（信号与信息处理专业论文）油井远程夜视监控系统的研究与设计.pdf

摘要 随着多媒体技术、通信技术以及激光红外夜视技术的飞速发展，基于无线通 信的远程夜视监控系统在变电站、森林防火、油田、煤矿等部门得到了广泛应用， 论文结合胜利油田河口采油一矿安防的实际需求，提出了油井远程夜视监控系统 的总体设计方案，对油井远程夜视监控系统的关键技术进行了深入研究，主要工 作如下： l 、在现场调研的基础上，针对油井分布和夜间远距离监控的特点，论文进 行了油井远程夜视监控系统的总体结构设计，完成了无线传输、监控中心、监控 前端的软硬件配置和调试工作。现场运行表明，系统采用无线传输稳定可靠，油 井预置位精度高，夜视监控效果良好，能准确、及时地发现目标，提高了油田的 安防水平。 2 、论文对红外图像形成机理进行了深入研究，总结了油井红外夜视图像的 特点，针对部分夜视图像受天气环境影响比较模糊、对比度低的情况，在分析常 用红外图像灰度变换算法优缺点的基础上，提出了基于自适应区间拉伸的夜视图 像处理算法。实验表明该方法结合了油井图像自身的特点，变换增强效果稳定， 使图像的对比度得到了较大的提高。 3 、论文分析了图像噪声的种类、特点及模型，针对油井夜视图像存在的噪 声特点，在借鉴标准中值滤波、均值滤波等算法的基础上，提出了一种自适应混 合滤波的新算法。实验表明，该算法针对油井图像存在的不同噪声采用不同的处 理方法，在去噪的同时很好地保护了图像的边缘及细节信息。 论文设计的油井远程夜视监控系统在油田应用良好，它所采用的夜视图像处 理技术使模糊油井图像恢复得比较清晰，提高了油田安全生产管理水平，对油田 监控方面的开发探索具有一定的参考价值。 关键词：无线监控；夜视系统；灰度变换；自适应区间拉伸；混合滤波 t h er e s e a r c ha n d d e s i g no fr e m o t eo i lw e l ln i g h t m o n i t o r i n gs y s t e m g u oy a n l i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i ur u n h u aa n da s s o c i a t ep r o f e s s o rr e nx u h u a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h em u l t i m e d i at e c h n o l o g i e s ，t h e c o m m u n i c a t i o na n dt h el a s e ri n f r a r e dn i g h tv i s i o nt e c h n o l o g i e s ，t h er e m o t en i g h t m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，t h ef o r e s tf i r ep r o t e c t i o n ，t h eo i lf i e l d ，t h ec o a lm i n ea n ds u c h v a r i o u sd e p a r t m e n t s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d sf o rs e c u r i t yo fh e k o uf i r s to i l p r o d u c t i o nf i e l do fs h e n g l io i l f i e l d ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h er e m o t eo i lw e l ln i g h t m o n i t o r i n gs y s t e m sd e s i g np r o g r a m ，a n dd e e p l yr e s e a r c h e st h em o n i t o r i n gs y s t e m s k e yt e c h n o l o g i e s t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h eo i lf i e l di n v e s t i g a t i o na n d r e s e a r c h ，i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s o fo i lw e l ld i s t r i b u t i o na n dn i g h tl o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n g ，t h i st h e s i sc a r r i e so nt h e o v e r a l ls y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n i th a sc o m p l e t e dt h es o f t w a r e h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n a n dd e b u g g i n gw o r kf o rt h ew i t l