运用阿伦尼斯模型预测网络摄像机的使用寿命

黄轶文, 龚霖迪

（广东工程职业技术学院,广州,510520，高新兴科技集团股份有限公司,广州,510530）

0 引言

工业级摄像机指工作在-20℃到70℃温度范围的摄像机，采用工业级的芯片和特殊的封装工艺，使得工业级摄像机比商用级摄像机更能适应恶劣的外部环境，因此被广泛地应用在城市道路监控、隧道监控、矿山监控、港口监控等应用环境。

工业级摄像机可以分为模拟摄像机和网络摄像机，模拟摄像机主要一个成像模组和电源模块组成，网络摄像机则复杂很多，包括成像模组、图像处理ISP、视频编码模块、网络模块和电源模块。图像处理和视频编码需大量的运算，芯片产生热量，因此网络摄像机比模拟摄像机的发热量高、寿命短。

模拟摄像机大规模的工程应用已经有十年的历史，积累了大量的摄像机使用寿命的数据，工业级模拟摄像机的平均使用寿命超过六年。随着平安城市建设的推进，网络摄像机大规模的工程应用只有三年历史，缺乏使用寿命的数据积累。工程商目前都是估算网络摄像机的使用寿命，因此迫切需要一个科学有效的方法预测工业级网络摄像机的使用寿命。

1 影响摄像机使用寿命的应力因素

测试摄像机的使用寿命数据，最直观的方法就是让摄像机在实际应用环境使用，记录各个摄像机的失效时间，取平均值，就可以得知摄像机的平均寿命。然而摄像机是一种长效电子设备，使用寿命长达数年，很显然这种方法不能为工程提供有效的参考数据。

摄像机是一种电子设备，因此可以应用电子设备的寿命测试方法。电子设备通常使用加速寿命实验的方法推算其使用寿命，基本思想是利用高应力下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。

在实际环境中，影响摄像机寿命的应力因素有很多，如温度、湿度、粉尘、电力环境等。为了给摄像机创造一个良好的使用环境，监控工程中的摄像机都带有护罩，防护等级达到IP66，在电力供应上，也做一些相应的处理，使摄像机能有洁净稳定的电力供应。

综上所述，影响摄像机使用寿命的主要应力为温度。

2 运用阿伦尼斯模型预测网络摄像机的使用寿命

2.1 阿伦尼斯模型推导

我们首先建立摄像机寿命特征与温度之间的关系，即加速模型。阿伦尼斯(Arrhenius)模型是最典型、应用最广的加速模型，其表达式为

令产品初始状态的退化量为M1，对应时间为t1；另一状态的退化量为M2，对应时间为t2。那么，当温度T 为常数时，从t1～t2的累积退化量

得

令t=t2-t1，得t=[(m2-m1)/A0]exp(E/kT)。

当退化量M2达到某个值Mp时，则认为该器件失效，而影响到由产品构成设备的性能参数或工作。这时的时间差(t2-t1)就是产品从t1开始延续的寿命L。即

令A=ln[(Mp-M1)/A0]，B=E/k，得lnL=A+(B/T)。式中，A，B 是待定参数；L 为某寿命特征，如中位寿命，平均寿命等。

第三，婴幼儿配方乳粉的进口价格呈现上升趋势。尽管2008年和2012中国分别与新西兰和澳大利亚签订了自贸协定，这些协定都涉及到婴幼儿配方乳粉进口关税的降低，但是从海关总署的统计数据来看，中国婴幼儿配方乳粉的进口价格从2007-2015年一直呈现缓慢上升趋势，而2015到2016年婴幼儿配方乳粉的进口价格出现了快速增长。2016年婴幼儿配方乳粉的平均进口价格为2.03万美元/t，比2015年的1.4万美元/t增长了45%（图2）。

lnL=A+(B/T)是线性化的寿命与温度的关系模型，它符合化学反应器件的寿命L 与温度T 的关系。

阿伦尼斯模型表明，寿命特征的对数是温度倒数的线性函数。模型反映了电子设备的常性，使用环境温度越高，其使用寿命越短。

2.2 阿伦尼斯模型测试过程

在实验测试过程中，我们选取了某个品牌的30 个摄像机作为样本，根据摄像机厂家提供的数据，该摄像机正常使用环境为40℃，从-20℃到40℃，温度不影响摄像机的使用寿命，超过40℃，摄像机使用寿命呈线性下降趋势。

经过实际测试，该组摄像机在90℃仍然处于正常工作状态。于是，我们选取了65℃和90℃等作为实验条件，每组10 个样本，采用定数截尾方式，当每组超过7 个样本失效就停止实验，并取平均失效时长。

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)

代入各温度值，可得到以下的温度-寿命对应表：

2.3 阿伦尼斯曲线

根据3.2 的测试数据，我们可以描绘出网络摄像机寿命的阿伦尼斯曲线，如下图：

由数据可知，该款摄像机的预期寿命为43911 小时，大约为五年时间。如果考虑摄像机的现场环境比实验室环境更恶劣，例如昼夜引起了变温差、安装工艺引起的湿度差、车辆经过引起的抖动，实际寿命可能为预期寿命的70%-80%左右,约三年半至四年。

3 结束语

测试结果表明，工业级的网络摄像机寿命较之模拟摄像机为短。工程的实际应用也表明，经过三年的不间断运行后，网络摄像机已经出现了小比例的失效设备。对于这小部分的失效设备，根据贝叶斯定理，利用先验分布和总体分布，得到了待估计变量的后验分布。该后验分布的情况也基本符合根据阿伦尼斯模型的预测，从而说明运用阿伦尼斯模型对工业级摄像机的使用寿命进行预测，是具有实用价值的。

[1] 胡宗进.摄像机芯片方案探讨.《中国公共安全》[317], 2013 年24 期

[2] 茹诗松.从寿命试验到加速寿命试验.《质量与可靠性》[2], 2003 年01 期