長(cháng)輸油氣管道經(jīng)過(guò)的自然及社會(huì )環(huán)境比較復雜，面臨較多的不可控風(fēng)險因素。按照現有的管控方式，在人工巡查時(shí)段以外的絕大部分時(shí)間是沒(méi)有人現場(chǎng)監控的，只能通過(guò)監測壓力的異常變化來(lái)監控，難以對管道遭受施工傷害、人為蓄意破壞做到事先預防，而太陽(yáng)能遠程4G圖像監控系統彌補了這個(gè)缺陷。

1 監控系統工作原理及優(yōu)點(diǎn)

4G圖像監控系統是一種基于云計算架構的模型（見(jiàn)圖1），4G攝像機內置程序定時(shí)或指令喚醒拍照，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸到FTP云服務(wù)器。經(jīng)過(guò)身份驗證，可進(jìn)入系統的客戶(hù)端，訪(fǎng)問(wèn)FTP云服務(wù)器存儲的監控資源�？蛻�(hù)端可以對這些資源進(jìn)行處理，如圖像檢測報警、文件下載等。系統中的設備可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò )，整個(gè)系統的規�？梢詣�(dòng)態(tài)改變，具有很強的適應性。監控端可利用手機、計算機隨時(shí)隨地上網(wǎng)查看所拍攝的資源。

圖1  系統原理拓撲圖

該系統采用的是太陽(yáng)能供電的4G傳輸模式，具有不需挖溝埋線(xiàn)、不需要輸變電設備、不消耗市電、維護費用低、低壓無(wú)觸電危險等特點(diǎn)，相比傳統的模擬監控模式，大幅度降低了工程的材料使用量和施工作業(yè)量，比較節能環(huán)保。這種技術(shù)實(shí)現了新能源和物聯(lián)網(wǎng)的有效結合，可以應用于一些偏遠地帶且太陽(yáng)能資源相對豐富的地區，適用于野外油氣管道監控。

4G圖像監控系統由太陽(yáng)能儲能供電管理子系統、數據通信傳輸子系統和攝像機子系統組成。前者是整個(gè)系統的供電部分，后兩者則構成了整個(gè)系統的工作部分。下面分別進(jìn)行分析和闡述。

1.1 太陽(yáng)能儲能供電管理子系統

太陽(yáng)能發(fā)電是整個(gè)系統工作的能量來(lái)源，當太陽(yáng)能發(fā)出的電量在供給整個(gè)系統工作后有富余時(shí)，鋰電池中的儲備電量才會(huì )不斷上升。所以太陽(yáng)能發(fā)電能力是整個(gè)系統的關(guān)鍵，需要根據太陽(yáng)能為鋰電池充電的速度來(lái)決定太陽(yáng)能發(fā)電的功率。電池采用8節某品牌18650鋰電池，每節電池容量3400 mAh,標稱(chēng)電壓4.2 V，4節為一組，集成到防水攝像頭內。兩組電池陣列輸出電壓12.0 VDC，6800 mAh，用18 V 30 W太陽(yáng)能發(fā)電板充電8 h可充滿(mǎn)電。攝像頭工作時(shí)功率為P=2.0 W，P=U×I,I=P/U=2.0/12.0=0.167 A 。電池滿(mǎn)載工作時(shí)間為h=6.800/0.167=40.700 h，假設攝像頭每天拍攝24張照片，拍攝及上傳一張最長(cháng)工作2 min。電池充滿(mǎn)電理想狀況下可拍（40.700×60）/2=1221張照片�？紤]到電池放電特性（見(jiàn)圖2）及攝像頭待機功耗，攝像頭實(shí)際可連續工作40 d以上。由于鋰電池充電有其自身特性及受有效日照時(shí)間影響，需要8 h才能充滿(mǎn)。

圖2  18650鋰電池2 A放電曲線(xiàn)

鋰電池提供的是在低日照情況下維持系統工作所需的能量，當遇到連日陰雨情況時(shí)就需要鋰電池有足夠的電量維持整個(gè)系統的連續工作。

由于太陽(yáng)能發(fā)電和鋰電池價(jià)格較貴，直接影響了整個(gè)系統的建設成本，所以應通過(guò)制定適合的供電標準來(lái)保證整個(gè)系統低功耗運行。首先，攝像機和其他設備都基于直流12.0 V電壓，而且滿(mǎn)足低功耗運行要求，對攝像機部分電路采用低功耗元器件；其次，縮短系統的運行時(shí)間，比如給攝像機設置休眠功能，讓它只有在激活時(shí)才會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟。

1.2 數據通信傳輸子系統

安防視頻監控系統的通信傳輸主要依賴(lài)于同軸線(xiàn)纜、光纖、網(wǎng)線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電微波。無(wú)線(xiàn)技術(shù)和4G技術(shù)的發(fā)展將徹底改變現有的有線(xiàn)傳輸模式，在遠距離傳輸方面具有先天優(yōu)勢，使視頻監控系統特別是移動(dòng)視頻監控系統實(shí)現了實(shí)時(shí)監控。

4G集3G與WLAN于一體，能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G能夠以100 Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL（4 M）快25倍，并能夠滿(mǎn)足幾乎所有用戶(hù)對于無(wú)線(xiàn)服務(wù)的要求。此外，4G可以在DSL和有線(xiàn)電視調制解調器沒(méi)有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個(gè)地區。

