運用阿倫尼斯模型預(yù)測網(wǎng)絡(luò)攝像機的使用壽命

黃軼文, 龔霖迪

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州,510520，高新興科技集團股份有限公司,廣州,510530）

0 引言

工業(yè)級攝像機指工作在-20℃到70℃溫度范圍的攝像機，采用工業(yè)級的芯片和特殊的封裝工藝，使得工業(yè)級攝像機比商用級攝像機更能適應(yīng)惡劣的外部環(huán)境，因此被廣泛地應(yīng)用在城市道路監(jiān)控、隧道監(jiān)控、礦山監(jiān)控、港口監(jiān)控等應(yīng)用環(huán)境。

工業(yè)級攝像機可以分為模擬攝像機和網(wǎng)絡(luò)攝像機，模擬攝像機主要一個成像模組和電源模塊組成，網(wǎng)絡(luò)攝像機則復(fù)雜很多，包括成像模組、圖像處理ISP、視頻編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和電源模塊。圖像處理和視頻編碼需大量的運算，芯片產(chǎn)生熱量，因此網(wǎng)絡(luò)攝像機比模擬攝像機的發(fā)熱量高、壽命短。

模擬攝像機大規(guī)模的工程應(yīng)用已經(jīng)有十年的歷史，積累了大量的攝像機使用壽命的數(shù)據(jù)，工業(yè)級模擬攝像機的平均使用壽命超過六年。隨著平安城市建設(shè)的推進，網(wǎng)絡(luò)攝像機大規(guī)模的工程應(yīng)用只有三年歷史，缺乏使用壽命的數(shù)據(jù)積累。工程商目前都是估算網(wǎng)絡(luò)攝像機的使用壽命，因此迫切需要一個科學(xué)有效的方法預(yù)測工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)攝像機的使用壽命。

1 影響攝像機使用壽命的應(yīng)力因素

測試攝像機的使用壽命數(shù)據(jù)，最直觀的方法就是讓攝像機在實際應(yīng)用環(huán)境使用，記錄各個攝像機的失效時間，取平均值，就可以得知攝像機的平均壽命。然而攝像機是一種長效電子設(shè)備，使用壽命長達(dá)數(shù)年，很顯然這種方法不能為工程提供有效的參考數(shù)據(jù)。

攝像機是一種電子設(shè)備，因此可以應(yīng)用電子設(shè)備的壽命測試方法。電子設(shè)備通常使用加速壽命實驗的方法推算其使用壽命，基本思想是利用高應(yīng)力下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征。

在實際環(huán)境中，影響攝像機壽命的應(yīng)力因素有很多，如溫度、濕度、粉塵、電力環(huán)境等。為了給攝像機創(chuàng)造一個良好的使用環(huán)境，監(jiān)控工程中的攝像機都帶有護罩，防護等級達(dá)到IP66，在電力供應(yīng)上，也做一些相應(yīng)的處理，使攝像機能有潔凈穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

綜上所述，影響攝像機使用壽命的主要應(yīng)力為溫度。

2 運用阿倫尼斯模型預(yù)測網(wǎng)絡(luò)攝像機的使用壽命

2.1 阿倫尼斯模型推導(dǎo)

我們首先建立攝像機壽命特征與溫度之間的關(guān)系，即加速模型。阿倫尼斯(Arrhenius)模型是最典型、應(yīng)用最廣的加速模型，其表達(dá)式為

令產(chǎn)品初始狀態(tài)的退化量為M1，對應(yīng)時間為t1；另一狀態(tài)的退化量為M2，對應(yīng)時間為t2。那么，當(dāng)溫度T 為常數(shù)時，從t1～t2的累積退化量

得

令t=t2-t1，得t=[(m2-m1)/A0]exp(E/kT)。

當(dāng)退化量M2達(dá)到某個值Mp時，則認(rèn)為該器件失效，而影響到由產(chǎn)品構(gòu)成設(shè)備的性能參數(shù)或工作。這時的時間差(t2-t1)就是產(chǎn)品從t1開始延續(xù)的壽命L。即

