海洋鉆井平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

王 倫，鐘 磊，王 鏹，李文磊

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

海洋鉆井平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CCTV）擔(dān)負(fù)著對(duì)頂驅(qū)、補(bǔ)償器、井口，指梁等重要設(shè)備與區(qū)域的監(jiān)控，在事故追溯中也發(fā)揮著不可替代的作用。若視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障，司鉆與井架工溝通將無法正常進(jìn)行，嚴(yán)重影響立根對(duì)接頂驅(qū)、游動(dòng)系統(tǒng)下放等作業(yè)。由于受到視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本及技術(shù)的制約，老的鉆井平臺(tái)一般只對(duì)鉆井相關(guān)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控以方便司鉆對(duì)相應(yīng)區(qū)域的掌控，但不具備錄像存儲(chǔ)功能。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)、圖像處理技術(shù)也在快速的發(fā)展，有效促進(jìn)了監(jiān)控技術(shù)的更新和進(jìn)步，監(jiān)控產(chǎn)品也從模擬化朝著網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的方向發(fā)展[1]。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步與成本的降低，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸得以推廣，全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已成為當(dāng)下主流形式[2]。人們對(duì)其依賴程度也逐漸加深，已成為事故追溯、值班監(jiān)控等的重要手段，加裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭以實(shí)現(xiàn)對(duì)要害部位、重要艙室設(shè)備、高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域以及人員不便到達(dá)處所進(jìn)行監(jiān)控，克服人工巡護(hù)工作量大、盲區(qū)多、巡檢效率低等缺點(diǎn)，對(duì)相關(guān)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，延長(zhǎng)人眼的觀察距離和記錄時(shí)間[3-4]，實(shí)現(xiàn)全過程、全方位的安全生產(chǎn)和防范[5]，既是政策規(guī)定，也滿足了實(shí)際需要。

然而，雖然數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱新系統(tǒng)）技術(shù)已很成熟，但由于以太網(wǎng)信號(hào)傳輸過程中不可避免的信號(hào)延遲和丟包，造成監(jiān)控畫面滯后、卡頓甚至斷網(wǎng)，不能很好地滿足鉆井作業(yè)對(duì)設(shè)備高可靠性和畫面實(shí)時(shí)性的要求。而“勘探四號(hào)”原模擬鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱原系統(tǒng)）經(jīng)過長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，其具有運(yùn)行穩(wěn)定、畫面實(shí)時(shí)等不可替代的優(yōu)點(diǎn)。為節(jié)約投入成本，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，增加一套網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將原系統(tǒng)信號(hào)接入新系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和遠(yuǎn)傳，成為較為合理的升級(jí)改造方式。但原系統(tǒng)均為進(jìn)口模擬設(shè)備，與國(guó)產(chǎn)的數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備并不兼容，在不影響原系統(tǒng)攝像頭動(dòng)作控制、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的前提下，將其接入新系統(tǒng)并不簡(jiǎn)單。本文以“勘探四號(hào)”為例，介紹海洋鉆井平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造方法。

1 原模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)概況與升級(jí)改造要求

1.1 原模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)概況

“勘探四號(hào)”原模擬鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控頂驅(qū)、指梁、游動(dòng)系統(tǒng)、左右沉箱泵艙、泥漿池、振動(dòng)篩、泥漿泵、月池和左右推進(jìn)機(jī)艙，并預(yù)留有水下機(jī)器人(簡(jiǎn)稱ROV)接口，主要用于鉆井監(jiān)控，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)控制器和鍵盤分別采用BAXALL（貝克爾公司）公司生產(chǎn)的ZTX6 型和ZKX2/K 型，可旋轉(zhuǎn)云臺(tái)均采用ELECTRO FLOW CONTROLS LTD（EFC 公司）產(chǎn)品，固定式攝像頭大部分采用VISTA（威視達(dá)公司）產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定，畫面實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，攝像頭、顯示器與控制器通訊均采用同軸電纜，其通訊距離可達(dá)600 m，充分保證了系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)可靠性。該系統(tǒng)不具備錄像存儲(chǔ)功能，無法滿足事故追溯的要求，且受到控制器插口數(shù)量的限制，擴(kuò)展靈活性比較欠缺；同時(shí)，僅在司鉆房、中控室和井隊(duì)辦公室設(shè)置有顯示終端，平臺(tái)經(jīng)理、甲方以及安全監(jiān)督辦公室等處無法進(jìn)行監(jiān)控，局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)也無法調(diào)用視頻監(jiān)控信號(hào)，視頻監(jiān)控信號(hào)也無法遠(yuǎn)傳至陸地總站，急需對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造要求

