基于4G技術(shù)的油田井場無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

白 凱，夏宏南，印森林，王睦圍

（1.長江大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023；2.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室 長江大學(xué)，湖北 武漢430100；3.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；4.新疆油田公司工程技術(shù)公司 工程技術(shù)科，新疆 克拉瑪依 834000）

基于4G技術(shù)的油田井場無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

白 凱1，2，3，夏宏南2，3，印森林1，王睦圍4

（1.長江大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023；2.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室 長江大學(xué)，湖北 武漢430100；3.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；4.新疆油田公司工程技術(shù)公司 工程技術(shù)科，新疆 克拉瑪依 834000）

為了提高油田井場安全生產(chǎn)環(huán)境和加強(qiáng)野外井場的精準(zhǔn)管理要求，需要提供野外井場清晰度較高的實(shí)時視頻，提出了一種基于無線4G技術(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)設(shè)計方案，應(yīng)用于野外油田井場監(jiān)控系統(tǒng)中。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)井場的視頻采集并上傳到服務(wù)器，通過4G網(wǎng)絡(luò)與Internet連接。本文對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)場需求說明，主要功能設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對偏遠(yuǎn)地區(qū)井場的安全監(jiān)控。該系統(tǒng)目前在新疆某油田已經(jīng)部署完成，通過試驗(yàn)運(yùn)行證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、信息無線采集與傳輸、遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控均達(dá)到設(shè)計需求，并且系統(tǒng)具有未來的可擴(kuò)展性，總體性能達(dá)到了油田現(xiàn)場實(shí)際需求。

4G；視頻監(jiān)控；RTU；流媒體

我國的油田大都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，人跡罕至，而井場的設(shè)備和儀器又非常昂貴，一般需要有人值守，但是人工值守不能滿足24小時的值班要求，為了給每個井場提供一個安全的生產(chǎn)環(huán)境，必須采用穩(wěn)定可靠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各個井場有效的管理，但是地處偏遠(yuǎn)的井場有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備難以設(shè)置，早期的GPRS接入無線網(wǎng)絡(luò)方式的傳輸速率已經(jīng)不能滿足實(shí)時監(jiān)控的視頻傳輸?shù)男枨?。本系統(tǒng)中采用4G網(wǎng)絡(luò)中TDD-LTE無線傳輸技術(shù)接入無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，達(dá)到對井場監(jiān)控區(qū)域?qū)嵤┤旌?、全方?4小時監(jiān)控，并且能夠記錄人員流動的情況，達(dá)到加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督和安全管理，為井場安全工作做好有力保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)從設(shè)計原理上由用戶層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層、信息采集層構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)框架圖

用戶層是編寫前端控制程序平臺，設(shè)置的用戶可以通過此層來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，查看整個系統(tǒng)的監(jiān)控視頻，與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互。網(wǎng)絡(luò)層采用的是中國移動公司的TDD-LTE4G網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計選擇目前市面上最常見的華為公司生產(chǎn)的E3276型4G無線數(shù)據(jù)卡，該卡支持中國移動TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)，采用USB接口方式接入，通過該層實(shí)現(xiàn)了實(shí)時遠(yuǎn)程測控。數(shù)據(jù)處理層主要是通過RTU（Remote Terminal Unit）來處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，作為控制及數(shù)據(jù)處理模塊的核心設(shè)備。采集層主要由無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)加云臺組成，獲取井場不同角度的視頻信息，采集層還留有未來能夠采集現(xiàn)場煙、溫度等信息的傳感器擴(kuò)展接口[1]。

2 現(xiàn)場實(shí)際需求分析

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)部署圖

根據(jù)油田井場的實(shí)際情況，對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖作如下分析，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

視頻監(jiān)控和周界報警，將視頻信號、報警信息以及站內(nèi)RTU數(shù)據(jù)上傳至中心站，傳輸介質(zhì)為運(yùn)營商TDD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)。中心站管理部分設(shè)立一臺監(jiān)控計算機(jī)，運(yùn)行視頻監(jiān)控軟件和周界報警軟件；視頻監(jiān)控部分采用防爆一體化萬向攝像儀；每個井場站內(nèi)設(shè)置三處。