e s st r a n s m i s s i o n ，t h em o n i t o r i n gc e n t e ra n d m o n i t o r i n g f r o m e n d t h e s y s t e mo p e r a t i o ni n d i c a t e s t h a tw i t ht h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ，t h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，t h eo i lw e l l sp r e s e t t i n gp r e c i s i o ni s h i g h ，a n dt h en i g h tm o n i t o r i n ge f f e c ti sg o o d t h i ss y s t e mc a nd i s c o v e rt h ea i m a c c u r a t e l ya n dp r o m p t l y , w h i c he n h a n c e st h es e c u r i t yl e v e lo ft h eo i lf i e l d 2 t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ei n f r a r e d i m a g e s f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n d s u m m a r i z e st h ei n f r a r e di m a g e sc h a r a c t e r i s t i c b e c a u s eo ft h ew e a t h e re n v i r o n m e n t a l i n f l u e n c e ，ap a r to ft h en i g h ti m a g e sa lev a g u ea n dl o wc o n t r a s t b ya n a l y z i n gt h e c o m m o ng r a y s c a l et r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h m so fi n f r a r e di m a g e s ，an e wm e t h o di s p u tf o r w a r d - - a d a p t i v ei n t e r v a ls t r e t c h i n ga l g o r i t h m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tc o m b i n e d w i t hi m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sm e t h o dh a ss t e a d ye n h a n c e m e n te f f e c ta n di m p r o v e s i m a g e sc o n t r a s tg r e a t l y 3 f o rt h ei n f r a r e dn i g h ti m a g e s n o i s e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h et y p e s ，f e a t u r e sa n d m o d e l so ft h en o i s e i nt h er e f e r e n c eo fs t a n d a r dm e d i a nf i l t e r i n g ，m e a n f i l t e r i n g a l g o r i t h m s ，an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e d - - a d a p t i v em i x e dn o i s ef i l t e r i n g e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h i s i m p r o v e da l g o r i t h mc a np r o c e s sd i f f e r e n tn o i s es e p a r a t e l y , w h i l e d e n o i s i n gi ta l s op r o t e c t st h ee d g ei n f o r m a t i o na n dd e t a i l sw e l l t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sw e l la p p l i e di nt h eo i lf i e l d ，a n dt h en i g h tm o n i t o r i n g i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sr e s t o r et h ef u z z yo i lw e l