數(shù)字視頻技術(shù)在核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

汪永忠 ，呂 敬

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100822）

近年來(lái)，隨著國(guó)際及國(guó)內(nèi)形勢(shì)的不斷變化，對(duì)核電廠安全運(yùn)行的管理提出了越來(lái)越高的要求。在新形勢(shì)下如何保證核電廠的安全運(yùn)行，阻止破壞核實(shí)施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉(zhuǎn)移核材料，保障核材料和核設(shè)施的安全，成為核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的重要任務(wù)。

1 概述

1.1 核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)有效性及其對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求

實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)是指采用探測(cè)、延遲及反應(yīng)的技術(shù)和能力，阻止破壞核設(shè)施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉(zhuǎn)移核材料活動(dòng)的安全防范系統(tǒng)。核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)是針對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)威脅所建立的一套完整、可靠、有效并且具有縱深防御和均衡保護(hù)的系統(tǒng)工程，用于保障核材料及核設(shè)施的安全。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)重要組成部分，在實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)重要的作用。其作用覆蓋范圍包括入侵報(bào)警復(fù)核、人員出入監(jiān)控、車輛出入監(jiān)控、重要設(shè)施監(jiān)控以及應(yīng)急響應(yīng)等方面。因此，要求系統(tǒng)具有報(bào)警快速?gòu)?fù)核、連續(xù)監(jiān)視及連續(xù)錄像的能力；要求系統(tǒng)在自然環(huán)境不利的條件下都能正常工作，圖像能覆蓋整個(gè)受保護(hù)區(qū)域，不出現(xiàn)盲區(qū)和死角；要求系統(tǒng)圖像質(zhì)量清晰，能對(duì)報(bào)警部分做出正確評(píng)估，能在系統(tǒng)失效、外界有攪擾等事件時(shí)，迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.2 國(guó)內(nèi)核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中視頻系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)均采用模擬視頻系統(tǒng)，但核電廠廠區(qū)范圍大，需要報(bào)警復(fù)核的目標(biāo)多；重要出入口和設(shè)施的監(jiān)控目標(biāo)多；視頻圖像的存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)以及高質(zhì)量的圖像清晰度等特點(diǎn)，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能提出了很高的要求。

國(guó)內(nèi)核電廠傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像的存儲(chǔ)調(diào)用目前普遍采用磁帶錄像機(jī)或DVR方式。因視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，造成管理操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)查詢調(diào)用困難、事件難追索，同時(shí)還存在圖像回放質(zhì)量差、無(wú)法實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)時(shí)鐘同步以及無(wú)應(yīng)急備用系統(tǒng)等問(wèn)題，使得傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)很難在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提供完整的系統(tǒng)解決方案，無(wú)法滿足法規(guī)的要求。

1.3 數(shù)字視頻技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字視頻技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，圖像傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、圖像處理算法、傳輸方式及記錄方式不斷取得新進(jìn)展，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特點(diǎn)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用為核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)新的解決方案。數(shù)字視頻技術(shù)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)矩陣的功能，具有安全性能高、易于集中管理、信號(hào)傳輸無(wú)損耗、系統(tǒng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、操作靈活、界面直觀、全系統(tǒng)時(shí)鐘同步并且視頻存儲(chǔ)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

雖然數(shù)字視頻系統(tǒng)也存在系統(tǒng)運(yùn)行依賴網(wǎng)絡(luò)、延時(shí)明顯、圖像壓縮后質(zhì)量有損耗等缺點(diǎn)，但數(shù)字視頻系統(tǒng)具有直觀、查詢方便、技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活等特點(diǎn)，能很好地滿足核電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件變化大、報(bào)警復(fù)核點(diǎn)位多、監(jiān)控范圍廣、圖像質(zhì)量要求高、視頻存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)性能提出的要求，極大改善了核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用能力。

2 技術(shù)方案分析

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架

某核電廠在實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)全面比較模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的優(yōu)劣（見表1），最終采用了模擬+數(shù)字相結(jié)合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架，進(jìn)行實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案前端采用模擬攝像機(jī)，通過(guò)光纜或同軸電纜將模擬視頻信號(hào)傳輸至控制中心。在控制中心通過(guò)信號(hào)分配器將視頻信號(hào)分成兩路：一路送至模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻矩陣，用于周界、出入口及重要目標(biāo)實(shí)時(shí)圖像的查看及報(bào)警復(fù)核,作為報(bào)警復(fù)核的快速響應(yīng)；另一路視頻圖像送至數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的編碼器，壓縮成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入數(shù)字視頻系統(tǒng)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。當(dāng)進(jìn)行歷史圖像調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)字圖像通過(guò)解碼器送至視頻矩陣在監(jiān)視器墻上顯示模擬圖像，或通過(guò)數(shù)字視頻管理工作站調(diào)用數(shù)字視頻圖像。數(shù)字視頻系統(tǒng)主要用于大容量視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、調(diào)用，同時(shí)還作為模擬視頻系統(tǒng)的應(yīng)急備用。

2.2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

如圖1所示，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控接入層、網(wǎng)絡(luò)交換層、控制管理層、視頻應(yīng)用層四個(gè)架構(gòu)層次組成。

（1）監(jiān)控接入層: 監(jiān)控接入層用于完成攝像機(jī)圖像數(shù)據(jù)化并使其在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，關(guān)鍵設(shè)備是數(shù)字編碼器。

