油氣管道閥室安防系統(tǒng)低功耗解決方案

高世杰（中國(guó)石油管道局工程有限公司）

引言

目前，管道閥室均為無(wú)人職守閥室，為便于遠(yuǎn)程了解閥室內(nèi)部及周邊的安全情況，需要設(shè)置安防系統(tǒng)，主要包括：視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、入侵探測(cè)子系統(tǒng)。按照常規(guī)安防系統(tǒng)的設(shè)置方法，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、入侵報(bào)警子系統(tǒng)相互獨(dú)立設(shè)置，耗電設(shè)備數(shù)量較多，系統(tǒng)整體耗電量較大。分析管道閥室的建設(shè)特點(diǎn)：大多建設(shè)在人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)、征地面積較小、使用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行供電?？偨Y(jié)出設(shè)置閥室安防系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題為：較大的安防設(shè)備功耗疊加上閥室內(nèi)儀表、工藝、傳輸系統(tǒng)的功耗后，造成閥室整體用電量的大大增加，而儀表、工藝、傳輸系統(tǒng)的功耗通常情況下無(wú)法進(jìn)行縮減；耗電量增加一方面將造成太陽(yáng)能電池組件面積太大無(wú)法在較小閥室內(nèi)放置，另一方面也會(huì)造成蓄電池容量及數(shù)量增加，導(dǎo)致較小的設(shè)備間無(wú)法擺放過(guò)多的蓄電池。因此，需要設(shè)計(jì)一種功耗低、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、適用于管道閥室的低功耗安防系統(tǒng)。

1 閥室低功耗安防系統(tǒng)

閥室低功耗安防系統(tǒng)由閥室部分和站場(chǎng)部分構(gòu)成。物理構(gòu)架為基于IP的2層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。邏輯構(gòu)架為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[1-2]。

感知層：通過(guò)智能IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)[3-4]實(shí)現(xiàn)閥室現(xiàn)場(chǎng)的視覺(jué)感知、三鑒/微波探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)閥室現(xiàn)場(chǎng)一定范圍內(nèi)的移動(dòng)物體的探測(cè)與感知、聲光報(bào)警器用來(lái)實(shí)現(xiàn)感知到入侵信號(hào)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)警示；網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)局域網(wǎng)交換機(jī)、專網(wǎng)/公網(wǎng)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)閥室本地、站場(chǎng)與閥室的數(shù)據(jù)交換與傳輸；應(yīng)用層：分為主機(jī)支持層與提供服務(wù)層，主機(jī)支持層為提供服務(wù)層功能的實(shí)現(xiàn)提供硬件支持。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖1，邏輯拓?fù)鋱D見(jiàn)圖2。

圖1 閥室低功耗安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該系統(tǒng)與常規(guī)安防系統(tǒng)的區(qū)別在于：

1）基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架搭建，將不同設(shè)備分層、分區(qū)域部署，降低電源匱乏區(qū)域的耗電設(shè)備數(shù)量。

2）增加內(nèi)置微處理器的低功耗網(wǎng)絡(luò)繼電器[5]，實(shí)現(xiàn)閥室部分主要耗電設(shè)備（攝像機(jī)、聲光報(bào)警器）的按需啟/停、及時(shí)啟/停，遠(yuǎn)程啟/停操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源耗電量的智能可控，改變了常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)24 h連續(xù)運(yùn)行的模式，削減了安全狀態(tài)下的耗電量。

圖2 閥室低功耗安防系統(tǒng)邏輯拓?fù)鋱D

2 閥室低功耗的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 選用新設(shè)備，分層、分區(qū)域部署設(shè)備

選用內(nèi)置微處理器的低功耗網(wǎng)絡(luò)繼電器替換功耗較大的入侵報(bào)警主機(jī)。網(wǎng)絡(luò)繼電器具備開(kāi)關(guān)量、干節(jié)點(diǎn)、繼電器信號(hào)的輸入/輸出能力，可接入IP網(wǎng)絡(luò)，具備自編程邏輯控制能力及遠(yuǎn)程操控能力，能夠滿足閥室的控制需求。網(wǎng)絡(luò)繼電器功耗在2 W左右，而報(bào)警主機(jī)的功耗在25 W左右，既滿足了功能需求又降低了功耗。

目前，閥室為傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，均配備有專用光傳輸設(shè)備/公網(wǎng)傳輸設(shè)備與鄰近站場(chǎng)進(jìn)行通信，因此，可將視頻監(jiān)控系統(tǒng)的NVR部署在遠(yuǎn)端站場(chǎng)內(nèi)，減少閥室內(nèi)的耗電。

2.2 按需啟/停的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)按需啟/停，需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是及時(shí)啟/停[6-7]，否則無(wú)法及時(shí)記錄并警示入侵行為。IP攝像機(jī)從電源開(kāi)啟到可上傳視頻圖像的時(shí)間間隔為15～20 s[6-7]，顯然，啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不能滿足及時(shí)啟動(dòng)的需求。必須引入“超前控制”的概念[8]，提前對(duì)入侵行為進(jìn)行探測(cè)，預(yù)先啟動(dòng)攝像機(jī)。