li m a g e sc l e a r l y , i th a s i m p r o v e dt h ep r o d u c t i o na n ds e c u r i t yl e v e lo fo i lf i e l d t h i ss y s t e mh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u et ot h ee x p l o r a t i o no fo i lf i e l dm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：w i r e l e s sm o n i t o r i n g ；n i g h tv i s i o ns y s t e m ；g r a y - s c a l et r a n s f o r m a t i o n ； a d a p t i v ei n t e r v a ls t r e t c h i n g ；m i x e df i l t e r i n g 关于学位论文的独创- l 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：叠垄塑 日期：加0 7 年岁月砖日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限 于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向 国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论 文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：2 0 0 j ) 年 日期： 专窍王b - 月矽广目 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 在全球资源日益宝贵的今天，石油成为国民经济的命脉，其安全生产工作也 越发显得重要，分稚于油田各地的采油井和输油、输电管线是安全生产工作的重 点。但是由于油井和管线的分布地点一般比较分散，自然环境恶劣、人为破坏严 重。随着油l 臼作业范围的扩大，日益严重的破坏设备、盗取现象已经严重地威胁 到油田的正常生产秩序，原有的人工定时巡检、抽查的维护方式已经远远不能适 应维护工作的需要，运用现代的先进技术集中监控管理油井、管线已经成为石油 企业增加产量、减少停机时间、提高工作效率的必由之路。 1 1 课题背景 1 1 1 视频监控系统的发展现状 视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合，它也同样 适用于油井生产监控。 视频监控系统的类别按信号类型分为模拟监控和数字监控，按传输介质分为 有线监控和无线监控。它的发展主要经历了三个阶段乜1 ：模拟视频监控系统， 数字化本地视频监控系统，远程视频监控系统。 1 、模拟视频监控系统 在九十年代初以前，主要采用模拟设备构成闭路电视监控系统，称为第一代 模拟视频监控系统。它是随着视频技术和摄像机的出现发展壮大起来的。从摄像 机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统就己诞生。它被广泛应用于保安、 生产管理等场合。 模拟视频监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视 频电缆、控制线缆等连接。系统由前端设备、监控中心二个部分组成。前端设备 包括摄像机、云台、解码器等；监控中心设备包括监视器( 电视墙) 、视频分配器、 切换矩阵、控制键盘、录像机等等。一般采用模拟方式传输，使用视频电缆，传 输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如楼宇监控等。监控图像一般只 能在本地控制中心通过监视器观看，监控图像由录像机录制并实现回放功能。 第l 章绪论 模拟视频监控系统结构复杂，采用的辅助设备较多，存储介质为磁带、录像 带等，这类系统的固有缺点是模拟录像带随着时间的推移会有磨损，回放的图像 质量会越来越差，同时智能化程度不高，不便检索信息。 2 、数字化本地视频监控系统 九十年代中期，随着计算机处理能力的提高，人们利用计算机的高速数据处 理能力进行视频信号的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多通道显 示，同时利用大容量硬盘存储视频图像，从而大大提高了图像质量，这种基于p c 机的多媒体主控台系统具有较高的自动化和智能化潜力，称为第二代数字化本地 视频监控系统。 数字化本地视频监控系统的优点为： ( 1 ) 通过量化、压缩、编码等手段将模拟的视频、音频信号数字化，并在 p c 上实现多画面显示、切换、控制、录像、录像回放等功能，简化了监控中心的 设备，系统功能较为强大、完善； ( 2 ) 视音频信号的采集、传输、存储主要为数字形式，质量较高，适合于 模拟系统的数字化改造，录像资料易于存储和查找； ( 3 ) 基于p c 的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作，应用灵活性较 好。 尽管初步实现了数字化，但由于图像质量、稳定性以及远程传输监控等技术 方面的不足，使这种第二代视频监控系统仍仅作为安防产品应用于某些特定行业 的日常监控。 