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造需兼顧原模擬視頻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并發(fā)揮當(dāng)代數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，主要有如下要求。

（1）系統(tǒng)采用的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)均為目前主流應(yīng)用技術(shù)，并保有升級(jí)空間，保護(hù)用戶投資的長(zhǎng)期有效。

圖1 “勘探四號(hào)”原模擬鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）考慮以后的擴(kuò)展性，提供靈活的系統(tǒng)組合，用戶可根據(jù)需求靈活配置或新增硬件，當(dāng)系統(tǒng)需要變更監(jiān)控點(diǎn)位、網(wǎng)絡(luò)客戶端數(shù)量時(shí)，只需增加相應(yīng)獨(dú)立的設(shè)備即可融入現(xiàn)有系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)具有任務(wù)單一、響應(yīng)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，要求能全天候不間斷穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）主要硬件均可以即插即用，任意開關(guān)機(jī)、意外掉電都不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，軟件應(yīng)采用人機(jī)界面良好的圖形化界面，用戶安裝相應(yīng)軟件后就可實(shí)現(xiàn)智能控制、管理、操作、配置和檢索。

（5）系統(tǒng)應(yīng)兼容多種矩陣協(xié)議、云臺(tái)控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和傳輸方式等。

（6）平臺(tái)衛(wèi)星通訊帶寬較低，攝像機(jī)應(yīng)至少具備H.264 碼流壓縮技術(shù)，或能優(yōu)于該碼流的其他技術(shù)，保證通訊流暢，以方便將視頻信號(hào)遠(yuǎn)傳至陸地監(jiān)控總站。

（7）原系統(tǒng)信號(hào)應(yīng)接入新系統(tǒng)，以方便在新系統(tǒng)的顯示終端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)傳。

（8）系統(tǒng)升級(jí)不應(yīng)破壞原系統(tǒng)的完整性，不應(yīng)影響原系統(tǒng)的動(dòng)作控制、穩(wěn)定性和畫面實(shí)時(shí)性。

（9）鉆井區(qū)域監(jiān)控仍沿用原系統(tǒng)，以避免電磁干擾、電網(wǎng)波動(dòng)等原因造成網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)延遲、卡頓或斷網(wǎng)對(duì)鉆井作業(yè)的影響。

（10）新系統(tǒng)和原系統(tǒng)的視頻信號(hào)均應(yīng)能儲(chǔ)存，存儲(chǔ)時(shí)間均不小于60 天，

（11）應(yīng)增加監(jiān)控顯示位置，除經(jīng)理辦公室、井隊(duì)辦公室、甲方辦公室中控室等處新增監(jiān)控系統(tǒng)專用顯示器外，平臺(tái)局域網(wǎng)電腦也能調(diào)用視頻監(jiān)控信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

（12）需增加監(jiān)控區(qū)域，對(duì)左右舷、管子堆場(chǎng)、生活區(qū)等增加攝像頭，便于對(duì)輔助船靠泊和大型吊裝作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控和安防。

（13）考慮到鉆井平臺(tái)電網(wǎng)諧波較大，視頻監(jiān)控主要設(shè)備供電應(yīng)使用UPS（不間斷電源），以避免減少設(shè)備使用壽命和電源引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（14）視頻信號(hào)應(yīng)能遠(yuǎn)傳，以方便陸地總部對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

升級(jí)改造后的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。系統(tǒng)分為新視頻監(jiān)控設(shè)備、新視頻壓縮設(shè)備、原鉆井視頻監(jiān)控設(shè)備、原局域網(wǎng)設(shè)備，為滿足升級(jí)改造要求，本項(xiàng)目在硬件配置，通信方式和系統(tǒng)供電方面都進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)。

（1）硬件配置

圖2 “勘探四號(hào)”升級(jí)改造后的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為方便視頻監(jiān)控設(shè)備擴(kuò)展，新視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解碼器、攝像頭、鍵盤、POE（有源以太網(wǎng)）交換機(jī)、WIFI（無線上網(wǎng)）熱點(diǎn)、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器、上網(wǎng)行為管理器、熱點(diǎn)管理器均采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備，只需配置相應(yīng)IP（一種網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議）地址并設(shè)置后，即可使用。根據(jù)使用環(huán)境差異，危險(xiǎn)區(qū)域選用防爆攝像頭或防爆WIFI 熱點(diǎn)，露天區(qū)域選用防水?dāng)z像頭或防水WIFI 熱點(diǎn)，并根據(jù)監(jiān)控設(shè)備或區(qū)域差異，選用固定式或者可旋轉(zhuǎn)式攝像頭。硬盤錄滿后可自動(dòng)對(duì)前面的錄像資料循環(huán)覆蓋，能夠滿足60 天的存儲(chǔ)容量。