接線端包括防雷擊浪涌保護(hù)器和接線端子，每路輸入信號均加防雷浪涌保護(hù)器[2-3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

油田井場的現(xiàn)場情況是地處偏遠(yuǎn)，分布零散，各井場之間距離遠(yuǎn)。組網(wǎng)一般按照井場劃分，采用多級分布式。一些井場往往地處偏遠(yuǎn)，因此設(shè)備的供電問題尤為突出，選擇無線設(shè)備的架設(shè)地點(diǎn)時，盡量選擇離電線距離較近的地方，以便取電方便，同時在設(shè)計中備份采用太陽能供電方式，要求達(dá)到太陽能供電系統(tǒng)至少保證在陰雨天或斷電情況下，能給每一個井場的監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備提供24小時穩(wěn)定的供電保障[4-6]。對于實(shí)際設(shè)備的選擇，先進(jìn)性不是第一原則，一般要滿足以下幾點(diǎn)：

1）可靠性

野外設(shè)備難以經(jīng)常更換或維修，視頻設(shè)備等相關(guān)裝置必須采用高可靠性的器件；對野外設(shè)備和儀器采取一定的抗干擾措施，保證具有良好的接地和電磁屏蔽措施；采取可靠的施工工藝，嚴(yán)格按照工業(yè)自動化工程安裝規(guī)范和油氣田工程設(shè)計工藝實(shí)行，確保人為故障率降到最低。

2）可擴(kuò)充性

為方便以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，如監(jiān)測點(diǎn)的增加，系統(tǒng)留有擴(kuò)展余地，可以很方便的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，只需在硬件增加的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的設(shè)置。

3）易管理性和易操作性

井場現(xiàn)場人員的情況復(fù)雜，對該系統(tǒng)的了解情況參差不齊，對于井場的現(xiàn)場設(shè)備要保證易于使用，容易操作。后臺軟件采用提示、查看、口令等人機(jī)對話方式，以及操作權(quán)限分級方式。

3 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

3.1 RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模塊設(shè)計

針對無人值守單井站的視頻監(jiān)控和周界報警，將視頻信號、報警信息以及站內(nèi)RTU數(shù)據(jù)上傳至中心站，傳輸介質(zhì)為運(yùn)營商4G無線網(wǎng)絡(luò)。 RTU數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)備，提供網(wǎng)絡(luò)接口接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)[7-9]。圖3所示為前端整體架構(gòu)示意圖。

圖3 視頻監(jiān)控前端整體架構(gòu)

RTU自動完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、電源管理等一系列的工作，這些功能的執(zhí)行由控制軟件完成，軟件設(shè)計主要分為兩部分：數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和異常處理模塊。軟件設(shè)計的流程圖如圖4所示。

圖4 RTU控制程序流程圖

3.2 監(jiān)控終端設(shè)計

3.2.1 前端視頻采集點(diǎn)

前端視頻采集點(diǎn)本系統(tǒng)中設(shè)計為智能眼SmartEye 4G無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。該型號網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將攝像機(jī)采集的視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號經(jīng)過算法壓縮后，通過4G無線方式接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

視頻壓縮算法采用優(yōu)化的H.264壓縮算法，音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)G.711，能夠?qū)崿F(xiàn)高清晰的圖像傳輸，節(jié)省存儲空間。可設(shè)置視頻的錄像的分辨率和幀速度，在網(wǎng)絡(luò)上行帶寬不足時可降低分辨率以提高速度。高清對應(yīng)的分辨率是 1280×720，標(biāo)清對應(yīng)的分辨率是 640×480，流暢對應(yīng)的分辨率是 320×240。采用高性能的1/3”SONY CCD攝像頭，圖像清晰。能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)錄像/畫面變動偵測錄像[9-10]。

3.2.2 數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR

該設(shè)備構(gòu)建為嵌入式 Linux操作系統(tǒng)、TMS320C64x+?DSP內(nèi)核達(dá)芬奇技術(shù)的SOC，H.264壓縮算法，采用USB2.0連接方式。每個視頻輸入通道最高支持CIF分辨率352×288編碼，也可以降低選擇QCIF分辨率176×144編碼，支持視頻環(huán)通輸出。4路機(jī)型的報警為4進(jìn)2出，具有4個SATA接口，支持單路回放[11-12]。

