。這就要求數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在衰減方面、引入噪聲方面、幅頻特性和相頻特性上有良好的性能。由于施工區(qū)域特殊，該系統(tǒng)采用數(shù)字視頻信號作為信號源，并通過光纖傳輸方式以光纖收發(fā)器作為光電信號轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)采用無線D-Link組建工地現(xiàn)場的無線局域網(wǎng)，采用2.4 GHz頻率傳輸控制信號，可滿足工地現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸方式采用ADSL方式，視頻的同步數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)到指定的域名網(wǎng)站，通過授權(quán)的地址就可以隨時監(jiān)控工地的情況。

2.3.控制中心和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

控制中心和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制。主要由總控制臺、無線路由器、數(shù)字硬盤錄像機(jī)、光纖收發(fā)器及多功能光端機(jī)組成。

總控制臺的主要功能有：視頻信號的放大和分配、圖像信號的矯正和補(bǔ)償、圖像信號的切換、視頻信號及音頻信號的記錄和監(jiān)控攝像機(jī)的控制等。由于總控制臺采用嵌入式硬盤錄像機(jī)，可對云臺、鏡頭等進(jìn)行控制，并能實(shí)現(xiàn)多路攝像機(jī)之間選擇切換，利用特殊的錄像處理，對圖像進(jìn)行錄入、回放、放縮處理等操作，使圖像效果達(dá)到最佳?？刂婆_上設(shè)有多畫面分割器，可以在一臺監(jiān)視器上以四畫面、九畫面、十六畫面方式同時顯示出多個攝像機(jī)送來的各個被監(jiān)視場所的畫面。同時，總控制臺配有字符發(fā)生器，可以在監(jiān)視器上顯示時間以及監(jiān)控區(qū)域地址、名稱等信息，增加了實(shí)時監(jiān)控和錄像查詢的效率。

無線路由器能滿足與防火墻功能匹配需求，具有四端口全雙工10/100交換器，能連接其他有線以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可將所有802.11g無線網(wǎng)絡(luò)傳輸透過WEP或WPA加密方式編碼。支持DHCP服務(wù)器，以及SPI防火墻，防止入侵者以及多數(shù)已知的互聯(lián)網(wǎng)病毒的攻擊。

數(shù)字硬盤錄像機(jī)采用嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。通用的H.264視頻壓縮與G.711音頻壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高畫質(zhì)，低碼率，特有的單幀播放功能，可重現(xiàn)細(xì)節(jié)回放，利于細(xì)節(jié)分析。

多功能光端機(jī)采用6路視頻監(jiān)控 + 2路共享網(wǎng)絡(luò) + 6路電話 + 1路485正向控制 + 雙向語音輸入等傳輸方式?？紤]井下施工距離較遠(yuǎn)，干擾信號較多，并且施工期間隧道內(nèi)存在電磁干擾的因素。所以多功能光端機(jī)是隧道工程中監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的設(shè)備。

2.4.客戶端系統(tǒng)

客戶端系統(tǒng)包括監(jiān)控中心監(jiān)視器和互聯(lián)網(wǎng)移動端。監(jiān)控終端顯示部分一般由一臺或多臺監(jiān)視器組成，由于畫面分割器的應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)較多的監(jiān)控系統(tǒng)中通常使用一臺較大的監(jiān)視器將多臺攝像機(jī)傳輸?shù)囊曨l信號同時顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)節(jié)省監(jiān)視器成本和操作方面的目的?；ヂ?lián)網(wǎng)移動端是監(jiān)控系統(tǒng)通過硬盤錄像機(jī)對各個網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行地址分配，并通過路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)，移動端使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)NVR產(chǎn)品、客戶端軟件以及瀏覽器可實(shí)現(xiàn)移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.監(jiān)控系統(tǒng)在盾構(gòu)工程中應(yīng)用分析

基于IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將滿足盾構(gòu)工程廠區(qū)安全生產(chǎn)、監(jiān)督檢查、實(shí)時防控的需要，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)安保、施工督查、全面防控一體化，實(shí)現(xiàn)24 h不間斷錄像。保證廠區(qū)在發(fā)生突發(fā)事件時能第一時間查看現(xiàn)場錄像。保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)有熱備方案，在系統(tǒng)以外發(fā)生故障時，有備用系統(tǒng)，從而保證錄像完整性。

支持應(yīng)急預(yù)案管理功能。針對突發(fā)和應(yīng)急事件起到第一時間進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并同時錄像保存功能。將相關(guān)的報警觸發(fā)事件圖像上傳給安防集成管理系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)海量錄像智能視頻分析，極大地提高搜索突發(fā)事件的效率節(jié)省搜素時間?；贗P網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是新型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，盾構(gòu)工程廠區(qū)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對施工場區(qū)進(jìn)行全天候、多角度的實(shí)時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)建立后，在整個始發(fā)場區(qū)內(nèi)形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的動態(tài)視頻指揮中心，為工地的項(xiàng)目管理提供視頻信息支持，為工程建設(shè)保駕護(hù)航，在一定程度上向管理的規(guī)范化、科學(xué)化、信息化邁出了一大步。