（2）通信方式

新視頻監(jiān)控系統(tǒng)、新視頻壓縮設(shè)備、原鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)、原局域網(wǎng)系統(tǒng)之間均采用雙絞線以太網(wǎng)通訊。其中，新視頻監(jiān)控系統(tǒng)與原局域網(wǎng)通過上網(wǎng)行為管理器聯(lián)接，新視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的WIFI 熱點(diǎn)或者即插電腦可以通過上網(wǎng)行為管理器訪問原局域網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，選用的新視頻監(jiān)控設(shè)備如解碼器、攝像頭、鍵盤、POE 交換機(jī)、WIFI 熱點(diǎn)、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器、上網(wǎng)行為管理器、熱點(diǎn)管理器均采用以太網(wǎng)通信。為保證通信質(zhì)量和減少電纜敷設(shè)量，分區(qū)域設(shè)置交換機(jī)，各區(qū)域交換機(jī)之間根據(jù)通信距離選用網(wǎng)線或者光纖通信，當(dāng)通信距離大于80 m 則采用光纖，否則選用網(wǎng)線。

（3）供電方式

半球攝像機(jī)、WIFI 熱點(diǎn)均可由POE 交換機(jī)供電，普通球機(jī)、防爆球機(jī)和可旋轉(zhuǎn)云臺(tái)則就近取電源，為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，同時(shí)為克服鉆井平臺(tái)可控硅驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)諧波較大、電壓不穩(wěn)等特點(diǎn)，機(jī)房核心交換機(jī)、服務(wù)器、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器、熱點(diǎn)管理器、上網(wǎng)行為管理器均采用UPS 供電。

3.2 原模擬鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入新數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為增加原鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能，同時(shí)，為方便原系統(tǒng)無顯示終端的經(jīng)理辦公室、甲方辦公室等處所對(duì)鉆井處所進(jìn)行監(jiān)控，將原鉆井?dāng)z像頭信號(hào)接入新數(shù)字系統(tǒng)。將原鉆井?dāng)z像頭同軸電纜信號(hào)通過BNC（一種同軸電纜的連接器）三通一分為二，分別接至原模擬控制器和新加的三混錄像機(jī)，信號(hào)經(jīng)三混錄像機(jī)處理后，通過以太網(wǎng)雙絞線接至新系統(tǒng)交換機(jī)，在三混錄像機(jī)所在的CCTV 控制室設(shè)置顯示器和鼠標(biāo)（三混錄像機(jī)自帶鍵盤），以方便進(jìn)行設(shè)置和維護(hù)，本設(shè)計(jì)三混機(jī)采用大華/DH-HCVR9016HP-SF 型，其支持?jǐn)?shù)字?jǐn)z像機(jī)、模擬攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)三種信號(hào)輸入，本項(xiàng)目在設(shè)置中勾選“同軸高清攝像機(jī)”，接線見圖3。

圖3 “勘探四號(hào)”原鉆井?dāng)z像頭接入新數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)接線圖

3.3 視頻信號(hào)遠(yuǎn)傳

目前相關(guān)的視頻監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在陸地上已得到了廣泛應(yīng)用。船岸一體化遠(yuǎn)程監(jiān)控是是現(xiàn)代船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的一種趨勢(shì)[6]，但由于視頻監(jiān)控需要較高帶寬，遠(yuǎn)洋船舶衛(wèi)星通信通道的帶寬和成本一直都是制約海上視頻監(jiān)控應(yīng)用的瓶頸[7]，海洋鉆井平臺(tái)視頻信號(hào)遠(yuǎn)傳也受制于此。勘探四號(hào)目前通過衛(wèi)星裝置與陸地總部進(jìn)行通訊，帶寬僅有1.8 Mbps，而在用攝像頭大部分工作于1080 P（一種最高等級(jí)高清數(shù)字電視的格式標(biāo)準(zhǔn)）狀態(tài)，也就是單個(gè)攝像頭監(jiān)控畫面若從鉆井平臺(tái)傳到陸地總部幾乎將占用現(xiàn)有大部分帶寬，多路上傳更是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。根據(jù)鉆井平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，設(shè)置視頻壓縮裝置，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)占衛(wèi)星帶寬控制在500 kbs 以下，在總部部署接收監(jiān)控平臺(tái)，視頻壓縮裝置壓縮后上傳至接收監(jiān)控平臺(tái)，在陸地總部部署監(jiān)控平臺(tái)，從鉆井平臺(tái)獲取監(jiān)控信號(hào)，進(jìn)行選擇性觀看。同時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)段為192.168.1.1～254 之間，當(dāng)上網(wǎng)行為管理器根據(jù)需要設(shè)置為信號(hào)單向傳輸時(shí)，與平臺(tái)辦公網(wǎng)段10.240.243.xx 之間由于上網(wǎng)行為管理器存在網(wǎng)絡(luò)物理鏈路中斷，故視頻壓縮機(jī)前后分別采用交換機(jī)和路由器，如圖2 中“新視頻壓縮設(shè)備”所示。經(jīng)測(cè)試，將攝像機(jī)碼流壓縮至128 kbs，在保證視頻清晰度滿足要求的前提下，同時(shí)遠(yuǎn)傳4 個(gè)畫面，總部可流暢地觀看平臺(tái)的視頻畫面。

