一种钻井作业现场人员站立监测预警系统的制作方法

本发明涉及钻井作业安全监控领域，具体涉及一种钻井作业现场人员站立监测预警系统。

背景技术：

钻井是油气资源勘探开发过程中的重要环节，钻井作业既涉及高压流体泵入等工艺操作，又涉及起下钻、上扣等施工作业，具有极高的风险。近年来事故统计发现，钻井作业过程中机械伤害、物体打击以及高压射流冲击等事故事件高发、频发，而分析表明，现场人员随意进入危险区域或站位异常，是引发事故的关键原因之一。因此，规范钻井作业现场人员站位，对于异常站位及时预警管控是控制事故发生的有效手段。

人员站位监测或人员定位技术目前常用于煤矿井下、变电站等场所。公开号为cn201278022y的中国专利申请，公开了一种煤矿井下人员位置检测分站，包括与低频信号发射模块及低频信号接收模块连接的中央处理器、存储器等，利用rfid技术，可实现管理人员对井下矿工的可靠掌握。公开号为cn202544928u的中国专利申请，公开了一种井下人员位置检测与管理系统，利用无线射频技术、数据处理技术、数据通信技术和地理信息系统，结合无线网络传输技术zigbee，实现了井下人员精确定位，能从地面实时监测井下人员设备位置，为事故预防和应急救援提供基础。公开号为cn203630373u中国专利申请，公开了一种变电站人员位置监控装置，利用压强及重量传感器，实现开关间内人员位置定位。但上述专利仅能实现人员定位功能，预警和报警仍依靠人工实现，数据处理存在不确定性和滞后性，尚无法实现高效准确的自动预警功能，同时上述专利实施过程均较为依赖固定装置建设，无法适用于流动性较强的钻井作业。

技术实现要素：

针对现有的站位预警系统存在的无法高效准确的自动报警的问题，本发明提供了一种钻井作业现场人员站立监测预警系统。

本发明采用以下的技术方案：

一种钻井作业现场人员站立监测预警系统，包括视频采集部分、主控制部分和报警部分，视频采集部分与主控制部分相连，主控制部分与报警部分相连；

所述主控制部分包括参数输入单元、钻井作业种类库单元、钻井作业图像处理规则库单元、图像提取单元、作业活动图像检测单元和预警判断单元，参数输入单元与钻井作业种类库单元相连，钻井作业种类库单元与钻井作业图像处理规则库单元相连，钻井作业图像处理规则库单元与预警判断单元相连；图像提取单元与作业活动图像检测单元相连，作业活动图像检测单元与预警判断单元相连；

所述钻井作业种类库单元内有多种作业种类及各个作业种类涉及的设备、器具信息；

所述钻井作业图像处理规则库单元内有图像处理规则；

所述视频采集部分与图像提取单元相连，预警判断单元与报警部分相连；

所述视频采集部分包括可旋转摄像头和可升降支架，可旋转摄像头固定在可升降支架上；

所述报警部分包括声光报警器，声光报警器固定在可升降支架上。

优选地，所述参数输入单元包括鼠标和键盘，参数输入单元能输入作业参数，作业参数包括作业种类、井架类型、现场作业人员数和标定比例。

优选地，所述作业种类包括起下钻作业、下套管作业、固井作业、钻进作业和冲鼠洞作业。

优选地，所述图像处理规则包括大钳操作站位、井口站位、阀门操作站位、高压区域站位；所述钻井作业种类库单元的中的作业种类及涉及的设备、器具能与图像处理规则相匹配。

优选地，所述图像提取单元与可旋转摄像头相连，图像提取单元能提取视频采集部分拍摄的图像，并送至作业活动图像检测单元。

优选地，所述作业活动图像检测单元能识别图像中作业人员、钻杆、高压管线、套管、阀门和液压大钳，并提取对应坐标数据。

优选地，所述预警判断单元判断人员站位是否违规，并能向报警部分发生报警信号。

优选地，所述可升降支架为自动升降支架。

优选地，所述可升降支架包括座体，座体的中间内部设置有中空槽，中空槽内插接有升降杆，升降杆上设置有一列螺纹孔，在中空槽的上部开设有螺纹圆孔，螺纹圆孔内装有定位旋钮，定位旋钮通过将螺纹圆孔与不同高度的螺纹孔相连接，实现升降杆的升降。

优选地，所述报警部分还包括防爆外壳和信号接收器，信号接收器与声光报警器相连，信号接收器和声光报警器均位于防爆外壳内。

本发明具有的有益效果是：

本发明搭建了包括钻井作业种类库单元与钻井作业图像处理规则库单元在内的人员站位监测预警系统，尤其是建立二者之间的匹配联系，同时基于ssd目标检测框架，通过画面像素分析比对，建立不同钻井作业活动人员站位图像处理规则，通过画面像素比对分析，实现不同作业下现场人员站位异常的实时自动预警，而且该系统内的视频采集部分和报警部分便于拆装、实施，能够有效适用于野外钻井作业的流动性强的特点。