（2）網(wǎng)絡(luò)交換層: 網(wǎng)絡(luò)交換層是數(shù)字視頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)字視頻系統(tǒng)所有的視音頻、報(bào)警和控制信號(hào)都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，是一個(gè)集數(shù)據(jù)、視頻為一體的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。為保證數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻碼流的傳輸，同時(shí)還包括實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)集成管理系統(tǒng)控制碼流以及出入口控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)碼流的傳輸，核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置了專用局域網(wǎng)。局域網(wǎng)以核心層交換機(jī)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，采用核心、匯聚和接入三層架構(gòu)，統(tǒng)一提供與各匯聚點(diǎn)及所有接入層的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)局域網(wǎng)采用模塊化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)使網(wǎng)絡(luò)更為靈活，方便網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施和排障。

（3）控制管理層: 系統(tǒng)采用集中式的管理方式，通過(guò)視頻管理服務(wù)器及數(shù)據(jù)管理服務(wù)器對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行集中的管理和控制，同時(shí)還對(duì)存儲(chǔ)終端設(shè)備進(jìn)行集中管理。控制管理層是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信令控制，系統(tǒng)中所有的設(shè)備都是通過(guò)控制管理層來(lái)實(shí)現(xiàn)相互的通信和管理?？刂乒芾矸?wù)器只負(fù)責(zé)處理認(rèn)證、控制、配置、注冊(cè)等信令，不進(jìn)行圖像的集中處理，服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)不影響視頻流的存儲(chǔ)和監(jiān)視。用戶只需要在一臺(tái)客戶端上就可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行批量配置下發(fā)、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程操作、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)等操作。

表1 模擬視頻系統(tǒng)與數(shù)字視頻系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between the analog and digital video systems

（4）視頻應(yīng)用層: 視頻應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案管理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)計(jì)算、存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性選擇、智能分析及報(bào)警的應(yīng)用。通過(guò)上述功能實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻系統(tǒng)存儲(chǔ)容量有效計(jì)算，視頻存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可靠性的選擇，實(shí)現(xiàn)大容量視頻數(shù)據(jù)的集中管理、檢索與調(diào)閱，同時(shí)通過(guò)利用視頻智能分析技術(shù)實(shí)施視頻動(dòng)態(tài)圖像的分析及報(bào)警。

2.3 模擬+數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

通過(guò)數(shù)字視頻技術(shù)在實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，優(yōu)化并改進(jìn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，提高了實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和有效性。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）實(shí)現(xiàn)報(bào)警快速?gòu)?fù)核。視頻采用模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的矩陣作為視頻報(bào)警復(fù)核的主切換設(shè)備，當(dāng)接到入侵報(bào)警系統(tǒng)傳來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，可實(shí)時(shí)在控制中心顯示報(bào)警防區(qū)的視頻圖像，使安保人員第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)入侵行為做出快速響應(yīng)。

（2）實(shí)現(xiàn)管理人員的便捷操作。通過(guò)視頻工作站，可實(shí)時(shí)快速查閱數(shù)字視頻系統(tǒng)中所有現(xiàn)場(chǎng)錄像回放，減少了視頻查找回放的環(huán)節(jié)，提高工作效率。

（3）實(shí)現(xiàn)大容量高質(zhì)量的圖像存儲(chǔ)有效管理。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻存儲(chǔ)服務(wù)器（NVR），實(shí)現(xiàn)了大容量視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。同時(shí)存儲(chǔ)圖像采用高分辨的圖像分辨率，使圖像質(zhì)量清晰可辨，便于后期追索查尋。

（4）提高了重要圖像存儲(chǔ)的可靠性保障。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻存儲(chǔ)服務(wù)器（NVR）通過(guò)采用RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余備份，同時(shí)通過(guò)存儲(chǔ)分區(qū)上設(shè)置重要圖像存儲(chǔ)備份區(qū)，確保了重要圖像的再備份。

（5）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)報(bào)警功能。通過(guò)視頻動(dòng)態(tài)圖像的分析技術(shù)，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有了動(dòng)態(tài)圖像的報(bào)警功能。通過(guò)把它應(yīng)用到工程中的某些特殊場(chǎng)所，有效地提高了入侵探測(cè)報(bào)警的覆蓋防區(qū)，提高了探測(cè)報(bào)警的覆蓋范圍。

（6）增加了系統(tǒng)有效性。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)模結(jié)合方式，使得系統(tǒng)可以互為補(bǔ)充，當(dāng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)失效后，數(shù)據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接替工作；當(dāng)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不影響模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警復(fù)核的實(shí)時(shí)響應(yīng)，極大提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)性能。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及展望

隨著數(shù)字視頻技術(shù)的快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)大型安防工程中數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為主流。

作為第一個(gè)把大規(guī)模數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用到核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)，在工程建設(shè)初期無(wú)法徹底驗(yàn)證系統(tǒng)性能，但通過(guò)系統(tǒng)安裝調(diào)試過(guò)程中的多次性能測(cè)試及功能測(cè)試，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的初步應(yīng)用，證實(shí)了數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，不僅有效地提高了實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和有效性，同時(shí)也為今后核設(shè)施實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供了一個(gè)可借鑒的成功案例。

隨著視頻編解碼技術(shù)的不斷升級(jí)，編解碼設(shè)備的小型化、集成化，數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)化以及視頻高清技術(shù)的發(fā)展，使得相關(guān)設(shè)備所占用的空間更小、功耗更低、圖像更清晰S、管理更便捷、運(yùn)行更安全，同時(shí)隨著動(dòng)態(tài)圖像分析技術(shù)在視頻管理軟件發(fā)展（如車牌識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別、面部識(shí)別等技術(shù)），數(shù)字視頻技術(shù)在核電廠實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)中將得到更大范圍的應(yīng)用，為核電廠安全運(yùn)行提供越來(lái)越多的保障。

[1] 核實(shí)施實(shí)物保護(hù)（核安全導(dǎo)則 HAD501/02）.