3.4 視頻監(jiān)控設(shè)備新增

在日常應(yīng)用中，主要是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像頭和監(jiān)控顯示器的新增。

（1）新增攝像頭的方法：先根據(jù)IP 配置清單給新增加的攝像頭分配一個(gè)IP 地址，用網(wǎng)線將調(diào)試用電腦與攝像頭聯(lián)接，將默認(rèn)IP 地址更改為分配好的IP 地址，并更改攝像頭名稱，然后將新增攝像頭與就近的POE 交換機(jī)用網(wǎng)線聯(lián)接，在解碼器上新增攝像頭顯示即可。

（2）新增監(jiān)控顯示器方法：CCTV 交換機(jī)與公網(wǎng)已經(jīng)與上網(wǎng)行為管理器聯(lián)通，將上網(wǎng)行為管理器設(shè)置為信號(hào)雙向傳輸，將需要調(diào)用視頻監(jiān)控信號(hào)的局域網(wǎng)電腦用網(wǎng)線與局域網(wǎng)交換機(jī)或CCTV 交換機(jī)連接，其“高級(jí)TCP/IP 設(shè)置”菜單設(shè)置見圖4。給新增電腦主機(jī)配置一個(gè)CCTV 系統(tǒng)的IP 地址，在IP 設(shè)置中添加該IP 地址，并添加CCTV 系統(tǒng)的子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，并勾選“自動(dòng)躍點(diǎn)”。其中，“10.240.243.128”為訪問局域網(wǎng)IP 地址，“192.168.1.188”為訪問視頻監(jiān)控系統(tǒng)的IP 地址，這樣，該電腦既能訪問原有局域網(wǎng)，又能訪問視頻監(jiān)控系統(tǒng)。之后在IE 瀏覽器中鍵入服務(wù)器IP 地址，點(diǎn)擊“CS 客戶端下載”并下載，即可通過客戶端顯示、控制各區(qū)域的監(jiān)控畫面。同理，可以通過上述方法新增其它IP 地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，訪問更多網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)同一電腦訪問多網(wǎng)段數(shù)據(jù)。

圖4 局域網(wǎng)電腦訪問視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置

4 設(shè)備選型

設(shè)備選型主要是新視頻監(jiān)控系統(tǒng)和新視頻壓縮設(shè)備選型，原視頻監(jiān)控系統(tǒng)只需增加三混錄像機(jī)及顯示器、鼠標(biāo)等輔助設(shè)備，通過BNC 三通將原攝像頭信號(hào)接入三混錄像機(jī)即可，本視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造設(shè)備選型見表1。

表1 “勘探四號(hào)”視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造設(shè)備選型表

5 結(jié)論

“勘探四號(hào)”海洋鉆井平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控點(diǎn)的新增，并將原模擬鉆井視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入了新數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，既不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、畫面實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，又巧妙地實(shí)現(xiàn)了在所有局域網(wǎng)口可達(dá)的處所調(diào)用視頻監(jiān)控信號(hào)。利用同一電腦自動(dòng)調(diào)用多網(wǎng)段數(shù)據(jù)，既不影響原局域網(wǎng)電腦的原有功能，又能方便調(diào)用視頻監(jiān)控信號(hào)。并根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬，經(jīng)過壓縮后遠(yuǎn)傳給陸地總部。升級(jí)改造后的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有分析智能化、抗干擾性強(qiáng)、圖像清晰等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)類似新舊視頻監(jiān)控系統(tǒng)的融合、設(shè)計(jì)與升級(jí)具有較好的借鑒意義。