3.3 中心站流媒體服務(wù)器

由于中心站同時監(jiān)控多個單井站，所以本方案設(shè)計中除完成現(xiàn)有單個井站的視頻監(jiān)控功能外，另外補(bǔ)充了未來接入多個井站視頻及周界報警監(jiān)控的擴(kuò)展功能。

單個井站的視頻信號及其周界報警信號無需額外處理，數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街行恼荆钱?dāng)井站數(shù)量增加時，中心站的計算機(jī)將無法承擔(dān)處理大量流媒體信號的工作容量，這時需要設(shè)置專業(yè)的流媒體服務(wù)器及負(fù)責(zé)集中存儲的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

3.3.1 高清流媒體中心管理服務(wù)器（MTS）

流媒體轉(zhuǎn)發(fā)中心和中心管理服務(wù)器主要放置在客戶的中心機(jī)房，本系統(tǒng)中使用1臺MTS（Multi-Threaded Server）來完成流媒體轉(zhuǎn)發(fā)和中心管理。服務(wù)器的主要功能模塊由流媒體轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)模塊和數(shù)據(jù)中心管理模塊兩大部分組成[13]。

圖5 高清流媒體中心管理服務(wù)器

高清流媒體轉(zhuǎn)發(fā)中心和前端高清攝像頭相匹配，能保證高清視頻信號在傳輸過程中損耗低，實(shí)現(xiàn)圖像效果好的目的。

前端設(shè)備不用設(shè)置固定IP訪問，流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器支持任何一臺設(shè)備連接到服務(wù)管理中心的機(jī)器。

前端設(shè)備直接支持路由器網(wǎng)絡(luò)地址映射方式，內(nèi)網(wǎng)穿透訪問功能，自身具有內(nèi)外地址轉(zhuǎn)換能力，不再采用傳統(tǒng)代理服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)。

服務(wù)器軟件中安裝有圖像分析報警系統(tǒng)，能夠?qū)λO(jiān)控視頻圖像進(jìn)行計算分析，對于靜態(tài)或動態(tài)圖像實(shí)現(xiàn)分析報警功能。

服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模并發(fā)訪問，可支持多個監(jiān)控室同時監(jiān)控（會受接入帶寬的限制）。該流媒體服務(wù)器解決了在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限的情況下，處理多個客戶端同時并發(fā)訪問同一個監(jiān)控點(diǎn)功能[14]。

3.2.2 網(wǎng)關(guān)集中存儲服務(wù)器

網(wǎng)關(guān)集中存儲服務(wù)器的主要功能是實(shí)現(xiàn)各種不同廠商來源的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合，同時完成對所監(jiān)控點(diǎn)視頻進(jìn)行集中存儲和點(diǎn)播[15-17]。本項(xiàng)目中可能會牽涉到整合各種品牌監(jiān)控系統(tǒng)，并對原有的監(jiān)控和現(xiàn)有監(jiān)控要做集中存儲的話，需使用此功能模塊。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

目前安防監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)安裝完成，圖6為該系統(tǒng)的運(yùn)行測試運(yùn)行的監(jiān)控視頻的截圖。實(shí)現(xiàn)了井場作業(yè)現(xiàn)場24小時全方位且不間斷的進(jìn)行各種監(jiān)控、記錄并進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一規(guī)范管理，與油田網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)效率、設(shè)備迅速搶修、物資防火防盜、有效井控防范、統(tǒng)一規(guī)范管理的目的。

