官地水电站引水隧洞无线遥控摄像检查系统的开发和应用

刘万均

（雅砻江流域水电开发有限责任公司官地水力发电厂，四川 西昌 615000）

官地水电站引水隧洞无线遥控摄像检查系统的开发和应用

刘万均

（雅砻江流域水电开发有限责任公司官地水力发电厂，四川 西昌 615000）

简要介绍了官地水电站开发的引水隧洞无线遥控摄像检查系统，该系统运用无线网络监控技术大幅降低了官地水电站引水隧洞斜井段外观检查的安全风险、时间、费用。

引水隧洞；无线遥控；摄像检查

0 前言

官地水电站共安装4台600 MW机组，总装机容量2 400 MW，水头为115 m。引水隧洞采用单机单管供水，共4条引水隧洞，每条引水隧洞内径为11.8 m，分为上平段、上弯段、斜井段（倾角60°）、下弯段和下平段。

按检修规程，须定期排空检查引水隧洞是否存在渗水、开裂、剥落等外观缺陷。由于引水隧洞直径大、水头高、高差大、洞内无照明、有渗水，无任何外部通讯信号（移动、联通等），隧洞斜井段、上下弯段人员不能徒步到达，检查困难。通常水电站引水隧洞检查时，需在引水隧洞斜井段或竖井段内搭设满堂脚手架进行人工检查，存在高空作业多、工作量大、安全风险大、检查费用高，且耗时长（至少2个月以上）、经济性差等问题。个别电站为了减少引水隧洞检查时间，曾违章采用卷扬机拖曳小车载人检查，但因环境恶劣、安全风险大，采用这种方法检查效果不佳。引水隧洞上弯段、斜井段（竖井段）、下弯段检查是水电站例行检查工作中的一个难点。为此，官地电厂开发了安全、经济的引水隧洞摄像检查系统。

1 设计方案

由于缺乏水电站隧洞相关应用先例参照，设计者借鉴上网搜索到的野生动物无线摄像、无人机遥控摄像、车载安防监控等应用案例，力主以无线遥控摄像监控技术为基础开发官地水电站引水隧洞无线遥控摄像检查系统，并具体组织编制了设计方案。

该系统分为搭载平台、照明、摄像、电源4个子系统。

1.1 搭载平台

搭载平台有无人机、潜水机器人、卷扬机牵引小车等可供选择。考虑到洞内飞行控制不易、潜水机器人摄像图像清晰度受水的透明度限制，决定采用传统水电隧洞施工中常用的洞内钢制小车作为搭载平台。卷扬机采用地锚固定在隧洞上平段，小车作为搭载照明、摄像、电源子系统的平台，由卷扬机、钢丝绳牵引钢制小车沿隧洞向下滑行，如图1、2所示。小车采用不锈钢制作。

图1 官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统布置示意图

图2 官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统设备布置图

1.2 照明

为确保摄像效果，在小车上安装多组防水防爆自带可充电锂电池泛光、聚光电筒，作为摄像子系统的光源。

1.3 摄像

摄像子系统是引水隧洞摄像检查系统的核心，由前端摄像、网络传输、控制终端3部分组成的、以TCP/IP协议为基础的小型无线网络监控系统。由控制终端控制的多个前端摄像设备将视频监控图像信号经网络传输系统传送至控制终端，由控制终端将信号进行集中处理。如图3所示。

图3 官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统网络拓扑图

（1）前端摄像

前端摄像安装在小车上，配置4个高清网络摄像机IPC、电动云台及护罩。

网络摄像机即IP CAMERA（简称IPC），由网络编码模块和模拟摄像机组合而成。网络编码模块将每个模拟摄像机采集到的模拟视频信号编码压缩成数字视频流，通过网络传输进入控制终端，实现远程管理和查看。网络摄像机支持PTZ控制（Pan/Tilt/Zoom，即云台全方位左右/上下旋转、移动及镜头变倍、变焦控制）。支持48 V DC无源PoE供电（网络供电）。

为确保隧洞恶劣条件下外观检查质量，对网络摄像机性能参数要求较高。采用600万像素高清摄像机配15倍电动变焦镜头、逐行扫描1902×1020、带红外夜视功能、超低照度（彩色达0.05 Lux@(F1.2, AGCON)、黑白达0.005Lux@(F1.2,AGC ON)）。电动云台支持PTZ控制，具备4条可编程巡视轨迹，自带红外灯，支持雨刷功能，防水防尘防护等级IP66。

（2）网络传输

前端摄像、控制终端之间控制信号、视频信号传输可通过WIFI、无线AP、移动通信网络等方式实现。本方案通过无线AP实现网络传输。

无线 AP即无线接入点（The wireless access point），常用功能是用无线设备在有线网络中接入一个无线AP，实现无线与有线的无缝桥接。本方案使用的是室外型无线定向AP，其一端与前端摄像连接，安装在小车上，另一端与控制终端连接，为两端提供长距离无线桥接，通过有线加无线主干方式完成网络延伸。其符合IEEE 802.11 b/g/n标准，无线频段5 GHz，数据速率300 Mb/s，支持48 V DC无源PoE供电，防水防尘防护等级IP66。