3 、远程视频监控系统 九十年代末，随着网络传输技术、计算机处理能力和存储容量的快速提高， 以及各种视频处理技术的出现，分布式、智能化的视频监控系统成为主流，广泛 应用于智能小区、电力等行业，称为第三代远程视频监控系统。系统结构由集总 式向集散式过渡，采用多层分级的结构形式和实时多任务分布式操作系统，将图 像处理技术和网络传输技术结合起来，对视场范围内的物体实施监控保护，把视 频监控和防盗防入侵的视频报警有机结合起来，通过局域网、广域网等传输网络 发送到远程的客户机，实现无人值守的自动化、智能化监控系统，大大提高了监 控系统的有效性、可靠性。这种既是监控管理，又是防入侵报警，并实时记录和 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 存储现场情况的监控系统，引发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产 业界的高度重视和市场的热烈欢迎，有着广阔的应用前景。 目前比较先进的数字监控系统是网络多媒体监控系统。，由网络多媒体监控 管理平台和前端信息采集设备组成，其核心是网络多媒体监控管理平台。网络多 媒体监控管理平台集计算机网络、通信、视频处理、流媒体和自动化技术于一身， 它是一种基于局域网互联网( i n t e r n e t ) 的网络监控系统。通常由前端和监控中 心构成。前端设备采集图像，压缩后通过网络传输给监控中心服务器。由于网络 传输带宽的有限，基于网络的监控系统通常十分关注图像的压缩算法。j p e g 、 j p e g 2 0 0 0 、h 2 6 1 、m p e g 4 等压缩算法在一定程度上满足和促进了网络监控的发展。 1 1 2 红外夜视系统的研究现状 红外夜视技术分为主动和被动两种嵋1 。主动红外夜视技术是通过主动照射并 利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，对应装备为红外探照灯和 红外摄像设备。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察 的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目 标。 最早的红外夜视技术始于二次世界大战初期，当时是利用光电图像转换原理 来实现夜间观察的，属于主动式红外夜视。这类仪器包括红外光源和含有变像管 的夜视镜两大部分。红外光源照射目标，夜视镜将不可见光红外图像转换成可见 图像。六十年代前后，该技术趋于成熟，观察距离可达数百米，后广泛装备部队， 但因其具有发热量大、耗电多、体大、量重、易于暴露等致命弱点，所以逐渐被 以后发展的夜视技术所取代，现在只有少数国家有小数量的装备。取而代之的是 被动式的热像仪，它不主动发射红外光去照射物体，而是通过捕捉物体自身发出 的红外热辐射来实现夜视，具有隐蔽性好、透雾能力强、耗电量低等特点。自二 十世纪末开始，这类红外热辐射夜视装备被广泛应用于军事领域。 主动式红外夜视虽然不再是军用的主导地位，但在交通、公安、监控、勘探 等领域依旧发挥着重要作用。随着i c 设计的发展，半导体发光材料种类逐渐丰富， 能够发出红外光的l e d 引起了夜视开发工程师们的注意，与传统的卤素灯、钨丝 灯相比，使用l e d 做光源有低功耗、结构可靠、便于携带等优势。选择高亮度的 l e d 器件，设计专用的电源模块和散热系统，新型的主动式红外光源就诞生了。 3 第1 章绪论 此外，将红外夜视系统与网络结合，就产生了网络监控和无线监控，这两方面的 研究国内外都有一定进展，有线监控领域己经有了一些产品，比如常见的闭路电 视系统( c c t v c l o s e dc i r c u i tt e l e v i s i o ns y s t e m ) 可以配合红外灯，实现夜 间监控功能；无线监控是一个比较新的领域，由于其方便、可靠的特点，这是一 个很有发展前景的领域。 1 2 课题来源及意义 本课题根据河口采油一矿埕东老区的实际需要，设计开发一个远程油井夜视 监控系统，以实现对采油一矿各油井进行无人值守的2 4 小时监控。 采油一矿埕东老区油、水井分布较集中，随着本地区的开发和发展，油区地 方居民、养殖业户、种植业户、小加工厂等越来越多，油区情况更加复杂。特别 是油价上涨以来，受利益的驱使，油区治安日益恶化。近年来，盗窃、破坏油田 生产设施、物资的情况日益频繁，给油田生产带来了极大影响，制约了采油一矿 的正常开发生产。虽然采油一矿不断增加人力、物力的投入，加大人防、技防的 力度，但由于各种条件的制约，难以从根本上改变油区治安恶化的形势。采油一 矿在河口采油厂生产安全防范方面属于重中之重。近年来打孔盗油、开井盗油等 涉油犯罪活动出现反弹，出现输油气管道屡遭破坏的严峻形势。 因此，为了有效的防范非法分子盗油和破坏采油设施，遏制偷盗、抢劫油田 资源的犯罪行为，为相关部门提供第一时间的资料，建设远程视频监控系统势在 必行。同时，这个视频监控系统要特别加强夜间的监控。因为偷盗行为大部分在 夜间进行，而野外油井都处于偏远地区，夜间特别黑暗，这就要求系统的监控前 端具有良好的夜视功能。 在实际的运行中，由于图像的记录和处理过程中诸多因素的影响，获得的图 像通常并不是很完善，存在不同程度的模糊和噪声。影响图像质量的因素包括光 学系统的缺陷，系统噪声，大气湍流及雨雾等恶劣天气。图像的模糊严重影响了 监测的效果，因此，有必要对这些模糊图像进行恢复处理，本课题在后台软件上 对图像的对比度增强和噪声去除技术进行了研究。