官地水電站引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

劉萬均

（雅礱江流域水電開發(fā)有限責(zé)任公司官地水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

官地水電站引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

劉萬均

（雅礱江流域水電開發(fā)有限責(zé)任公司官地水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

簡要介紹了官地水電站開發(fā)的引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)大幅降低了官地水電站引水隧洞斜井段外觀檢查的安全風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間、費(fèi)用。

引水隧洞；無線遙控；攝像檢查

0 前言

官地水電站共安裝4臺600 MW機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400 MW，水頭為115 m。引水隧洞采用單機(jī)單管供水，共4條引水隧洞，每條引水隧洞內(nèi)徑為11.8 m，分為上平段、上彎段、斜井段（傾角60°）、下彎段和下平段。

按檢修規(guī)程，須定期排空檢查引水隧洞是否存在滲水、開裂、剝落等外觀缺陷。由于引水隧洞直徑大、水頭高、高差大、洞內(nèi)無照明、有滲水，無任何外部通訊信號（移動(dòng)、聯(lián)通等），隧洞斜井段、上下彎段人員不能徒步到達(dá)，檢查困難。通常水電站引水隧洞檢查時(shí)，需在引水隧洞斜井段或豎井段內(nèi)搭設(shè)滿堂腳手架進(jìn)行人工檢查，存在高空作業(yè)多、工作量大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、檢查費(fèi)用高，且耗時(shí)長（至少2個(gè)月以上）、經(jīng)濟(jì)性差等問題。個(gè)別電站為了減少引水隧洞檢查時(shí)間，曾違章采用卷揚(yáng)機(jī)拖曳小車載人檢查，但因環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險(xiǎn)大，采用這種方法檢查效果不佳。引水隧洞上彎段、斜井段（豎井段）、下彎段檢查是水電站例行檢查工作中的一個(gè)難點(diǎn)。為此，官地電廠開發(fā)了安全、經(jīng)濟(jì)的引水隧洞攝像檢查系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

由于缺乏水電站隧洞相關(guān)應(yīng)用先例參照，設(shè)計(jì)者借鑒上網(wǎng)搜索到的野生動(dòng)物無線攝像、無人機(jī)遙控?cái)z像、車載安防監(jiān)控等應(yīng)用案例，力主以無線遙控?cái)z像監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)官地水電站引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)，并具體組織編制了設(shè)計(jì)方案。

該系統(tǒng)分為搭載平臺、照明、攝像、電源4個(gè)子系統(tǒng)。

1.1 搭載平臺

搭載平臺有無人機(jī)、潛水機(jī)器人、卷揚(yáng)機(jī)牽引小車等可供選擇?？紤]到洞內(nèi)飛行控制不易、潛水機(jī)器人攝像圖像清晰度受水的透明度限制，決定采用傳統(tǒng)水電隧洞施工中常用的洞內(nèi)鋼制小車作為搭載平臺。卷揚(yáng)機(jī)采用地錨固定在隧洞上平段，小車作為搭載照明、攝像、電源子系統(tǒng)的平臺，由卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩牽引鋼制小車沿隧洞向下滑行，如圖1、2所示。小車采用不銹鋼制作。

圖1 官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)布置示意圖

圖2 官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)設(shè)備布置圖

1.2 照明

為確保攝像效果，在小車上安裝多組防水防爆自帶可充電鋰電池泛光、聚光電筒，作為攝像子系統(tǒng)的光源。

1.3 攝像

攝像子系統(tǒng)是引水隧洞攝像檢查系統(tǒng)的核心，由前端攝像、網(wǎng)絡(luò)傳輸、控制終端3部分組成的、以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的小型無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。由控制終端控制的多個(gè)前端攝像設(shè)備將視頻監(jiān)控圖像信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳送至控制終端，由控制終端將信號進(jìn)行集中處理。如圖3所示。

圖3 官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（1）前端攝像

前端攝像安裝在小車上，配置4個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC、電動(dòng)云臺及護(hù)罩。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)即IP CAMERA（簡稱IPC），由網(wǎng)絡(luò)編碼模塊和模擬攝像機(jī)組合而成。網(wǎng)絡(luò)編碼模塊將每個(gè)模擬攝像機(jī)采集到的模擬視頻信號編碼壓縮成數(shù)字視頻流，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)入控制終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和查看。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)支持PTZ控制（Pan/Tilt/Zoom，即云臺全方位左右/上下旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)及鏡頭變倍、變焦控制）。支持48 V DC無源PoE供電（網(wǎng)絡(luò)供電）。