无线信号传输距离就是前端摄像、控制终端之间距离，它决定了无线遥控摄像距离。受隧洞地形限制，无线AP终端侧只能安装在上平段底部，隧洞上平段与斜井段不通视、距离远，按直线方向传播的无线传输信号衰减幅度较大。隧洞直径较大，在隧洞上弯段顶部安装一个信号传输中继点存在安全风险。为确保信号可靠传输距离，无线AP最大发射功率可调至29 dBm，接收灵敏度-95～-75 dBm。其最大可视传输距离达1 000 m，隧洞内不通视时最大传输距离可达300 m。

（3）控制终端

控制终端采用的是PC式NVR（Network Video Recorder即网络视频录像机），布置在隧洞上平段。PC式NVR包括便携计算机（内置DVI显卡、控制卡）及软件，运行在Microsoft Windows系统之上，支持多种视频压缩格式，实现同时对4个摄像机的数字视频流的无线同步控制、监看和存储，支持PTZ实时控制、图像增益调节、实时保存录像、抓拍图片等功能。设计预留必要冗余，可以扩展连接更多摄像机。防水防尘防护等级IP65。

1.4 电源

安装在小车上移动的电动云台及网络摄像机、无线AP如采用外接电缆供电，供电电缆与拖曳小车钢丝绳同步收放困难，且存在电缆与钢丝绳缠绕漏电风险。因此，小车上的电动云台及网络摄像机、无线AP等设备均使用安装在小车上的蓄电池配UPS供电。蓄电池容量可满足连续工作8 h。为确保电源系统防水、防爆，蓄电池、UPS均用不锈钢罩防护。

固定安装在上平段的控制终端、卷扬机均采用外接电缆供电。

2 实施效果

引水隧洞内环境较差，在询价采购阶段，对设备质量进行了严格控制，摄像和云台、无线AP、控制终端均采用达到军工标准的产品。

在2016年枯期，官地水电站引水隧洞无线遥控摄像检查系统安装就位、调试完成。检查人员在引水隧洞上平段通过卷扬机控制小车在斜井段滑行，同时通过控制终端的计算机无线遥控对隧洞上弯段、斜井段和下弯段的洞壁做了全面摄录检查。摄像检查过程中，遥控动作灵敏、实时监看的图像清晰流畅，对于个别缺陷存疑部位，小车就定点停在该处通过反复摄像、局部变焦放大拍摄特写检查确认，图片清晰、分辨率高，达到专业单反相机拍照画质。采用聚光电筒摄像时有光斑，改用泛光电筒照明后摄像效果更好。

整个系统从安装、检查、撤出，共耗时3 d。

3 小结

（1）为确保检查质量，降低安全风险、检查时间和成本，整个系统设计时设计者重点控制如下5个要素：

1）摄影无人：操作人员运用网络传输技术在安全地带，通过控制终端远程遥控随小车在斜井段高空移动的前端摄像子系统，实现了前端无人摄像，确保了人员安全。

2）无线遥控：通过提高无线AP发射功率，解决了隧洞斜井段不通视条件下信号无线传输，小车上搭载的所有设备均采用无外接电缆的电池供电。规避了信号线、电缆与牵引钢丝绳缠绕的安全风险。不需设置信号线、电缆与钢丝绳同步收放设备，简化了设备配置，降低了成本。

3）高清夜视摄像：洞内增加辅助照明后照度仍然较低，选用的摄像器材高清夜视参数较高，以达到高画质。

4）设备防水：在斜井段运行的所有带电设备均可靠防水，以适应引水隧洞恶劣条件。

5）标准化：除小车是量身定做的以外，其余的所有设备均从市场上采购标准化的成熟产品，操作简单可靠，费用相对较低。

（2）官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统可直接扩展用于类似水电站隧洞竖井段外观检查。

（3）官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统局限性是需要隧洞排水才能使用，在这点上不如水下摄像机器人。

（4）官地引水隧洞无线遥控摄像检查系统通过传统的水电施工用卷扬机牵引小车与无线网络监控技术的结合，克服了空间障碍，成功完成大高差的隧洞斜井外观摄像检查，其是传统技术与互联网技术结合的产物。

（5）无线网络监控系统受空间限制小，在深沟峡谷、地形险峻的水电站施工、运行、检修中应用前景广阔。无线网络监控系统传输距离还可进一步扩大。无线AP外接定向天线，最大传输距离可达30 km。如使用4G通讯网络（移动、联通、电信等）作为传输媒介，4G通讯信号覆盖区域均可实现无线网络监控，传输距离更大。其搭载平台类型较多，如无人机、汽车、轮船、建筑物等。供电方式灵活，如太阳能、蓄电池、电网供电等。鉴于上述特点，预计将在水电站重点工作面施工进度监控、高边坡和高危滑坡体监控、水电站输电线路巡视、水库巡视、施工区域山火监控、电站群集中监控等方面得到更深入的运用。

（6）水电站一般地处深山，消息相对闭塞，在实际工作遇到问题时，运用网络搜索开拓眼界、借鉴其他行业先进技术为我所用，不失为一种经济、快捷的网络调研方式。

TV738

：B

：1672-5387（2017）03-0069-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.022

2016-09-14

刘万均（1967-），男，教授级高级工程师，从事水电站检修机电技术管理工作。