基于AI的燃气管道监控系统应用实践_吕达.pdf

经营与管理Management and Administration32城市燃气 2022/10 总第 572 期吕 达，宋家才深圳市燃气集团股份有限公司基于AI的燃气管道监控系统应用实践摘要：本文研究燃气管道智能监控系统在燃气管道周边第三方工地管控中的运用。系统由监控管理平台、智能监控终端和服务器组成，利用人工智能自动识别入侵管控区域的挖掘机、人员、车辆等并迅速进行报警，测试结果表明该系统对于挖掘机的有效识别报警准确率达到95%，该系统对预防和减少燃气管道第三方损坏事件，保障安全稳定供气具有重要意义。关键词：燃气管道；人工智能；智能监控doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2022.10.0071 背景在“十二五”规划开局之年，国家发改委提出建立低碳发展道路的要求。深圳作为第一批低碳试点省市，积极响应国家发改委的工作要求，大力发展和推广利用清洁能源，构筑低碳能源体系。截至2019年4月，深圳市已建成并投运高（次）压管道约332.5km，地下中低压管道约5 931km，供气范围覆盖10大城区，为2106用户提供清洁、安全、经济的管道天然气。但近年来，由于野蛮施工导致的燃气管网及附属设施损坏事件居高不下，严重影响了城市公共安全，2018年深圳市全年共发生15单燃气管道第三方损坏事件。如何有效预防第三方损坏事件，降低燃气管网及附属设施损坏频率，提高安全稳定供气的保障能力，成为燃气运营企业关注的焦点。为提高第三方工地现场管理效果，深圳市住房和建设局建立了地下燃气管线安全保护长效机制并制定了“6个100%”（100%签署地下管线保护协议、100%查明地下管线分布情况、100%制定地下管线保护方案、100%配备管线工程师、100%实施动土令制度、100%进行作业技术交底）等多种管控措施，深圳市燃气集团股份有限公司（以下简称深圳燃气）立足“科技强安”，不断探索，首创将AI（Artificial Intelligence，简称AI）与信息技术应用于第三方工地燃气管道保护工作，提出采用AI监控手段开展工地现场管理的思路，构建一套完整的智能化解决方案，逐步实现燃气管理日常巡查“人防”与“技防”相结合。2 系统组成和工作原理2.1系统组成AI智能监控系统由监控管理平台（含PC端和移动端）、智能监控终端和服务器（包含AI深度学习服务器、流媒体服务器、存储服务器、web服务器、数据库服务器等服务器应用）组成，利用集成在智能监控终端上的球型摄像机监控现场，通过4G网络通信技术，将监控到的视频传输到服务器上，利用AI技术自动识别现场情况1。当出现与预设危险状态相符的情况时（如挖掘机进入预先设置的管控区域），服务器自动发出预警并将预警信息与现场情况发送到监控管理平台，相关人员可迅速调取现场实时视频查看，并可利用集成在智能监控终端上的扩音喇叭远程向现场喊话，由此实现对第三方施工现场的有效监控。此33城市燃气 2022/10 总第 572 期外，所有采集到的视频数据和预警信息均在本地（智能监控终端）和网络（服务器）保存。监控管理平台监控管理平台是AI智能监控系统的控制界面，包含调控中心、AI识别系统、视频管理平台、告警闭环管理、系统管理、监控数据报表等模块，由PC端与移动端组成。借助监控管理平台，管理人员通过观看监控视频可远程检查监控点有无危害燃气管道安全的行为，避免频繁在工地现场来往，有效缩短了管理时间2。在符合系统运行条件的手机上安装监控管理平台（移动端），可以方便地实现移动办公、随时随地调取监控。智能监控终端智能监控终端由主控板、球型摄像机、网络硬盘录像机、扩音器、供电系统组成，实现对现场视频的采集、传送以及远程喊话功能。