長輸油氣管道經(jīng)過的自然及社會環(huán)境比較復雜，面臨較多的不可控風險因素。按照現(xiàn)有的管控方式，在人工巡查時段以外的絕大部分時間是沒有人現(xiàn)場監(jiān)控的，只能通過監(jiān)測壓力的異常變化來監(jiān)控，難以對管道遭受施工傷害、人為蓄意破壞做到事先預防，而太陽能遠程4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)彌補了這個缺陷。

1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點

4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于云計算架構(gòu)的模型（見圖1），4G攝像機內(nèi)置程序定時或指令喚醒拍照，通過移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)紽TP云服務器。經(jīng)過身份驗證，可進入系統(tǒng)的客戶端，訪問FTP云服務器存儲的監(jiān)控資源�？蛻舳丝梢詫�這些資源進行處理，如圖像檢測報警、文件下載等。系統(tǒng)中的設備可以隨時加入或退出網(wǎng)絡，整個系統(tǒng)的規(guī)模可以動態(tài)改變，具有很強的適應性。監(jiān)控端可利用手機、計算機隨時隨地上網(wǎng)查看所拍攝的資源。

圖1  系統(tǒng)原理拓撲圖

該系統(tǒng)采用的是太陽能供電的4G傳輸模式，具有不需挖溝埋線、不需要輸變電設備、不消耗市電、維護費用低、低壓無觸電危險等特點，相比傳統(tǒng)的模擬監(jiān)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(jié)能環(huán)保。這種技術(shù)實現(xiàn)了新能源和物聯(lián)網(wǎng)的有效結(jié)合，可以應用于一些偏遠地帶且太陽能資源相對豐富的地區(qū)，適用于野外油氣管道監(jiān)控。

4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)由太陽能儲能供電管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)和攝像機子系統(tǒng)組成。前者是整個系統(tǒng)的供電部分，后兩者則構(gòu)成了整個系統(tǒng)的工作部分。下面分別進行分析和闡述。

1.1 太陽能儲能供電管理子系統(tǒng)

太陽能發(fā)電是整個系統(tǒng)工作的能量來源，當太陽能發(fā)出的電量在供給整個系統(tǒng)工作后有富余時，鋰電池中的儲備電量才會不斷上升。所以太陽能發(fā)電能力是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要根據(jù)太陽能為鋰電池充電的速度來決定太陽能發(fā)電的功率。電池采用8節(jié)某品牌18650鋰電池，每節(jié)電池容量3400 mAh,標稱電壓4.2 V，4節(jié)為一組，集成到防水攝像頭內(nèi)。兩組電池陣列輸出電壓12.0 VDC，6800 mAh，用18 V 30 W太陽能發(fā)電板充電8 h可充滿電。攝像頭工作時功率為P=2.0 W，P=U×I,I=P/U=2.0/12.0=0.167 A 。電池滿載工作時間為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工作2 min。電池充滿電理想狀況下可拍（40.700×60）/2=1221張照片�？紤]到電池放電特性（見圖2）及攝像頭待機功耗，攝像頭實際可連續(xù)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間影響，需要8 h才能充滿。

圖2  18650鋰電池2 A放電曲線

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

由于太陽能發(fā)電和鋰電池價格較貴，直接影響了整個系統(tǒng)的建設成本，所以應通過制定適合的供電標準來保證整個系統(tǒng)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(tǒng)的運行時間，比如給攝像機設置休眠功能，讓它只有在激活時才會自動開啟。

1.2 數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)

安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信傳輸主要依賴于同軸線纜、光纖、網(wǎng)線和無線電微波。無線技術(shù)和4G技術(shù)的發(fā)展將徹底改變現(xiàn)有的有線傳輸模式，在遠距離傳輸方面具有先天優(yōu)勢，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)特別是移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)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，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。

1.3 攝像機子系統(tǒng)