為確保隧洞惡劣條件下外觀檢查質(zhì)量，對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性能參數(shù)要求較高。采用600萬像素高清攝像機(jī)配15倍電動(dòng)變焦鏡頭、逐行掃描1902×1020、帶紅外夜視功能、超低照度（彩色達(dá)0.05 Lux@(F1.2, AGCON)、黑白達(dá)0.005Lux@(F1.2,AGC ON)）。電動(dòng)云臺支持PTZ控制，具備4條可編程巡視軌跡，自帶紅外燈，支持雨刷功能，防水防塵防護(hù)等級IP66。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸

前端攝像、控制終端之間控制信號、視頻信號傳輸可通過WIFI、無線AP、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)現(xiàn)。本方案通過無線AP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

無線 AP即無線接入點(diǎn)（The wireless access point），常用功能是用無線設(shè)備在有線網(wǎng)絡(luò)中接入一個(gè)無線AP，實(shí)現(xiàn)無線與有線的無縫橋接。本方案使用的是室外型無線定向AP，其一端與前端攝像連接，安裝在小車上，另一端與控制終端連接，為兩端提供長距離無線橋接，通過有線加無線主干方式完成網(wǎng)絡(luò)延伸。其符合IEEE 802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，無線頻段5 GHz，數(shù)據(jù)速率300 Mb/s，支持48 V DC無源PoE供電，防水防塵防護(hù)等級IP66。

無線信號傳輸距離就是前端攝像、控制終端之間距離，它決定了無線遙控?cái)z像距離。受隧洞地形限制，無線AP終端側(cè)只能安裝在上平段底部，隧洞上平段與斜井段不通視、距離遠(yuǎn)，按直線方向傳播的無線傳輸信號衰減幅度較大。隧洞直徑較大，在隧洞上彎段頂部安裝一個(gè)信號傳輸中繼點(diǎn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為確保信號可靠傳輸距離，無線AP最大發(fā)射功率可調(diào)至29 dBm，接收靈敏度-95～-75 dBm。其最大可視傳輸距離達(dá)1 000 m，隧洞內(nèi)不通視時(shí)最大傳輸距離可達(dá)300 m。

（3）控制終端

控制終端采用的是PC式NVR（Network Video Recorder即網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)），布置在隧洞上平段。PC式NVR包括便攜計(jì)算機(jī)（內(nèi)置DVI顯卡、控制卡）及軟件，運(yùn)行在Microsoft Windows系統(tǒng)之上，支持多種視頻壓縮格式，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對4個(gè)攝像機(jī)的數(shù)字視頻流的無線同步控制、監(jiān)看和存儲，支持PTZ實(shí)時(shí)控制、圖像增益調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)保存錄像、抓拍圖片等功能。設(shè)計(jì)預(yù)留必要冗余，可以擴(kuò)展連接更多攝像機(jī)。防水防塵防護(hù)等級IP65。

1.4 電源

安裝在小車上移動(dòng)的電動(dòng)云臺及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線AP如采用外接電纜供電，供電電纜與拖曳小車鋼絲繩同步收放困難，且存在電纜與鋼絲繩纏繞漏電風(fēng)險(xiǎn)。因此，小車上的電動(dòng)云臺及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線AP等設(shè)備均使用安裝在小車上的蓄電池配UPS供電。蓄電池容量可滿足連續(xù)工作8 h。為確保電源系統(tǒng)防水、防爆，蓄電池、UPS均用不銹鋼罩防護(hù)。

固定安裝在上平段的控制終端、卷揚(yáng)機(jī)均采用外接電纜供電。

2 實(shí)施效果

引水隧洞內(nèi)環(huán)境較差，在詢價(jià)采購階段，對設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，攝像和云臺、無線AP、控制終端均采用達(dá)到軍工標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