附图说明

图1为钻井作业现场人员站立监测预警系统的结构示意图。

图2为钻井作业现场人员站立监测预警系统的流程图。

图3为视频采集部分和报警部分的示意图。

图4为可升降支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1至4，一种钻井作业现场人员站立监测预警系统，包括视频采集部分、主控制部分和报警部分，视频采集部分与主控制部分相连，主控制部分与报警部分相连。

主控制部分包括参数输入单元、钻井作业种类库单元、钻井作业图像处理规则库单元、图像提取单元、作业活动图像检测单元和预警判断单元。

参数输入单元与钻井作业种类库单元相连，钻井作业种类库单元与钻井作业图像处理规则库单元相连，钻井作业图像处理规则库单元与预警判断单元相连；图像提取单元与作业活动图像检测单元相连，作业活动图像检测单元与预警判断单元相连。

其中，钻井作业种类库单元内有多种作业种类及各个作业种类涉及的设备、器具信息，作业种类包括起下钻作业、下套管作业、固井作业、钻进作业和冲鼠洞作业等。

钻井作业图像处理规则库单元，根据钻井作业和事故实际，提炼出大钳操作站位、井口站位、阀门操作站位、高压区域站位四类图像处理规则。通过画面像素比对分析，建立危险设备、设施、工具与人员距离判定方法，基于钻井作业种类库单元中的不同作业种类的需求，调用多种图像处理规则与之匹配。

参数输入单元包括鼠标和键盘等输入设备，参数输入单元能输入作业参数，作业参数包括作业种类、井架类型、现场作业人员数和标定比例等。标定比例为k，k＝1/a，a为实际距离1m在视频像素中表示的两点间距离。

视频采集部分与图像提取单元相连，预警判断单元与报警部分相连。

视频采集部分包括可旋转摄像头1和可升降支架，可旋转摄像头1固定在可升降支架上。

报警部分包括声光报警器2，声光报警器固定在可升降支架上。

图像提取单元与可旋转摄像头相连，能提取视频采集部分拍摄的图像，并送至作业活动图像检测单元。

可旋转摄像头拍摄的图像应能够覆盖作业人员站位所涉及的范围，至少覆盖整个钻台。

作业活动图像检测单元能识别图像中作业人员、钻杆、高压管线、套管、阀门和液压大钳等，并提取对应坐标数据。

作业活动图像检测单元应根据钻井作业种类库中的作业类型，采用多类目标检测技术，通过大量图像对目标检测框架进行训练，使目标检测框架能够从图像提取模块中提取的画面中识别出目标物体的像素坐标。

预警判断单元判断人员站位是否违规，并能向报警部分发生报警信号。

可升降支架可以为自动升降支架。

可升降支架也可以包括座体3，座体的中间内部设置有中空槽，中空槽内插接有升降杆4，升降杆上设置有一列螺纹孔5，在中空槽的上部开设有螺纹圆孔，螺纹圆孔内装有定位旋钮6，定位旋钮通过将螺纹圆孔与不同高度的螺纹孔相连接，实现升降杆的升降。

报警部分还包括防爆外壳和信号接收器，信号接收器与声光报警器相连，信号接收器和声光报警器均位于防爆外壳内。

图像提取单元中，令提取视频图像像素设置为x*y，且标定实际距离1m在像素中表示为两点间距离为a。

钻井作业图像处理规则库单元中，大钳操作站位图像处理规则为：

步骤1：识别钻杆在视频中像素范围为

{(xg,yg)|(xg1<xg<xg2，yg1<yg<yg2)}；

步骤2：识别液压大钳在视频中像素范围为

{(xq,yq)|(xq1<xq<xq2，yq1<yq<yq2)}；

步骤3：识别人员在视频中的像素范围为

{(xri,yri)|(xri1<xri<xri2，yri1<yri<yri2)}；

i＝(1……n)，n为视频范围内检测到作业人员数。

步骤4：预警规则：

若xq2<xg1，则当(yri1+yri2)/2>yq1，xq2<(xri1+xri2)/2<xg1时，进行报警；

若xq2>xg1，则当(yri1+yri2)/2>yq1，xg1<(xri1+xri2)/2<xq2时，进行报警。

井口站位图像处理规则为：

步骤1：识别套管(钻杆)在视频中像素范围为

{(xs,ys)|(xs1<xs<xs2，ys1<ys<ys2)}；

步骤2：计算套管(钻杆)中心点坐标为(xsm,ysm)

xsm＝(xs1+xs2)/2；ysm＝(ys1+ys2)/2；

步骤3：识别人员在视频中的像素范围为

{(xri,yri)|(xri1<xri<xri2，yri1<yri<yri2)}；

i＝(1……n)，n为视频范围内检测到作业人员数。

步骤4：判断套管(钻杆)状态

读取t1时刻，套管像素范围中心点为(xsmt1,ysmt1)

读取t2时刻，套管像素范围中心点为(xsmt2,ysmt2)