其中主控板操作系统支持Android或Linux，中央处理器（CPU）最大支持8路传感器接入，集成4G通信模块，配备全向天线；球型摄像机支持帧率为30帧每秒的高清画面输出，采用高效红外阵列，低功耗，照射距离达100m，支持360水平旋转，垂直方向移动角度-15 90；网络硬盘录像机支持不低于1个月的视频储存；扩音器输出功率100W，有效传播距离不低于300m；供电系统由电池和太阳能电池板构成，采用12V铅酸蓄电池或锂电池，在充满电且无电量输入情况下，可维持智能监控终端连续运行约7天，太阳能电池板在光照条件好，设备正常工作的状态下，将电池充满需要2天左右。服务器服务器由AI深度学习服务器、流媒体服务器、存储服务器、web服务器、数据库服务器等服务器应用组成。采用适用于人工智能、机器学习的戴尔R740服务器，为AI智能监控系统提供计算支撑。2.2工作原理通过卷积神经网络相关算法，对目标图像进行物体分类，特征提取越多，分类结果越精确。图1系统结构示意图图2监控管理平台（移动端）吕 达等基于AI的燃气管道监控系统应用实践流媒体服务器存储服务器web服务器4G基站无线电通讯模块录像机球机工业交换机太阳能充电设备控制器蓄电池PC手机、平板设备外观示例防火墙数据库服务器AI深度学习服务器传感器1 传感器2 传感器N经营与管理Management and Administration34城市燃气 2022/10 总第 572 期在特征提取过程中，首先，标定图像中的物体，如标定某区域内的物体为挖掘机，将目标区域分割成k*k个部分（图3中k值取3），每个部分映射到一张得分图上，每个得分图对应目标的一部分，将挖掘机分为k*k（图3中k值取3）个得分图。最后将每个得分图的位置信息、像素点信息进行数值化处理，并存储到模型中，从而完成整个特征提取过程。图像分类是上述特征提取的反向过程。首先，将图片分割成若干区域，随后，使用已保存的模型，通过卷积层对每个区域进行投票，最终得到分类结果。2.3预警流程（1）规划保护区域系统可根据管网的走向自由绘制保护区域，有效减少了无效告警，改善了传统监控针对全画面的动态像素判断的方式，结合深度学习神经网络技术，将真实的入侵信息推送至管理人员。（2）通过球型摄像机将图片提交到服务器智能监控终端配备有球型摄像机，通过云台控制摄像头转动，实现对现场360 的监控，借助4G网络即可实现对施工现场的实时监控，将图像传送至服务器（3）入侵判断服务器接收到现场监控图像后，利用AI技术自动识别保护区域内是否有挖掘机、人员、车辆等入侵的情况，并针对入侵情况自动发出预警信息至监控管理平台（PC端和移动端），提醒管理人员及时采取管控措施。3 系统功能AI智能监控系统将物联网、大数据、云计算、AI等技术相结合，为工地现场管理提供先进技术手段，构建工地智能监控体系，实现了燃气管道周边工地监管实时可视化、目标识别智能化、自动报警迅速化、危险预警远程化，对施工现场的挖掘机、车辆和人员进行全方位、深层次的实时监管，变被动“监督”为主动“监控”，变“事后应急”为“事前预警”，有效破解了长期以来存在的第三方施工工地数量快速增长与管道保护力量相对短缺之间的矛盾。3.1第三方工地现场远程可视化监管AI智能监控系统采用物联网技术连接多类型设备、优化的太阳能和风力野外储供电控制和4G无线通讯，形成全天候、多功能的AI智能监控系统。可远程进行360 无死角调控和实时预览、历史回放。历史视频记录画面清晰，能够留下完整的证据链，可以弥补人工无法做到的全方位和全时段的监视工作。3.2可达到“秒”预警应用AI技术，帮助人工来执行繁琐的监控任务。针对第三方工地现场燃气管道的重点保护段进行区域布控，通过提取监控视频中包含的海量结构化数据信息，识别和锁定设置区域范围内出现的挖掘机等危害因素，在第一时间预警，并可与GIS（地理信息系统）、管道完整性系统和智能巡查等系统无缝衔接，实现报警信息的闭环管理。另外，借助大数据智能分析、研判，系统直接关注目标价值信息，与工地监管深度融合，真正做到系统管用、功能实用，通过向科技要人力，降低员工的工作量，提高员工的工作效率，实现了真正意义上的有效智能监控。