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

1 監控系統工作原理及優點

4G圖像監控系統是一種基于云計算架構的模型（見圖1），4G攝像機內置程序定時或指令喚醒拍照，通過移動互聯網傳輸到FTP云服務器。經過身份驗證，可進入系統的客戶端，訪問FTP云服務器存儲的監控資源�？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。系統中的設備可以隨時加入或退出網絡，整個系統的規模可以動態改變，具有很強的適應性。監控端可利用手機、計算機隨時隨地上網查看所拍攝的資源。

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量，比較節能環保。這種技術實現了新能源和物聯網的有效結合，可以應用于一些偏遠地帶且太陽能資源相對豐富的地區，適用于野外油氣管道監控。

4G圖像監控系統由太陽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。前者是整個系統的供電部分，后兩者則構成了整個系統的工作部分。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

太陽能發電是整個系統工作的能量來源，當太陽能發出的電量在供給整個系統工作后有富余時，鋰電池中的儲備電量才會不斷上升。所以太陽能發電能力是整個系統的關鍵，需要根據太陽能為鋰電池充電的速度來決定太陽能發電的功率。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太陽能發電板充電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的連續工作。

由于太陽能發電和鋰電池價格較貴，直接影響了整個系統的建設成本，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于同軸線纜、光纖、網線和無線電微波。無線技術和4G技術的發展將徹底改變現有的有線傳輸模式，在遠距離傳輸方面具有先天優勢，使視頻監控系統特別是移動視頻監控系統實現了實時監控。

4G集3G與WLAN于一體，能夠傳輸高質量視頻圖像，圖像傳輸質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和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區。

1.3 攝像機子系統

攝像機子系統是整個監控系統的中心。前端攝像機是整個監控系統的“眼睛”，它把監視的內容變為圖像信號，由4G信號傳送到云服務器上，攝像部分的好壞及其產生的圖像質量將影響整個系統的質量。采用800萬像素的鏡頭，可拍出分辨率為3264×2448的圖像，拍出的細節比視頻更豐富直觀，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能供電儲能系統的計算和設計，并關系到整個系統能否正常運行。同時，由于該系統應用于野外，受氣候條件影響很大，所以應采用工業級設計標準，選用工業級元器件，使攝像機可以在多種氣候條件下工作。

2 系統建設

太陽能4G圖像監控系統是一個較復雜的系統：①前端設備要集成多種子系統，主要包括太陽能充電控制、電源管理、攝像頭管理及4G網絡管理等。②云服務端涉及多種IT技術，主要包括網絡、服務器、存儲、FTP技術。只有將各種子系統和技術進行統一優化協調，才能建設一個安全、穩定、可靠、高效的監控系統。

2.1 前端攝像機

定制太陽能4G攝像機，內置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Linux控制，參數可經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、短信激活功能，以降低功耗，實現長時間工作。

2.2 云端服務器

網絡核心是云服務器ECS，在虛擬化環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，幫助用戶快速構建更穩定、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務創新。服務器配置為：雙核4G內存，100 G數據硬盤， 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個攝像頭終端。

2.3 客戶端監控

客戶端可以是手機或PC，PC端安裝攝像頭管理軟件（見圖3）即可實現監控和查詢功能，手機可安裝管理軟件或者遠程桌面軟件，只要接入互聯網就可實現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圖像監控系統已成功應用于中國航油南寧分公司，已經平穩運行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為例，野外長度3.9 km，沿途情況復雜，運用該系統時設置了20個監控點，基本實現了管道沿線全覆蓋。系統具備定時拍照、手機電腦隨時監拍功能，拍攝照片清晰，監控范圍廣，采用800萬高清攝像頭，在無遮擋情況下可清晰監控300 m范圍內情況（見圖4）。設備運行穩定，在陰天環境下可持續工作40 d以上。通過一次性設置，可實現人不在現場情況下有效監控長輸管道重點區域，既節省人力，又降低了管線安全風險。

圖4 現場設備

3  結論

基于云服務技術架構的野外油氣管道太陽能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、網絡容量大等優點，可與人工巡線配合使用，輔助監控人員及時發現監控點附近風險隱患，確保野外長輸管道的運行安全，同時大大減少了人員現場監控的人力成本。該技術可拓展應用于工程施工、重大生產作業、重要設施設備等關鍵現場的定時或隨時抽查監控，具有廣泛的推廣價值。

作者：韋善銳，男，1990年生，2014年畢業于廣西機電職業技術學院電氣自動化專業，現主要從事工業自動化、高壓電工、低壓電氣等工作。

《管道保護》2017年第2期（總第33期）