长输油气管道经过的自然及社会环境比较复杂，面临较多的不可控风险因素。按照现有的管控方式，在人工巡查时段以外的绝大部分时间是没有人现场监控的，只能通过监测压力的异常变化来监控，难以对管道遭受施工伤害、人为蓄意破坏做到事先预防，而太阳能远程4G图像监控系统弥补了这个缺陷。

1 监控系统工作原理及优点

4G图像监控系统是一种基于云计算架构的模型（见图1），4G摄像机内置程序定时或指令唤醒拍照，通过移动互联网传输到FTP云服务器。经过身份验证，可进入系统的客户端，访问FTP云服务器存储的监控资源。客户端可以对这些资源进行处理，如图像检测报警、文件下载等。系统中的设备可以随时加入或退出网络，整个系统的规模可以动态改变，具有很强的适应性。监控端可利用手机、计算机随时随地上网查看所拍摄的资源。

图1  系统原理拓扑图

该系统采用的是太阳能供电的4G传输模式，具有不需挖沟埋线、不需要输变电设备、不消耗市电、维护费用低、低压无触电危险等特点，相比传统的模拟监控模式，大幅度降低了工程的材料使用量和施工作业量，比较节能环保。这种技术实现了新能源和物联网的有效结合，可以应用于一些偏远地带且太阳能资源相对丰富的地区，适用于野外油气管道监控。

4G图像监控系统由太阳能储能供电管理子系统、数据通信传输子系统和摄像机子系统组成。前者是整个系统的供电部分，后两者则构成了整个系统的工作部分。下面分别进行分析和阐述。

1.1 太阳能储能供电管理子系统

太阳能发电是整个系统工作的能量来源，当太阳能发出的电量在供给整个系统工作后有富余时，锂电池中的储备电量才会不断上升。所以太阳能发电能力是整个系统的关键，需要根据太阳能为锂电池充电的速度来决定太阳能发电的功率。电池采用8节某品牌18650锂电池，每节电池容量3400 mAh,标称电压4.2 V，4节为一组，集成到防水摄像头内。两组电池阵列输出电压12.0 VDC，6800 mAh，用18 V 30 W太阳能发电板充电8 h可充满电。摄像头工作时功率为P=2.0 W，P=U×I,I=P/U=2.0/12.0=0.167 A 。电池满载工作时间为h=6.800/0.167=40.700 h，假设摄像头每天拍摄24张照片，拍摄及上传一张最长工作2 min。电池充满电理想状况下可拍（40.700×60）/2=1221张照片。考虑到电池放电特性（见图2）及摄像头待机功耗，摄像头实际可连续工作40 d以上。由于锂电池充电有其自身特性及受有效日照时间影响，需要8 h才能充满。

图2  18650锂电池2 A放电曲线

锂电池提供的是在低日照情况下维持系统工作所需的能量，当遇到连日阴雨情况时就需要锂电池有足够的电量维持整个系统的连续工作。

由于太阳能发电和锂电池价格较贵，直接影响了整个系统的建设成本，所以应通过制定适合的供电标准来保证整个系统低功耗运行。首先，摄像机和其他设备都基于直流12.0 V电压，而且满足低功耗运行要求，对摄像机部分电路采用低功耗元器件；其次，缩短系统的运行时间，比如给摄像机设置休眠功能，让它只有在激活时才会自动开启。

1.2 数据通信传输子系统

安防视频监控系统的通信传输主要依赖于同轴线缆、光纤、网线和无线电微波。无线技术和4G技术的发展将彻底改变现有的有线传输模式，在远距离传输方面具有先天优势，使视频监控系统特别是移动视频监控系统实现了实时监控。

4G集3G与WLAN于一体，能够传输高质量视频图像，图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G能够以100 Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4 M）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。

1.3 摄像机子系统

摄像机子系统是整个监控系统的中心。前端摄像机是整个监控系统的“眼睛”，它把监视的内容变为图像信号，由4G信号传送到云服务器上，摄像部分的好坏及其产生的图像质量将影响整个系统的质量。采用800万像素的镜头，可拍出分辨率为3264×2448的图像，拍出的细节比视频更丰富直观，但需要根据功耗调整参数指标。因为设备的参数直接影响太阳能供电储能系统的计算和设计，并关系到整个系统能否正常运行。同时，由于该系统应用于野外，受气候条件影响很大，所以应采用工业级设计标准，选用工业级元器件，使摄像机可以在多种气候条件下工作。

2 系统建设

太阳能4G图像监控系统是一个较复杂的系统：①前端设备要集成多种子系统，主要包括太阳能充电控制、电源管理、摄像头管理及4G网络管理等。②云服务端涉及多种IT技术，主要包括网络、服务器、存储、FTP技术。只有将各种子系统和技术进行统一优化协调，才能建设一个安全、稳定、可靠、高效的监控系统。

2.1 前端摄像机

定制太阳能4G摄像机，内置18650锂电池、太阳能充电控制板、4G模块，集成一体化设计，并作防水处理。各部件均由开源操作系统Linux控制，参数可经WEB浏览器登录设置。需要强调的是，需要给摄像机设置休眠待机及电话、短信激活功能，以降低功耗，实现长时间工作。

2.2 云端服务器

网络核心是云服务器ECS，在虚拟化环境当中建立的私有云安全可靠，可有效避免信息泄露。云服务器能提供简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务，帮助用户快速构建更稳定、安全的应用，提升运维效率，降低 IT 成本，使其更专注于核心业务创新。服务器配置为：双核4G内存，100 G数据硬盘， 100 Mbps带宽，运行操作系统为微软Windows Server 2008 R2标准版，后期可弹性扩展。目前配置的设计带机量为1000个摄像头终端。

2.3 客户端监控

客户端可以是手机或PC，PC端安装摄像头管理软件（见图3）即可实现监控和查询功能，手机可安装管理软件或者远程桌面软件，只要接入互联网就可实现对云端服务器的直接访问或管理。用户可以多设备随时随地同时访问，互不影响。

图3  PC客户端

2.4 实际应用效果

太阳能4G图像监控系统已成功应用于中国航油南宁分公司，已经平稳运行1年，及时制止了3起施工破坏管道事件。以南宁分公司油库至航空加油站机坪管网为例，野外长度3.9 km，沿途情况复杂，运用该系统时设置了20个监控点，基本实现了管道沿线全覆盖。系统具备定时拍照、手机电脑随时监拍功能，拍摄照片清晰，监控范围广，采用800万高清摄像头，在无遮挡情况下可清晰监控300 m范围内情况（见图4）。设备运行稳定，在阴天环境下可持续工作40 d以上。通过一次性设置，可实现人不在现场情况下有效监控长输管道重点区域，既节省人力，又降低了管线安全风险。

图4 现场设备

3  结论

基于云服务技术架构的野外油气管道太阳能4G图像监控系统，具有低成本、低功耗、高集成度、高可靠性、安装方便、网络容量大等优点，可与人工巡线配合使用，辅助监控人员及时发现监控点附近风险隐患，确保野外长输管道的运行安全，同时大大减少了人员现场监控的人力成本。该技术可拓展应用于工程施工、重大生产作业、重要设施设备等关键现场的定时或随时抽查监控，具有广泛的推广价值。

作者：韦善锐，男，1990年生，2014年毕业于广西机电职业技术学院电气自动化专业，现主要从事工业自动化、高压电工、低压电气等工作。

《管道保护》2017年第2期（总第33期）