在2016年枯期，官地水電站引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)安裝就位、調(diào)試完成。檢查人員在引水隧洞上平段通過卷揚(yáng)機(jī)控制小車在斜井段滑行，同時(shí)通過控制終端的計(jì)算機(jī)無線遙控對隧洞上彎段、斜井段和下彎段的洞壁做了全面攝錄檢查。攝像檢查過程中，遙控動(dòng)作靈敏、實(shí)時(shí)監(jiān)看的圖像清晰流暢，對于個(gè)別缺陷存疑部位，小車就定點(diǎn)停在該處通過反復(fù)攝像、局部變焦放大拍攝特寫檢查確認(rèn)，圖片清晰、分辨率高，達(dá)到專業(yè)單反相機(jī)拍照畫質(zhì)。采用聚光電筒攝像時(shí)有光斑，改用泛光電筒照明后攝像效果更好。

整個(gè)系統(tǒng)從安裝、檢查、撤出，共耗時(shí)3 d。

3 小結(jié)

（1）為確保檢查質(zhì)量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)、檢查時(shí)間和成本，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者重點(diǎn)控制如下5個(gè)要素：

1）攝影無人：操作人員運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在安全地帶，通過控制終端遠(yuǎn)程遙控隨小車在斜井段高空移動(dòng)的前端攝像子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了前端無人攝像，確保了人員安全。

2）無線遙控：通過提高無線AP發(fā)射功率，解決了隧洞斜井段不通視條件下信號無線傳輸，小車上搭載的所有設(shè)備均采用無外接電纜的電池供電。規(guī)避了信號線、電纜與牽引鋼絲繩纏繞的安全風(fēng)險(xiǎn)。不需設(shè)置信號線、電纜與鋼絲繩同步收放設(shè)備，簡化了設(shè)備配置，降低了成本。

3）高清夜視攝像：洞內(nèi)增加輔助照明后照度仍然較低，選用的攝像器材高清夜視參數(shù)較高，以達(dá)到高畫質(zhì)。

4）設(shè)備防水：在斜井段運(yùn)行的所有帶電設(shè)備均可靠防水，以適應(yīng)引水隧洞惡劣條件。

5）標(biāo)準(zhǔn)化：除小車是量身定做的以外，其余的所有設(shè)備均從市場上采購標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品，操作簡單可靠，費(fèi)用相對較低。

（2）官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)可直接擴(kuò)展用于類似水電站隧洞豎井段外觀檢查。

（3）官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)局限性是需要隧洞排水才能使用，在這點(diǎn)上不如水下攝像機(jī)器人。

（4）官地引水隧洞無線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的水電施工用卷揚(yáng)機(jī)牽引小車與無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合，克服了空間障礙，成功完成大高差的隧洞斜井外觀攝像檢查，其是傳統(tǒng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

（5）無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)受空間限制小，在深溝峽谷、地形險(xiǎn)峻的水電站施工、運(yùn)行、檢修中應(yīng)用前景廣闊。無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離還可進(jìn)一步擴(kuò)大。無線AP外接定向天線，最大傳輸距離可達(dá)30 km。如使用4G通訊網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)、聯(lián)通、電信等）作為傳輸媒介，4G通訊信號覆蓋區(qū)域均可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，傳輸距離更大。其搭載平臺類型較多，如無人機(jī)、汽車、輪船、建筑物等。供電方式靈活，如太陽能、蓄電池、電網(wǎng)供電等。鑒于上述特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將在水電站重點(diǎn)工作面施工進(jìn)度監(jiān)控、高邊坡和高?；麦w監(jiān)控、水電站輸電線路巡視、水庫巡視、施工區(qū)域山火監(jiān)控、電站群集中監(jiān)控等方面得到更深入的運(yùn)用。

（6）水電站一般地處深山，消息相對閉塞，在實(shí)際工作遇到問題時(shí)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)搜索開拓眼界、借鑒其他行業(yè)先進(jìn)技術(shù)為我所用，不失為一種經(jīng)濟(jì)、快捷的網(wǎng)絡(luò)調(diào)研方式。

TV738

：B

：1672-5387（2017）03-0069-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.022

2016-09-14

劉萬均（1967-），男，教授級高級工程師，從事水電站檢修機(jī)電技術(shù)管理工作。