通过对视频模糊图像进行增强 处理，使能够清楚可靠地监测到油井生产，对户外全天候监测系统运行的鲁棒性 的提高有着重大的意义。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 课题的主要内容和任务 本文主要设计了河口采油矿的油井远程夜视监控系统，包括总体结构设计 及软硬件的配置和调试：在后台模糊夜视图像的处理上，研究了图像处理的两个 方面，增强对比度的厌度变换以及噪声处理。具体来说，本文的主要研究内容有： 1 、进行现场调研，确定能覆盖整个油区的具体监控点的位置，提出远程夜 视监控系统的具体方案，进行系统总体结构的设计。 2 、分别进行无线传输部分、监控中心和监控前端的软硬件配置，其中包括 对系统硬件设备的选型与安装，以及对系统软件功能的设置和调试，实现系统的 稳定运行。 3 、针对部分夜视图像受天气环境的影响比较模糊、对比度低的特点，研究 常用的红外图像的灰度变换算法，在分析这些算法优缺点的基础上，提出了能结 合具体图像特征的自适应区间拉伸算法，并用实验证明该算法能结合图像自身的 特点，对比度增强效果较好。 4 、在抑制夜视图像噪声方面，首先分析噪声的种类、特点及模型，研究常 用的空域滤波和频域滤波算法，并分析它们的优缺点。在此基础上提出了混合滤 波算法，对于不同的滤波采耿不同的滤波算法，实验证明该算法比其它的算法去 噪效果要好，能更好地保护图像的边缘和细节信息。 全文共分为六章，结构如下： 第一章绪论。主要介绍视频监控系统的发展现状及趋势，红外夜视系统的 发展以及本文的研究背景和意义。 第一章油井远程夜视监控系统总体结构设计。 第三章油井远程夜视监控系统的软硬件配置及实现。 第四章基于狄度变换的油井夜视监控图像处理方法研究。 第五章油井夜视监控图像的噪声处理方法研究。 最后足总结和展望，对本文所做的工作进行了总结，并提出有待迸一步研究 的内容。 5 第2 章油井远程夜视监控系统总体结构设计 第2 章油井远程夜视监控系统总体结构设计 现代的计算机通信技术和网络技术的快速发展，使得远程视频监控系统得到 了飞速的发展。基于目前的应用背景，在现场调研的基础上，我们为河口采油一 矿设计一套基于数字图像处理技术的油井远程夜视监控系统，该系统综合计算机 网络、无线传输、视频压缩、夜视系统、数字图像处理等多种关键技术，实现对 远程油井进行稳定、可靠地2 4 小时不问断监控。 2 1 系统设计原则 1 、先进性 为保证系统能随功能拓展而且具备可持续发展的空间，必须采用先进的视频 数据传输、存储方案，软件开发解决方案和网络集成方案。 2 、实用性 为使系统方便用户使用，系统在设计时必须考虑实用性：界面友好、操作简 单，并且能满足各种业务的需要。使业务人员利用系统很快的提高工作效率，提 高服务。 3 、可靠性 为了保护系统数据的高可用性，及数据备份、恢复机制，系统采用稳定性高、 可用性好的软硬件产品，保证系统稳定、正常运转，确保系统万无一失。 4 、安全性 为了保证系统以及网络的安全，系统必须采用全面的权限管理机制，确保监 控数据的安全管理，对于数据库的访问权限机制采用基于角色和基于对象的权限 管理模式。 5 、扩展性 系统必须具有较强的可扩展性和对需求变化的自适应能力，以适应监控管理 内容变化造成的系统需求的变化。 6 、经济性 系统建设要求在先进使用的基础上作到经济可行，以较小的投入获得较大的 效益。在硬件和软件配置、系统开发和数据库建立上都充分考虑投入和社会经济 益。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 系统的功能需求分析 在项目立项以后，我们对河口采油一矿的地形特点、油井分仰情况进行了详 细的现场调研，并通过征求矿上人员的意见，制订了详细的需求分析和功能配置 协议。 为了较好地实现遥视功能，河口采油一矿的视频监控系统的需求如下： 1 、远程图像监控功能。监控中心可以对多个远程各个油井监控前端进行全 面实时监控。图像监视可选单画面手动切换、单画丽自动轮视、多画面手动切换 和多画面自动轮视等多种方式，可设置手动录像、定时自动录像和报警自动录像 等多种方式。同时在监控中心的人员可遥控前端摄像机的云台和镜头，以达到对 油井现场环境的监控作用。 2 、告警联动功能。当监视区域有异常变化时( 异常条件由用户根据不同情况 设置) ，则在中央监控主机上会及时以声像报警，根据程序设定启动相应的报警 动作，在数据库中记录突发事件的时间、名称和处警动作，并将摄像头对准报警 地点，自动存盘录像，将监控现场此后的情景记录在案。向对方以语音报警，语 音内容可以录制、编辑。 3 、视频检索与回放功能。可以根据用户的查询请求( 如某个时段的某个油井 的生产情况) 查询录制在硬盘上的数据，并显示回放，供事后调查取证使用。回 放时可以进行快进、快倒、慢进、慢倒、单帧步进等控制，图像可整图放大、局 部放大。还可根据需要对录制的数据进行锁定( 防止误删除) 、删除、复制等操作， 对图像可以进行编辑、打印等操作。监控中心可以对若干重要场景，进行预先设 置。 4 、人员管理功能。为保证系统使用的安全性，系统可设定操作人员和操作 权限，操作人员对系统的控制只能在自己被许可的操作权限范围内，操作人员可 设定、修改密码，并进行屏幕锁定等操作。 5 、系统自检功能。通过图像控制主机定时对摄像机、报警器等主要设备发 送监测信号，以检查设备的运行情况，判别设备的正常与否。同时网络服务器定 时发送广播信号，通过回应信号的接收情况判断整个网络各个站节点的工作情 况，如发现故障立即启动报警程序，并在画面上提示故障信息。 