1.3 攝像機子系統

攝像機子系統是整個(gè)監控系統的中心。前端攝像機是整個(gè)監控系統的“眼睛”，它把監視的內容變?yōu)閳D像信號，由4G信號傳送到云服務(wù)器上，攝像部分的好壞及其產(chǎn)生的圖像質(zhì)量將影響整個(gè)系統的質(zhì)量。采用800萬(wàn)像素的鏡頭，可拍出分辨率為3264×2448的圖像，拍出的細節比視頻更豐富直觀(guān)，但需要根據功耗調整參數指標。因為設備的參數直接影響太陽(yáng)能供電儲能系統的計算和設計，并關(guān)系到整個(gè)系統能否正常運行。同時(shí)，由于該系統應用于野外，受氣候條件影響很大，所以應采用工業(yè)級設計標準，選用工業(yè)級元器件，使攝像機可以在多種氣候條件下工作。

2 系統建設

太陽(yáng)能4G圖像監控系統是一個(gè)較復雜的系統：①前端設備要集成多種子系統，主要包括太陽(yáng)能充電控制、電源管理、攝像頭管理及4G網(wǎng)絡(luò )管理等。②云服務(wù)端涉及多種IT技術(shù)，主要包括網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器、存儲、FTP技術(shù)。只有將各種子系統和技術(shù)進(jìn)行統一優(yōu)化協(xié)調，才能建設一個(gè)安全、穩定、可靠、高效的監控系統。

2.1 前端攝像機

定制太陽(yáng)能4G攝像機，內置18650鋰電池、太陽(yáng)能充電控制板、4G模塊，集成一體化設計，并作防水處理。各部件均由開(kāi)源操作系統Linux控制，參數可經(jīng)WEB瀏覽器登錄設置。需要強調的是，需要給攝像機設置休眠待機及電話(huà)、短信激活功能，以降低功耗，實(shí)現長(cháng)時(shí)間工作。

2.2 云端服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò )核心是云服務(wù)器ECS，在虛擬化環(huán)境當中建立的私有云安全可靠，可有效避免信息泄露。云服務(wù)器能提供簡(jiǎn)單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務(wù)，幫助用戶(hù)快速構建更穩定、安全的應用，提升運維效率，降低 IT 成本，使其更專(zhuān)注于核心業(yè)務(wù)創(chuàng )新。服務(wù)器配置為：雙核4G內存，100 G數據硬盤(pán)， 100 Mbps帶寬，運行操作系統為微軟Windows Server 2008 R2標準版，后期可彈性擴展。目前配置的設計帶機量為1000個(gè)攝像頭終端。

2.3 客戶(hù)端監控

客戶(hù)端可以是手機或PC，PC端安裝攝像頭管理軟件（見(jiàn)圖3）即可實(shí)現監控和查詢(xún)功能，手機可安裝管理軟件或者遠程桌面軟件，只要接入互聯(lián)網(wǎng)就可實(shí)現對云端服務(wù)器的直接訪(fǎng)問(wèn)或管理。用戶(hù)可以多設備隨時(shí)隨地同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，互不影響。

圖3  PC客戶(hù)端

2.4 實(shí)際應用效果

太陽(yáng)能4G圖像監控系統已成功應用于中國航油南寧分公司，已經(jīng)平穩運行1年，及時(shí)制止了3起施工破壞管道事件。以南寧分公司油庫至航空加油站機坪管網(wǎng)為例，野外長(cháng)度3.9 km，沿途情況復雜，運用該系統時(shí)設置了20個(gè)監控點(diǎn)，基本實(shí)現了管道沿線(xiàn)全覆蓋。系統具備定時(shí)拍照、手機電腦隨時(shí)監拍功能，拍攝照片清晰，監控范圍廣，采用800萬(wàn)高清攝像頭，在無(wú)遮擋情況下可清晰監控300 m范圍內情況（見(jiàn)圖4）。設備運行穩定，在陰天環(huán)境下可持續工作40 d以上。通過(guò)一次性設置，可實(shí)現人不在現場(chǎng)情況下有效監控長(cháng)輸管道重點(diǎn)區域，既節省人力，又降低了管線(xiàn)安全風(fēng)險。

圖4 現場(chǎng)設備

3  結論

基于云服務(wù)技術(shù)架構的野外油氣管道太陽(yáng)能4G圖像監控系統，具有低成本、低功耗、高集成度、高可靠性、安裝方便、網(wǎng)絡(luò )容量大等優(yōu)點(diǎn)，可與人工巡線(xiàn)配合使用，輔助監控人員及時(shí)發(fā)現監控點(diǎn)附近風(fēng)險隱患，確保野外長(cháng)輸管道的運行安全，同時(shí)大大減少了人員現場(chǎng)監控的人力成本。該技術(shù)可拓展應用于工程施工、重大生產(chǎn)作業(yè)、重要設施設備等關(guān)鍵現場(chǎng)的定時(shí)或隨時(shí)抽查監控，具有廣泛的推廣價(jià)值。

作者：韋善銳，男，1990年生，2014年畢業(yè)于廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現主要從事工業(yè)自動(dòng)化、高壓電工、低壓電氣等工作。

《管道保護》2017年第2期（總第33期）