攝像機子系統(tǒng)是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中心。前端攝像機是整個監(jiān)控系統(tǒng)的“眼睛”，它把監(jiān)視的內(nèi)容變?yōu)閳D像信號，由4G信號傳送到云服務器上，攝像部分的好壞及其產(chǎn)生的圖像質(zhì)量將影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量。采用800萬像素的鏡頭，可拍出分辨率為3264×2448的圖像，拍出的細節(jié)比視頻更豐富直觀，但需要根據(jù)功耗調(diào)整參數(shù)指標。因為設備的參數(shù)直接影響太陽能供電儲能系統(tǒng)的計算和設計，并關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常運行。同時，由于該系統(tǒng)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(tǒng)建設

太陽能4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)是一個較復雜的系統(tǒng)：①前端設備要集成多種子系統(tǒng)，主要包括太陽能充電控制、電源管理、攝像頭管理及4G網(wǎng)絡管理等。②云服務端涉及多種IT技術(shù)，主要包括網(wǎng)絡、服務器、存儲、FTP技術(shù)。只有將各種子系統(tǒng)和技術(shù)進行統(tǒng)一優(yōu)化協(xié)調(diào)，才能建設一個安全、穩(wěn)定、可靠、高效的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 前端攝像機

定制太陽能4G攝像機，內(nèi)置18650鋰電池、太陽能充電控制板、4G模塊，集成一體化設計，并作防水處理。各部件均由開源操作系統(tǒng)Linux控制，參數(shù)可經(jīng)WEB瀏覽器登錄設置。需要強調(diào)的是，需要給攝像機設置休眠待機及電話、短信激活功能，以降低功耗，實現(xiàn)長時間工作。

2.2 云端服務器

網(wǎng)絡核心是云服務器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。云服務器能提供簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務，幫助用戶快速構(gòu)建更穩(wěn)定、安全的應用，提升運維效率，降低 IT 成本，使其更專注于核心業(yè)務創(chuàng)新。服務器配置為：雙核4G內(nèi)存，100 G數(shù)據(jù)硬盤， 100 Mbps帶寬，運行操作系統(tǒng)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個攝像頭終端。

2.3 客戶端監(jiān)控

客戶端可以是手機或PC，PC端安裝攝像頭管理軟件（見圖3）即可實現(xiàn)監(jiān)控和查詢功能，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)就可實現(xiàn)對云端服務器的直接訪問或管理。用戶可以多設備隨時隨地同時訪問，互不影響。

圖3  PC客戶端

2.4 實際應用效果

太陽能4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)已成功應用于中國航油南寧分公司，已經(jīng)平穩(wěn)運行1年，及時制止了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，野外長度3.9 km，沿途情況復雜，運用該系統(tǒng)時設置了20個監(jiān)控點，基本實現(xiàn)了管道沿線全覆蓋。系統(tǒng)具備定時拍照、手機電腦隨時監(jiān)拍功能，拍攝照片清晰，監(jiān)控范圍廣，采用800萬高清攝像頭，在無遮擋情況下可清晰監(jiān)控300 m范圍內(nèi)情況（見圖4）。設備運行穩(wěn)定，在陰天環(huán)境下可持續(xù)工作40 d以上。通過一次性設置，可實現(xiàn)人不在現(xiàn)場情況下有效監(jiān)控長輸管道重點區(qū)域，既節(jié)省人力，又降低了管線安全風險。

圖4 現(xiàn)場設備

3  結(jié)論

基于云服務技術(shù)架構(gòu)的野外油氣管道太陽能4G圖像監(jiān)控系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、高集成度、高可靠性、安裝方便、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點，可與人工巡線配合使用，輔助監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控點附近風險隱患，確保野外長輸管道的運行安全，同時大大減少了人員現(xiàn)場監(jiān)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(xiàn)場的定時或隨時抽查監(jiān)控，具有廣泛的推廣價值。

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)學院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事工業(yè)自動化、高壓電工、低壓電氣等工作。

《管道保護》2017年第2期（總第33期）