7 第2 章油井远程夜视监控系统总体结构设计 6 、夜视功能。由于偷盗、破坏分子一般在夜间活动，所以特别需要加强夜 间的油井监控。要实现对油井白天彩色监视，夜间在全黑的环境下同样能监视的 目的。 2 3 系统的传输方式选择 不同于其他行业的视频监控，油井视频监控系统的特殊性在于：监控点分布 范围广，地处偏僻，地形复杂，各钻井平台之间也因为地域遥远使得通信十分不 便，因而实现油田之间的通信首要问题就是要克服地理环境带来的限制。而传统 有线网络铺设难度大，费用高，施工周期长，变更余地小，维护成本高。油井的 监控点设在室外，传统有线网络在遇到刮风、暴雨等灾害时，线路一断，视频监 控信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应现代油井 管理的高可靠性要求。 综合以上客观条件，我们采用无线网络传输。无线网络不仅布线简单方便， 抗灾性能好，而且是一次性投资，节省了维护成本，解决了超远距离、复杂地形、 无有线网络、无电源的视频监控的难题。无线网络还是保障信息通信和安全生产 的重要手段，可免除架设电缆光缆线的繁琐工程，实现各监控油井与监控中心的 点对点联系，保证油田的安全高效运行。 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 是计算机网络与无线 通信技术相结合的产物1 。无线局域网是利用射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技 术，利用电磁波在空气中发送和接收数据，在不采用传统电缆线的同时，提供传 统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙 里，网络却能够随着实际需要移动或变化。之所以还称其是局域网，是因为会受 到无线连接设备与电脑之间距离的远近限制而影响传输范围，所以必须要在区域 范围之内才可以连上网路。w l a n 的数据传输速率现在己经能够达到 11 m b p s ( 8 0 2 儿b ) ，最高速率可达5 4 m b p s ( 8 0 2 1 1 a ) ，传输距离可远至2 0 k m 以上。 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是对有线局域网的补充和扩展， 使网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络 连通问题。它是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网 桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络样，无线局域网同样也 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 需要传送介质。只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外 线或者无线电波，且以后者使用居多。 与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： 1 、安装便捷：一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大 的就是网络布线的施工了。在施工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。而最 大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要安放一个 或多个接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 2 、使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限 制。而一旦w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网 络，进行通讯。 3 、经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能 地考虑未来的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而 一旦网络的发展超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造。 w l a n 贝j j 可以避免或减少以上情况的发生。 4 、易于扩展：w l a n 有多种配置方式，能够根据实际需要灵活选择。这样， w l a n 能够胜任只有几个用户的小型局域网，也能用于上千用户的大型网络，并且 能够提供像“漫游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 由于w l a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，无线局域网 技术已迅速发展成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在 飞速扩大。随着i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定成功，无线技术己摆脱了过去 那种互不兼容的状态，无线局域网解决方案已经开始成为商务客户宽带网络连接 的一种解决方案。 