官地水電站引水隧洞無線遙控攝像檢查系統的開發和應用

劉萬均

（雅礱江流域水電開發有限責任公司官地水力發電廠，四川 西昌 615000）

官地水電站引水隧洞無線遙控攝像檢查系統的開發和應用

劉萬均

（雅礱江流域水電開發有限責任公司官地水力發電廠，四川 西昌 615000）

簡要介紹了官地水電站開發的引水隧洞無線遙控攝像檢查系統，該系統運用無線網絡監控技術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險、時間、費用。

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機組，總裝機容量2 400 MW，水頭為115 m。引水隧洞采用單機單管供水，共4條引水隧洞，每條引水隧洞內徑為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、洞內無照明、有滲水，無任何外部通訊信號（移動、聯通等），隧洞斜井段、上下彎段人員不能徒步到達，檢查困難。通常水電站引水隧洞檢查時，需在引水隧洞斜井段或豎井段內搭設滿堂腳手架進行人工檢查，存在高空作業多、工作量大、安全風險大、檢查費用高，且耗時長（至少2個月以上）、經濟性差等問題。個別電站為了減少引水隧洞檢查時間，曾違章采用卷揚機拖曳小車載人檢查，但因環境惡劣、安全風險大，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難點。為此，官地電廠開發了安全、經濟的引水隧洞攝像檢查系統。

1 設計方案

由于缺乏水電站隧洞相關應用先例參照，設計者借鑒上網搜索到的野生動物無線攝像、無人機遙控攝像、車載安防監控等應用案例，力主以無線遙控攝像監控技術為基礎開發官地水電站引水隧洞無線遙控攝像檢查系統，并具體組織編制了設計方案。

該系統分為搭載平臺、照明、攝像、電源4個子系統。

1.1 搭載平臺

搭載平臺有無人機、潛水機器人、卷揚機牽引小車等可供選擇。考慮到洞內飛行控制不易、潛水機器人攝像圖像清晰度受水的透明度限制，決定采用傳統水電隧洞施工中常用的洞內鋼制小車作為搭載平臺。卷揚機采用地錨固定在隧洞上平段，小車作為搭載照明、攝像、電源子系統的平臺，由卷揚機、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攝像檢查系統布置示意圖

圖2 官地引水隧洞無線遙控攝像檢查系統設備布置圖

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，作為攝像子系統的光源。

1.3 攝像

攝像子系統是引水隧洞攝像檢查系統的核心，由前端攝像、網絡傳輸、控制終端3部分組成的、以TCP/IP協議為基礎的小型無線網絡監控系統。由控制終端控制的多個前端攝像設備將視頻監控圖像信號經網絡傳輸系統傳送至控制終端，由控制終端將信號進行集中處理。如圖3所示。

圖3 官地引水隧洞無線遙控攝像檢查系統網絡拓撲圖

（1）前端攝像

前端攝像安裝在小車上，配置4個高清網絡攝像機IPC、電動云臺及護罩。

網絡攝像機即IP CAMERA（簡稱IPC），由網絡編碼模塊和模擬攝像機組合而成。網絡編碼模塊將每個模擬攝像機采集到的模擬視頻信號編碼壓縮成數字視頻流，通過網絡傳輸進入控制終端，實現遠程管理和查看。網絡攝像機支持PTZ控制（Pan/Tilt/Zoom，即云臺全方位左右/上下旋轉、移動及鏡頭變倍、變焦控制）。支持48 V DC無源PoE供電（網絡供電）。

為確保隧洞惡劣條件下外觀檢查質量，對網絡攝像機性能參數要求較高。采用600萬像素高清攝像機配15倍電動變焦鏡頭、逐行掃描1902×1020、帶紅外夜視功能、超低照度（彩色達0.05 Lux@(F1.2, AGCON)、黑白達0.005Lux@(F1.2,AGC ON)）。電動云臺支持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，防水防塵防護等級IP66。

（2）網絡傳輸

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、移動通信網絡等方式實現。本方案通過無線AP實現網絡傳輸。

無線 AP即無線接入點（The wireless access point），常用功能是用無線設備在有線網絡中接入一個無線AP，實現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絡延伸。其符合IEEE 802.11 b/g/n標準，無線頻段5 GHz，數據速率300 Mb/s，支持48 V DC無源PoE供電，防水防塵防護等級IP66。