該設(shè)計(jì)選擇帶自處理功能的三鑒/微波探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)分析入侵行為的發(fā)生時(shí)間，將三鑒/微波探測(cè)器的探測(cè)半徑設(shè)置為10 m，當(dāng)10 m范圍內(nèi)存在可疑人員時(shí)啟動(dòng)攝像機(jī)，并通過(guò)攝像機(jī)的前端智能分析功能進(jìn)行人員行為分析[9-10]，在分析到確實(shí)有攀爬、破壞等行為時(shí)，聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)警示設(shè)備，并上報(bào)鄰近站場(chǎng)運(yùn)維人員。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行步驟及流程詳見(jiàn)圖3。

圖3 閥室低功耗安防系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)耗電分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)主要輸油氣管線的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，閥室供電系統(tǒng)通常為離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)加備用蓄電池，供電電壓為24 V，安防系統(tǒng)的后備時(shí)間通常情況下不小于3天，部分地區(qū)連續(xù)陰雨天數(shù)較多，后備時(shí)間在5～7天。為便于橫向?qū)Ρ日f(shuō)明，該設(shè)計(jì)選取國(guó)內(nèi)某主干管線49#閥室建設(shè)模式進(jìn)行說(shuō)明。各設(shè)備功耗統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1得出常規(guī)安防系統(tǒng)日平均耗電量計(jì)算方法如下：

日平均耗電量為視頻監(jiān)控系統(tǒng)日平均耗電量、入侵探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)日平均耗電量、傳輸系統(tǒng)日耗電量三者之和。

根據(jù)表1、以及對(duì)西氣東輸、雙蘭線、中緬管道、輪庫(kù)線、庫(kù)鄯線、哈沈線的部分閥室調(diào)研情況：90%以上的閥室位于極少有人活動(dòng)的戈壁、荒漠、無(wú)人區(qū)、山區(qū)等地區(qū)，少于10%的閥室位于人員活動(dòng)較少的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的郊區(qū)，人員在閥室10 m之內(nèi)活動(dòng)的日平均累積時(shí)間在0～12 h，其中，90%以上的閥室的人員活動(dòng)的日平均累積時(shí)間靠近0～6 h，那么閥室低功耗安防系統(tǒng)日平均耗電量為24 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的日平均耗電量與按需開(kāi)啟設(shè)備的日平均耗電量之和。

其中：24 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的日平均耗電量為三鑒/微波探測(cè)器日平均耗電量、光口交換機(jī)日平均耗電量、網(wǎng)絡(luò)繼電器日平均耗電量三者之和。

由于增加了智能分析功能，且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)繼電器遠(yuǎn)程啟/停聲光報(bào)警器，使得聲光報(bào)警器日平均工作時(shí)間約為零，本次分析將忽略其日平均耗電量。

按需開(kāi)啟設(shè)備的日平均耗電量為兩倍球形IPC耗電功率與攝像機(jī)受人員活動(dòng)影響，導(dǎo)致的日平均開(kāi)啟累積時(shí)間之積。

通過(guò)上述方法及太陽(yáng)能系統(tǒng)的配置計(jì)算，得出常規(guī)安防系統(tǒng)、低功耗安防系統(tǒng)所需太陽(yáng)能供電系統(tǒng)配置及耗電量對(duì)比情況，如表2所示。

結(jié)論分析：閥室低功耗安防系統(tǒng)的日平均耗電量為常規(guī)安防系統(tǒng)的日平均耗電量的10%～37.3%。在后備時(shí)間3天的情況下，電池組件功率降低40%～60%，蓄電池容量降低62.1%～76.2%，板陣面積減小4.04～6.06 m2。結(jié)合圖3得出，低功耗安防系統(tǒng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在閥室建設(shè)是可行的。

4 控制穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益分析

低功耗安防系統(tǒng)控制信號(hào)全部采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)，而常規(guī)安防系統(tǒng)中控制信號(hào)采用RS485與開(kāi)關(guān)量信號(hào)混合使用，因此，低功耗安防系統(tǒng)控制信號(hào)的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性明顯優(yōu)于常規(guī)安防系統(tǒng)。系統(tǒng)整體投資節(jié)省情況見(jiàn)表3。

5 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試與計(jì)算，本設(shè)計(jì)新型低功耗安防系統(tǒng)是完全可以實(shí)現(xiàn)的，且具備功耗低、功能全面、接口標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展性強(qiáng)、搭建方便、投資低的特性，取得了良好的效果。不僅滿足了油氣管道閥室對(duì)安防系統(tǒng)的功能需求、低功耗需求，更能夠滿足遠(yuǎn)程巡檢的需求，提高了運(yùn)維人員的巡檢效率，減少了無(wú)效巡檢次數(shù)。同時(shí)，由于耗電量較低，降低了太陽(yáng)能系統(tǒng)的容量，減小了極板的面積，減少了閥室用地面積。大大降低了偏遠(yuǎn)閥室進(jìn)行安防系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)的整體投資。有廣闊的應(yīng)用前景，為地處偏遠(yuǎn)、耗電量受限、征地面積較小的閥室進(jìn)行安防系統(tǒng)的建設(shè)，提供了良好的解決方案與設(shè)計(jì)思路。

表1 常規(guī)安防系統(tǒng)與低功耗安防系統(tǒng)閥室設(shè)備配置

表2 常規(guī)安防系統(tǒng)與低功耗安防系統(tǒng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

表3 經(jīng)濟(jì)效益估算統(tǒng)計(jì)表