2 4 系统总体结构设计 根据河口采油厂计划科、信息中心、采油一矿提供的资料及现场调研情况分 析，我们拟建立视频监测点5 处，分别为2 8 # 站、5 6 # 站、6 1 9 站、采油二队、采 油一队。每个监测点都能监控到方圆几公里的油井，并且可通过设定预置位和每 个油井相对应，这样使监测点能较均匀地分布整个油区，提高监控效果。具体分 布如图2 - 1 所示。 9 第2 章油井远程夜视监控系统总体结构设计 图2 - 1 各个监控点分布 f i 9 2 1e a c hm o n i t o r i n gp o i n td i s t r i b u t i o n 2 4 1 系统结构图 本无线视频监控系统主要是运用多媒体数字压缩和嵌入式w e b 服务器技术， 将各个监控站点的摄像机摄入的现场图像进行压缩编码后，通过无线网络传送到 监控中心，在监控中心实现视频显示并进行镜头、云台等远程控制。系统由三部 分组成：油井监控前端、无线网络传输部分以及监控中心室。系统结构如图2 2 所示。 l o 中国6 油大学( 毕东) 碗学位论女 图2 _ 2 系统总体结构 f i 9 2 - 2 t h e o v e r a l ls t m c t u r e o f s y s t e m 242 监控前端结构设计 每个无线远程监控点包括无线传输系统、视频编码系统、摄像机和云台系统。 摄像机输出的模拟视频信号通过视频线缆联接到视频编码器的视频输入端，视频 编码器的4 8 5 接口通过4 8 5 控制线和云台解码器相连，通过接收还原监控中心的 控制键盘或视频监控服务器发送的云台、摄像机的控制信息，驱动云台、摄像机 进行旋转、变焦等等一系列的控制。视频编码器的网络接口通过网线联接到网络 交换机l ，无线设备通过网线联接到网络交换机，将视频编码器输出的视频流媒 伴传输到监控中心。图2 3 是监控前端的结构| 兰j ，按照它们完成的功能分为以下 几个部分： l 、视频处理部分：由摄像机、视频服务器等组成，通过视频服务器将摄像 机采集到的模拟信号数字化，并对数字视频进行高效压缩，通过无线设备发送到 监控中心。 2 、输出控制部分：终端主机接收监控中心的控制命令，片i 干现场设各的调 控。如多路画面切换，画面亮度、对比度的调节云台、镜头的控制的等。 第2 章油片远程崔视监控系统总体结构设计 3 、报警联动部分；由防盗报警探头、断电报警探头、环境监测等设各组成。 当探头检测到报警时，锁定相应摄像机到报警画面存盘录像，并呼叫监控中心上 传报警图像。 壁带 嘲线 视频编码器 解i q 器 视仪 图2 - 3 前端监控系统 f i 9 2 3 t h e f r o n t m o n i t o r i n gs y s t e m 243 无线网络传输部分设计 按照河口采油一矿的监控要求，为了能够达到几十公里的传输距离，在监控 中心设立一个无线通信基站( 基站天线架设高度不低于2 4 米) ，安装1 台 b r e e z e a c c e s sv l 基站设备v i a u ，并配置一副高增益全向天线，组成3 6 0 度覆 盖，覆盖辖区5 个监控点，这个方案可以完全保证系统使用中为用户提供充足的 带宽，并保证系统的可靠度和高性能。 辖区5 个监控点分别安装一台6 m b p s 远端网桥s u 一6 ，它为集成天线，工作稳 定、可靠性高，能提供6 m b p s 的接入带宽，将每个监控点的图像通过无线传输设 备接入监控中心。下图为无线佳输的示意图。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论i ! 爿。7 7 6 ；，语酿 圉2 - 4 无线传输示惹圈 f - 9 2 - 4 t h es c h e m a t i c m a po f w i r e l e n t r a n s m i s s i o n 2 44 监控中心设计 监控中心主要由视频显示系统、矩阵控制系统、硬件视频解码系统、网络交 换系统、软件视频解码系统、硬盘录像系统组成。 监控中心通过无线网络接收到的视频流媒体传输到网络交换机上，视频编解 码器设备通过网线联接到网络交换机上，把网络上的视频流媒体解码还原成模拟 的视频信号。视频解码器的视频输出和4 8 5 的控制线一起联接剑视频矩阵相应的 接口，视频矩阵的视频输出通过视频线缆联接到电视墙进行显示。遥控键盘通过 数据线和视频矩阵相连接，通过遥控键盘可以对远端的视频监控点进行摄像机的 旋转、变焦等等一系列的控制。监控中心的结构如图25 所示。 功能具体包括以下几个部分： 1 、将接收的视频信息解压回显，并能轮询所有的监控前端的画面。 2 、由监控服务器将视频数据转发到互联网上，可授权由多个用户同时监控 同| j 订端，也可满足不同分控调看不同视频前端的需求。 3 、通过发送命令实现对前端摄像机、云台的远程联动控制。 4 、接收现场传送来的报警信号，并将视频报警信息存八视频服务器中的视 第2 章油井远程崔视监控系统总体结构设计 频库中并在事故分析时支持视频库存信息查询回放。 我们将计算机联接到网络交换机上，通过计算机安装的视频软件平台同时 对视频进行软件的显示和控制，并且可以通过软件本身的功能进行各种条件的录 像。这罩的网络交换设备和无线设备都具有视频纽播的传输和管理功能，这样可 以避免由于视频组播产生的广播风暴造成网络系统的瘫痪。 