5 結(jié) 論

文中根據(jù)油田生產(chǎn)對4G無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的需求，描述了如何建立完善的系統(tǒng)框架，包括監(jiān)控信息的采集、傳輸、處理和展示等子系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集過程中，結(jié)合了油田生產(chǎn)的實(shí)際環(huán)境，選擇監(jiān)控終端設(shè)備，確保設(shè)備能夠在實(shí)際環(huán)境中穩(wěn)定高效運(yùn)行。該系統(tǒng)關(guān)鍵模塊采用成熟可靠的產(chǎn)品作為硬件平臺，通過系統(tǒng)集成，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。目前4G無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在油田的安全生產(chǎn)過程中發(fā)揮了巨大的作用，通過監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理、安全管理和設(shè)備管理等遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)時和全面的監(jiān)控，對石油生產(chǎn)決策的準(zhǔn)確性提供了可靠的事實(shí)依據(jù)，降低了整個生產(chǎn)過程中人為監(jiān)管中的成本，有效避免在生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險，同時也為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了保障。經(jīng)過測試運(yùn)行，得到了良好的效果展現(xiàn)，達(dá)到了課題的研究目標(biāo)和要求。

[1]盛平，郭洋洋，李萍萍.基于ZigBee和3G技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能測控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012（12）: 229-233.

[2]陳卓.4G網(wǎng)絡(luò)下某視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

[3]陳力.3G/4G系統(tǒng)中的無線資源分配的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[4]王亞軍，張艷.4G通信中的關(guān)鍵技術(shù)之智能天線技術(shù)[J].信息通信，2015（1）:213-215.

[5]張洋祥.第四代（4G）移動通信技術(shù)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2009（6）:3-5.

[6]曲玲玲.基于4G通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電子制作，2014（7）:178-179.

[7]劉巧平，李艷萍.正交頻分復(fù)用技術(shù)及其在4G移動通信中的應(yīng)用[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014（11）:238-241.

[8]李煒鍵，孫飛.基于4G通信技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)安全通信分析[J].電力信息與通信技術(shù)，2014（1）:127-131.

[9]H.264 Baseline Profile Encoder （V1.10.00）on DM6446[S].Texas Instruments，2006.

[10]霍玲玲，王世君，徐曉卉，等.嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014（1）：28.

[11]彭啟瓊.達(dá)芬奇技術(shù):數(shù)字圖像、視頻信號處理新平臺[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[12]Texas Instruments，Revised March.TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip[EB/OL].http:// www.doc88.com/p.7068946958515.htm.2008.

[13]黃宗偉.4G無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全分析[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014（6）:119-121.

[14]李驍馳.基于4G-LTE與WAVE的車聯(lián)網(wǎng)無線通信平臺構(gòu)建與性能測試[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[15]胡國華，袁樹杰，譚敏.4G移動通信技術(shù)與安全缺陷分析[J].通信技術(shù)，2008（7）:155-157.

[16]陳釗，黃鳳辰，花再軍.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的低功耗遠(yuǎn)程圖像采集RTU設(shè)計 [J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2016（3）:37-39.

[17]黃曉波，姜振軍，熊樹生，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程診斷車載終端的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2016（1）:49-52.

Design of oilfield wireless video monitoring system based on 4G technology

BAI Kai1，2，3，XIA Hong-nan2，3，YIN Sen-lin1，WANG Mu-wei4
（1.School of Computer Science，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2.Leak Resistance and Sealing Technology Laboratory，Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory，Yangtze University，Wuhan 430100，China；3.School of Oil Engineering，Yangtze University Wuhan 430100，China；4.XinJiang Oilfield Company Engineering Technology Engineering Technology Section，Karamay 834000，China）

In order to increase the safe production environment of oilfield and strengthen accurate field well site management，real-time clear video of field well site is needed ，remote network video transmission technology is proposed based on 4G wireless technology for oil field well site monitoring system.In this system，the oil filed videos are acquired by field acquisition equipments and uploaded to the servers through the 4G network connecting to the Internet.This paper introduces the system architecture design，field oil site design requirement，the key technologies of main devices，the whole system realizes monitoring to security of the remote oil field areas.Presently the development of the system has been completed and reserved spaces for further expansion and optimization in an oilfield in Xinjiang.Experimental results show that performance of system is stable，information acquisition and transmission by wireless，remote visual monitoring satisfy the design requirements，the overall performance reach actual requirements of oil field.

4G；video monitoring；RTU；stream media

TN92

：A

：1674－6236（2017）06-0177-04

2016-08-05稿件編號：201608045

國家自然科學(xué)基金資助（41502126）

白 凱（1980—），男，滿族，湖北荊州人，博士，講師。研究方向：鉆井工程信息化。