令A(yù)=ln[(Mp-M1)/A0]，B=E/k，得lnL=A+(B/T)。式中，A，B 是待定參數(shù)；L 為某壽命特征，如中位壽命，平均壽命等。

第三，嬰幼兒配方乳粉的進口價格呈現(xiàn)上升趨勢。盡管2008年和2012中國分別與新西蘭和澳大利亞簽訂了自貿(mào)協(xié)定，這些協(xié)定都涉及到嬰幼兒配方乳粉進口關(guān)稅的降低，但是從海關(guān)總署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，中國嬰幼兒配方乳粉的進口價格從2007-2015年一直呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，而2015到2016年嬰幼兒配方乳粉的進口價格出現(xiàn)了快速增長。2016年嬰幼兒配方乳粉的平均進口價格為2.03萬美元/t，比2015年的1.4萬美元/t增長了45%（圖2）。

lnL=A+(B/T)是線性化的壽命與溫度的關(guān)系模型，它符合化學(xué)反應(yīng)器件的壽命L 與溫度T 的關(guān)系。

阿倫尼斯模型表明，壽命特征的對數(shù)是溫度倒數(shù)的線性函數(shù)。模型反映了電子設(shè)備的常性，使用環(huán)境溫度越高，其使用壽命越短。

2.2 阿倫尼斯模型測試過程

在實驗測試過程中，我們選取了某個品牌的30 個攝像機作為樣本，根據(jù)攝像機廠家提供的數(shù)據(jù)，該攝像機正常使用環(huán)境為40℃，從-20℃到40℃，溫度不影響攝像機的使用壽命，超過40℃，攝像機使用壽命呈線性下降趨勢。

經(jīng)過實際測試，該組攝像機在90℃仍然處于正常工作狀態(tài)。于是，我們選取了65℃和90℃等作為實驗條件，每組10 個樣本，采用定數(shù)截尾方式，當(dāng)每組超過7 個樣本失效就停止實驗，并取平均失效時長。

代入lnL=A+(B/T)得到：

① - ②

得到 A=-0.3739,B=442.5529

L = exp(-0. 3739 + 442.5529/T)

代入各溫度值，可得到以下的溫度-壽命對應(yīng)表：

2.3 阿倫尼斯曲線

根據(jù)3.2 的測試數(shù)據(jù)，我們可以描繪出網(wǎng)絡(luò)攝像機壽命的阿倫尼斯曲線，如下圖：

由數(shù)據(jù)可知，該款攝像機的預(yù)期壽命為43911 小時，大約為五年時間。如果考慮攝像機的現(xiàn)場環(huán)境比實驗室環(huán)境更惡劣，例如晝夜引起了變溫差、安裝工藝引起的濕度差、車輛經(jīng)過引起的抖動，實際壽命可能為預(yù)期壽命的70%-80%左右,約三年半至四年。

3 結(jié)束語

測試結(jié)果表明，工業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)攝像機壽命較之模擬攝像機為短。工程的實際應(yīng)用也表明，經(jīng)過三年的不間斷運行后，網(wǎng)絡(luò)攝像機已經(jīng)出現(xiàn)了小比例的失效設(shè)備。對于這小部分的失效設(shè)備，根據(jù)貝葉斯定理，利用先驗分布和總體分布，得到了待估計變量的后驗分布。該后驗分布的情況也基本符合根據(jù)阿倫尼斯模型的預(yù)測，從而說明運用阿倫尼斯模型對工業(yè)級攝像機的使用壽命進行預(yù)測，是具有實用價值的。

[1] 胡宗進.攝像機芯片方案探討.《中國公共安全》[317], 2013 年24 期

[2] 茹詩松.從壽命試驗到加速壽命試驗.《質(zhì)量與可靠性》[2], 2003 年01 期