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

        2017-08-17 00:20:51劉萬(wàn)均
        水電站機(jī)電技術(shù) 2017年3期
        關(guān)鍵詞:斜井遙控隧洞

        劉萬(wàn)均

        (雅礱江流域水電開(kāi)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(wú)線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

        劉萬(wàn)均

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

        簡(jiǎn)要介紹了官地水電站開(kāi)發(fā)的引水隧洞無(wú)線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng),該系統(tǒng)運(yùn)用無(wú)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(wú)線遙控;攝像檢查

        0 前言

        官地水電站共安裝4臺(tái)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(kāi)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(wú)照明、有滲水,無(wú)任何外部通訊信號(hào)(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(zhǎng)(至少2個(gè)月以上)、經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)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?yè)P(yáng)機(jī)拖曳小車(chē)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(kāi)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(wú)線攝像、無(wú)人機(jī)遙控?cái)z像、車(chē)載安防監(jiān)控等應(yīng)用案例,力主以無(wú)線遙控?cái)z像監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)官地水電站引水隧洞無(wú)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(tái)、照明、攝像、電源4個(gè)子系統(tǒng)。

        1.1 搭載平臺(tái)

        搭載平臺(tái)有無(wú)人機(jī)、潛水機(jī)器人、卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引小車(chē)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(chē)作為搭載平臺(tái)。卷?yè)P(yáng)機(jī)采用地錨固定在隧洞上平段,小車(chē)作為搭載照明、攝像、電源子系統(tǒng)的平臺(tái),由卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩牽引鋼制小車(chē)沿隧洞向下滑行,如圖1、2所示。小車(chē)采用不銹鋼制作。

        圖1 官地引水隧洞無(wú)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(wú)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(chē)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(wú)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(hào)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(hào)進(jìn)行集中處理。如圖3所示。

        圖3 官地引水隧洞無(wú)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(chē)上,配置4個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC、電動(dòng)云臺(tái)及護(hù)罩。

        網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)即IP CAMERA(簡(jiǎn)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(hào)編碼壓縮成數(shù)字視頻流,通過(guò)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(tái)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(wú)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(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性能參數(shù)要求較高。采用600萬(wàn)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(tái)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(jí)IP66。

        (2)網(wǎng)絡(luò)傳輸

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

        無(wú)線 AP即無(wú)線接入點(diǎn)(The wireless access point),常用功能是用無(wú)線設(shè)備在有線網(wǎng)絡(luò)中接入一個(gè)無(wú)線AP,實(shí)現(xiàn)無(wú)線與有線的無(wú)縫橋接。本方案使用的是室外型無(wú)線定向AP,其一端與前端攝像連接,安裝在小車(chē)上,另一端與控制終端連接,為兩端提供長(zhǎng)距離無(wú)線橋接,通過(guò)有線加無(wú)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(wú)線頻段5 GHz,數(shù)據(jù)速率300 Mb/s,支持48 V DC無(wú)源PoE供電,防水防塵防護(hù)等級(jí)IP66。

        無(wú)線信號(hào)傳輸距離就是前端攝像、控制終端之間距離,它決定了無(wú)線遙控?cái)z像距離。受隧洞地形限制,無(wú)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(wú)線傳輸信號(hào)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(hào)傳輸中繼點(diǎn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為確保信號(hào)可靠傳輸距離,無(wú)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(duì)4個(gè)攝像機(jī)的數(shù)字視頻流的無(wú)線同步控制、監(jiān)看和存儲(chǔ),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(jí)IP65。

        1.4 電源

        安裝在小車(chē)上移動(dòng)的電動(dòng)云臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無(wú)線AP如采用外接電纜供電,供電電纜與拖曳小車(chē)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(chē)上的電動(dòng)云臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無(wú)線AP等設(shè)備均使用安裝在小車(chē)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?yè)P(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(gòu)階段,對(duì)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制,攝像和云臺(tái)、無(wú)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(wú)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(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制小車(chē)在斜井段滑行,同時(shí)通過(guò)控制終端的計(jì)算機(jī)無(wú)線遙控對(duì)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(guò)程中,遙控動(dòng)作靈敏、實(shí)時(shí)監(jiān)看的圖像清晰流暢,對(duì)于個(gè)別缺陷存疑部位,小車(chē)就定點(diǎn)停在該處通過(guò)反復(fù)攝像、局部變焦放大拍攝特寫(xiě)檢查確認(rèn),圖片清晰、分辨率高,達(dá)到專(zhuān)業(yè)單反相機(jī)拍照畫(huà)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(wú)人:操作人員運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在安全地帶,通過(guò)控制終端遠(yuǎn)程遙控隨小車(chē)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(wú)人攝像,確保了人員安全。

        2)無(wú)線遙控:通過(guò)提高無(wú)線AP發(fā)射功率,解決了隧洞斜井段不通視條件下信號(hào)無(wú)線傳輸,小車(chē)上搭載的所有設(shè)備均采用無(wú)外接電纜的電池供電。規(guī)避了信號(hào)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(hào)線、電纜與鋼絲繩同步收放設(shè)備,簡(jiǎn)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(huà)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(chē)是量身定做的以外,其余的所有設(shè)備均從市場(chǎng)上采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品,操作簡(jiǎn)單可靠,費(fèi)用相對(duì)較低。

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

        (3)官地引水隧洞無(wú)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(wú)線遙控?cái)z像檢查系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)的水電施工用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引小車(chē)與無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(hào)覆蓋區(qū)域均可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,傳輸距離更大。其搭載平臺(tái)類(lèi)型較多,如無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、輪船、建筑物等。供電方式靈活,如太陽(yáng)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(kù)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(duì)閉塞,在實(shí)際工作遇到問(wèn)題時(shí),運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)搜索開(kāi)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(wàn)均(1967-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事水電站檢修機(jī)電技術(shù)管理工作。

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