电祧培 ”斜雹霎8 录 图2 _ 5 监控中心示意圈 f i 9 2 - 5 t h es c h e m a t i c m a po f m o n i t o r i n gc e n t e r 油井远程傲视监控系统主要由三个部分组成：无线传输、监控莳端以及监控 中心。每个监控前端由视频编码器、摄像机、云台系统、无线传输设备等组成。 茸先通过连接将摄像机输出的模拟视频信号输入到视频编码器，然后无线设备将 编码器输出的视频流媒体传输到监控中心。监控中心主要包括视频解码系统、矩 阵控制系统、刚络交换系统、视频显示系统等。它把无线网络接收到的视频流媒 体传输到网络交换机，视频解码器将视频流媒体解码还原成模拟的视频信号通 过视频矩阵系统切换到电视墙进行显示。系统结构设计完成后，只要对系统软硬 件进行正确的配蜀和调试就能实现对各个油井的实时监控。 t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章油井远程夜视监控系统的软硬件配置与实现 本系统的硬件主要由三大部分组成：即前端监控设备、无线网络传输设备和 监控中心设备。系统的软件结构主要包括数据库服务软件，服务器端软件，录像 视频服务软件和客户端软件等。将系统软件的各个功能模块加载到监控中心的多 媒体数据库服务机和客户机上，整个系统就能够完成对油井的远程监控功能。 3 1 系统硬件 3 1 1 前端设备 视频监控前端的设备主要由摄像机、电动镜头、云台、防护罩、报警探测器 和视频服务器等部件组成，它们各司其职，并通过无线传输与控制中心的各种设 备建立相应的联系( 传输视音频信号及控制、报警信号) 。为了实现夜间黑暗情 况下对油井的无盲区监控，前端夜视系统的结构设计尤为重要。 1 、夜视系统设计 由于偷盗、破坏分子一般在夜间活动，所以特别需要加强夜间油井的监控， 这就需要设计一个优良的红外夜视系统。红外夜视系统的设计最重要的问题是成 套性，即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源以及恒温系统的成套性。 ( 1 ) 红外灯的选择 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫。其中红光的波长范围为o 6 2 珈7 6 u m ，比红光波长更长的光叫红外线。 红外夜视，就是在夜视状态下，摄像机的红外作用部件会发出人们肉眼看不到的 红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头到c c d 上成像，这 时即可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的景象。红外灯的选择直接关系到整套系统 的夜视效果，目前市场广泛使用的红外光源有l e d 红外灯、微阵列l e d 红外灯、 卤素滤光型红外灯等。但这几种红外灯在照射距离、功耗、效率等方面都存在一 定局限性，而不适用于1 公里以上的远距离油井夜视监控。因此，本系统须采用 近红外激光光源作为辅助照明，红外激光器线性好，激光光束经光纤传输给特制 的光学发散系统发散后对环境照明，其发散角度和照射方向均可根据使用环境要 求进行调整。大功率激光器设计有温度、过流、过压保护电路以增强其可靠性。 ( 2 ) 摄像机的选择 1s 第3 章油井远程夜视监控系统的软硬件配置与实现 因为要实现白天彩色、晚上黑白的全天候实时监控，所以本系统采用彩色摄 像机和超低照度宽广红外摄像机。普通的彩转黑( 彩色转黑白) 摄像机受周围杂光 影响较大，因为彩转黑摄相机是用切换滤光片的方式成像，所以彩转黑的摄像机 都有其侧重点，相对比专业的彩色或黑白相机效果要差。另外当激光的光照明足 够的条件下彩转黑摄像机会误以为是白天，所以会自动转换到彩色状态，而彩色 不感应红外光，又返回黑白状态。如此循环导致无法成像。因此，本系统采用两 台摄像机，彩色摄像机用于白天监控，晚上配合双探测器系统自动切换到超低照 度宽广红外摄像机，避免了以上问题的发生。 ( 3 ) 镜头的选择 摄像机镜头是红外夜视监控系统的关键设备，它的质量优劣直接影响到整套 系统的成像效果。普通的光学镜头，红外对应镜头对红外光成像，夜间监控时 l e d 灯作用物体反射回镜头的红外光不能有效聚焦到c c d 靶面上，红外夜视效果 就会大打折扣。而本系统又要求实现白天彩色监视、夜间黑白的效果，因此采用 可变焦双探测器镜头。此镜头采用宽光谱镀膜，光谱范围从4 0 0 - - - 8 5 0 n m ，而且是 双峰值镀膜，除保证镜头在可见光范围的高透过率外，在红外部分也有高透过率。 它还采用双光路设计，可根据监控要求同时配接彩色和黑白多台摄像机，结合激 光照明系统，实现白天彩色、晚上黑白的全天候实时监控。 ( 4 ) 防护罩的选择 防护罩对红外灯的效果也有影响，红外光在传输过程中，通过不同介质，透 射率和反射率也不同。不同的视窗玻璃，特别是自动除霜镀膜玻璃，对红外光的 衰减也不同。由于本系统要进行远距离室外夜视监控，对防护罩的产品质量和防 护要求都比较高，所以采用全铝合金材料、内置加热器和风扇的防护罩。其保护 玻璃均加镀红外增透膜，后置散热片散热，保证系统的长期稳定工作。 综上所述，本夜视系统采用激光辅助照明、可变焦双探测器镜头、彩色摄像 机和超低照度宽广红外摄像机，它们通过先进的手段集合而成，能实现对远距离 油井白天彩色、夜晚黑白的2 4 小时监控。 2 、视频服务器 本系统采用国际最新的h 2 6 4 标准视频服务器，该网络视频服务器采用高速 嵌入式处理器和嵌入式时操作系统，产品稳定可靠。具有占用带宽资源少、接入 1 6 中国石油大学( 华