3.3便捷远程呼叫喊话如遇危险预警或紧急情况下，监管人员可通过手机端或控制平台端的麦克风进行远程呼叫喊话，及时对施工现场远程发送警示信息，制止危险作业行为，为第三方工地现场燃气管道保护工作提供了先进的科技手段和强有力的技术保障。智能监控终端还可接入多种传感器，如泄漏传感器、火灾传感器，AI识别模型也可扩展多种识别种类，如烟火识别、钻机识别、安全帽识别，这些可扩展的结构及使用的可扩展的神经网络模型，使得本系统在未来可以识别更多的风险因素，应用于多种场景，为城市安全增添保障，如增加水质、气体传感器可应用在环境监测场所，增加火灾、烟雾传感器可应图3挖掘机特征提取示意图35城市燃气 2022/10 总第 572 期用于森林防火。4 工程应用效果4.1测试数据分析2018年7月17日至2018年10月20日，在某区轨道交通14号线（宝荷站）工程等6处第三方工地现场安装智能监控终端进行系统性测试。智能监控终端24小时连续工作，白天自动查看图像对比频率为每小时120次，共9小时，晚间自动查看图像对比频率为每小时30次，共15小时。6台智能监控终端运行近100天，期间，AI自动查看479 548次，储存图片数据142GB，运行使用流量共200GB。以其中1台自2018年7月 17日持续测试至2019年4月25日的智能监控终端数据为例，AI自动查看134 079次，告警总数为237次，其中误报9次、准确识别并迅速告警228次（其中识别挖掘机227次，人员和车辆1次），AI智能监控系统在测试阶段对挖掘机的有效识别报警准确率达到95.78%。4.2工程应用成果在AI智能监控系统测试成功后，深圳燃气在地铁建设、道路改造、污水治理等40余处大型工地进行全面推广，有效减少了第三方工地燃气管道损坏事件，提升了第三方工地智能化管控水平。以轨道交工程深大东站为例，2018年9月29日至2018年11月1日期间，AI智能监控系统6次发现挖掘机入侵并及时预警，其中1起典型案例是2018年11月1日，施工单位相关人员擅自驾驶挖掘机进入燃气管道保护布控区域内进行作业，AI智能监控系统及时识别并迅速告警，深圳燃气相关工作人员获取信息后快速跟进处置，有效阻止了该起野蛮施工。4.3存在不足及改进建议对于暗光场景下图像的识别准确率有待提高。后期将通过设置调整球型摄像机的参数，并重点采集暗光场景下的图片作为AI深度学习的模型样本，不断进行识别训练以提升AI识别的准确率。5 结语利用AI、互联网+等先进技术对安全生产工作进行实时、全方位的智能监控、分析，提升安全生产预测预警和事故防范的能力，是燃气运营企业在新形势下保障清洁能源稳定供应、维护城市公共安全的重要手段，也是改善生产经营效益的重要途径。AI智能监控系统的运用，不仅能在保障地下燃气管道安全方面发挥重要作用，也在一定程度上节约企业的人力物力，降低管理成本，将企业的整体管理水平提升到一个新的层次。参考文献1 黄凯奇，陈晓棠，康运锋，等.智能视频监控技术综述J.计算机学报，2015，38（06）：1093-1118.2 曹闯明.油气长输管道巡检中的智能视频监控技术J.油气储运，2018，37（10）：1192-1195+1200.2022年8月15日获悉，新疆自治区发展改革委正式核准批复了塔城地区天然气利民工程，该项目总投资8.3亿元，新建输气干线264km，设计压力6.3MPa，起点为克拉玛依市九区一级配气站附近，末点为塔城市末站，沿线设站场4座，设计输气量5亿m3/a；新建3条支线管道，全长143.5km。工程信息新疆自治区发展改革委核准批复塔城地区天然气利民工程项目建成后，可解决塔城地区塔城市、托里县、额敏县、裕民县及农九师部分团场共16万户60万人生活用气，与煤炭相比，可减少燃煤30万t标准煤以上，减少二氧化碳排放33万t。项目建设对优化塔城地区能源消费结构，促进经济社会发展具有重要意义。（本刊通讯员供稿）吕 达等基于AI的燃气管道监控系统应用实践