無線信號傳輸距離就是前端攝像、控制終端之間距離，它決定了無線遙控攝像距離。受隧洞地形限制，無線AP終端側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，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信號傳輸中繼點存在安全風險。為確保信號可靠傳輸距離，無線AP最大發射功率可調至29 dBm，接收靈敏度-95～-75 dBm。其最大可視傳輸距離達1 000 m，隧洞內不通視時最大傳輸距離可達300 m。

（3）控制終端

控制終端采用的是PC式NVR（Network Video Recorder即網絡視頻錄像機），布置在隧洞上平段。PC式NVR包括便攜計算機（內置DVI顯卡、控制卡）及軟件，運行在Microsoft Windows系統之上，支持多種視頻壓縮格式，實現同時對4個攝像機的數字視頻流的無線同步控制、監看和存儲，支持PTZ實時控制、圖像增益調節、實時保存錄像、抓拍圖片等功能。設計預留必要冗余，可以擴展連接更多攝像機。防水防塵防護等級IP65。

1.4 電源

安裝在小車上移動的電動云臺及網絡攝像機、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險。因此，小車上的電動云臺及網絡攝像機、無線AP等設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工作8 h。為確保電源系統防水、防爆，蓄電池、UPS均用不銹鋼罩防護。

固定安裝在上平段的控制終端、卷揚機均采用外接電纜供電。

2 實施效果

引水隧洞內環境較差，在詢價采購階段，對設備質量進行了嚴格控制，攝像和云臺、無線AP、控制終端均采用達到軍工標準的產品。

在2016年枯期，官地水電站引水隧洞無線遙控攝像檢查系統安裝就位、調試完成。檢查人員在引水隧洞上平段通過卷揚機控制小車在斜井段滑行，同時通過控制終端的計算機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，遙控動作靈敏、實時監看的圖像清晰流暢，對于個別缺陷存疑部位，小車就定點停在該處通過反復攝像、局部變焦放大拍攝特寫檢查確認，圖片清晰、分辨率高，達到專業單反相機拍照畫質。采用聚光電筒攝像時有光斑，改用泛光電筒照明后攝像效果更好。

整個系統從安裝、檢查、撤出，共耗時3 d。

3 小結

（1）為確保檢查質量，降低安全風險、檢查時間和成本，整個系統設計時設計者重點控制如下5個要素：

1）攝影無人：操作人員運用網絡傳輸技術在安全地帶，通過控制終端遠程遙控隨小車在斜井段高空移動的前端攝像子系統，實現了前端無人攝像，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備均采用無外接電纜的電池供電。規避了信號線、電纜與牽引鋼絲繩纏繞的安全風險。不需設置信號線、電纜與鋼絲繩同步收放設備，簡化了設備配置，降低了成本。

3）高清夜視攝像：洞內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較高，以達到高畫質。

4）設備防水：在斜井段運行的所有帶電設備均可靠防水，以適應引水隧洞惡劣條件。

5）標準化：除小車是量身定做的以外，其余的所有設備均從市場上采購標準化的成熟產品，操作簡單可靠，費用相對較低。

（2）官地引水隧洞無線遙控攝像檢查系統可直接擴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攝像檢查系統局限性是需要隧洞排水才能使用，在這點上不如水下攝像機器人。

（4）官地引水隧洞無線遙控攝像檢查系統通過傳統的水電施工用卷揚機牽引小車與無線網絡監控技術的結合，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，其是傳統技術與互聯網技術結合的產物。

（5）無線網絡監控系統受空間限制小，在深溝峽谷、地形險峻的水電站施工、運行、檢修中應用前景廣闊。無線網絡監控系統傳輸距離還可進一步擴大。無線AP外接定向天線，最大傳輸距離可達30 km。如使用4G通訊網絡（移動、聯通、電信等）作為傳輸媒介，4G通訊信號覆蓋區域均可實現無線網絡監控，傳輸距離更大。其搭載平臺類型較多，如無人機、汽車、輪船、建筑物等。供電方式靈活，如太陽能、蓄電池、電網供電等。鑒于上述特點，預計將在水電站重點工作面施工進度監控、高邊坡和高危滑坡體監控、水電站輸電線路巡視、水庫巡視、施工區域山火監控、電站群集中監控等方面得到更深入的運用。

（6）水電站一般地處深山，消息相對閉塞，在實際工作遇到問題時，運用網絡搜索開拓眼界、借鑒其他行業先進技術為我所用，不失為一種經濟、快捷的網絡調研方式。

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，從事水電站檢修機電技術管理工作。