若|ysmt2-ysmt1|≠0则表明套管处于上提或下放状态。

步骤5：预警规则：

ysq＝(yri1+yri2)/2时，若|xrim-xsq|≤ca,则报警；

xrim为人员i在x轴坐标的中心点，xrim＝(xri1+xri2)/2。

c为井口到钻台边的距离。

(xsq,ysq)为套管(钻杆)视频像素范围中随机一点。

阀门操作站位图像处理规则为：

步骤1：识别阀门在视频中的像素范围为

{(xv,yv)|(xv1<xv<xv2，yv1<yv<yv2)}；

步骤2：识别人员在视频中的像素范围为

{(xr,yr)|(xr1<xr<xr2，yr1<yr<yr2)}；

步骤3：预警规则：

若(yv1+yv2)/2-ka<(yri1+yri2)/2<(yv1+yv2)/2+ka，且xv1<(xri1+xri2)/2<xv2，则进行报警。

k为基于作业人员情况设定的基本参数，一般为0.3。

高压区域站位图像处理规则为：

步骤1：识别高压管线(红色)在视频中的像素范围为

{(xt,yt)|(xt1<xt<xt2，yt1<yt<yt2)}；

步骤2：识别人员在视频中的像素范围为

{(xri,yri)|(xri1<xri<xri2，yri1<yri<yri2)}；

i＝(1……n)，n为视频范围内检测到作业人员数。

则像素中人员中心点为(xrim,yrim)

xrim＝(xri1+xri2)/2；yrim＝(yri1+yri2)/2

令ytp＝yrim，若|xrim-xtp|≤0.5a,则报警；

令xtp＝xrim，若|yrim-ytp|≤0.5a，则报警。

(xtp,ytp)为高压管线视频像素范围中随机一点。

钻井作业现场人员站立监测预警系统的大致实施过程为：

作业班组长通过参数输入单元输入起作业参数，包括选择作业种类、井架类型、现场作业人员数、标定比例等。基于所选参数，从钻井作业种类库单元中调取作业种类信息，确定涉及设备器具；作业种类明确后，从钻井作业图像处理规则库单元中调用规则，并上传至预警单元；作业开始后，可旋转摄像头拍摄视频，图像提取单元提取视频每帧画面，并上传至作业活动图像检测单元，作业活动图像检测单元识别画面中的人员、工器具及设施，并提取对应坐标数据，上传至预警单元。预警单元基于图像处理规则，判断坐标数据是否在合理范围，若人员站位不合理，则控制声光报警器报警。

实施例1

以某井队某次起下钻作业为例

输入相应作业参数，作业类型为起下钻作业，井架类型为a型40井架。作业人数为4人，标定比例为100，则实际距离1m在像素中表示为两点间距离为0.01。

在钻井作业种类库单元中选择起下钻作业，调用钻井作业图像处理规则库单元中大钳操作站位和井口站位图像处理规则。

作业活动图像检测单元采用ssd目标检测框架进行训练，使目标检测框架能够从图像提取单元中提取的画面中识别出目标物体的像素坐标。图像包括作业人员、钻杆、高压管线(红色)、套管、阀门、液压大钳。

通过画面像素比对分析，建立危险设备、设施、工具与人员距离判定方法。

根据设备型号，所述的图像提取模块5中，令提取视频图像像素设置为352*288。

大钳操作站位图像处理规则为：

步骤1：识别钻杆在视频中像素范围为

步骤1：识别钻杆在视频中像素范围为

{(xg,yg)|(xg1<xg<xg2，yg1<yg<yg2)}；

步骤2：识别液压大钳在视频中像素范围为

{(xq,yq)|(xq1<xq<xq2，yq1<yq<yq2)}；

步骤3：识别人员在视频中的像素范围为

{(xri,yri)|(xri1<xri<xri2，yri1<yri<yri2)}；

i＝(1……n)，n为视频范围内检测到作业人员数，n≤4。

步骤4：预警规则：

若xq2<xg1，则当(yri1+yri2)/2>yq1，xq2<(xri1+xri2)/2<xg1时，进行报警；

若xq2>xg1，则当(yri1+yri2)/2>yq1，xg1<(xri1+xri2)/2<xq2时，进行报警。

井口站位图像处理规则为：

步骤1：识别套管(钻杆)在视频中像素范围为

{(xs,ys)|(xs1<xs<xs2，ys1<ys<ys2)}；

步骤2：计算套管(钻杆)中心点坐标为(xsm,ysm)

xsm＝(xs1+xs2)/2；ysm＝(ys1+ys2)/2；

步骤3：识别人员在视频中的像素范围为

{(xri,yri)|(xri1<xri<xri2，yri1<yri<yri2)}；

i＝(1……n)，n为视频范围内检测到作业人员数。

步骤4：判断套管(钻杆)状态

读取t1时刻，套管像素范围中心点为(xsmt1,ysmt1)

读取t2时刻，套管像素范围中心点为(xsmt2,ysmt2)

若|ysmt2-ysmt1|≠0则表明套管处于上提或下放状态。

步骤5：预警规则：

由井架参数设置可知，c＝2。

ysq＝(yri1+yri2)/2时，若|xrim-xsq|≤ca,则报警；

xrim为人员i在x轴坐标的中心点，xrim＝(xri1+xri2)/2。

(xsq,ysq)为套管(钻杆)视频像素范围中随机一点。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。