基于WPON和SIP協(xié)議的高清視頻智能平臺(tái)應(yīng)用

王世文，謝 波

(河南省電力通信自動(dòng)化公司，河南 鄭州 450052)

責(zé)任編輯:任健男

0 引言

隨著國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃，電力通信網(wǎng)數(shù)字化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了智能變電站的興起，而且智能變電站對(duì)視頻監(jiān)控的需求越來越高，高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在未來將會(huì)全力支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展［1］。2010年，國家電網(wǎng)公司頒布《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》規(guī)范［2］，進(jìn)一步規(guī)范了全網(wǎng)各視頻監(jiān)控站點(diǎn)和各級(jí)監(jiān)控中心的建設(shè)模式和標(biāo)準(zhǔn)，將推動(dòng)電力行業(yè)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展。

1 WOPN無源光網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

高清視頻監(jiān)控的視頻畫質(zhì)清晰、成像分辨力高，調(diào)閱多個(gè)高清攝像機(jī)監(jiān)控點(diǎn)的視頻，需要足夠大的帶寬，高清攝像機(jī)即使采用H.264等高壓縮比的算法壓縮后依然需要多達(dá)每路數(shù)兆的帶寬，勢(shì)必造成電力專網(wǎng)廣域網(wǎng)系統(tǒng)的帶寬的瓶頸，很大程度上限制了“企業(yè)級(jí)”大規(guī)模高清視頻應(yīng)用，電力專網(wǎng)帶寬需求是高清視頻發(fā)展迫切需要解決的問題之一。WPON無源光網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前光通信行業(yè)內(nèi)的前沿技術(shù)，其將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在PON中［3］，為高清視頻監(jiān)控提供了專用IP網(wǎng)絡(luò)通道，很好地解決了傳輸帶寬的問題，具有以下優(yōu)勢(shì):

1)WPON具有高速率、支持多業(yè)務(wù)、傳輸距離遠(yuǎn)、擴(kuò)展性和擴(kuò)容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合電力專網(wǎng)變電站群遠(yuǎn)距接入IP業(yè)務(wù)的需求，適合大顆粒IP數(shù)據(jù)包的傳送。

2)WPON具備智能電網(wǎng)通信所要求的高速雙向、高可靠性、高帶寬的特點(diǎn)，在雙鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多斷點(diǎn)條件下的光網(wǎng)絡(luò)自愈功能。

3)WPON系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)完全透明，無需任何封裝協(xié)議，各波長(zhǎng)相互獨(dú)立工作，同一PON口下所有ONU物理隔離，所承載的業(yè)務(wù)之間采用專業(yè)交換芯片進(jìn)行物理隔離，具有極高的安全性。

4)WPON網(wǎng)管系統(tǒng)可以進(jìn)行靈活的業(yè)務(wù)、安全、通道及設(shè)備維護(hù)等綜合管理，在實(shí)際應(yīng)用中組網(wǎng)靈活、維護(hù)方便。

2 高清視頻智能平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架

基于WPON和SIP協(xié)議的變電站高清視頻智能監(jiān)控平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)的架構(gòu)，將平臺(tái)分為4層，由下至上分別為接入層、交換層、核心層和業(yè)務(wù)層。基于軟交換的視頻監(jiān)控統(tǒng)一通信平臺(tái)分層架構(gòu)見圖1。

圖1 基于軟交換的視頻監(jiān)控平臺(tái)分層架構(gòu)

2.1 接入層

接入層主要包括前端系統(tǒng)各個(gè)廠商的視頻服務(wù)器(DVS)、硬盤錄像機(jī)(DVR)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(SIP協(xié)議)、各類報(bào)警輸入/輸出裝置和輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)格式的前端系統(tǒng)或設(shè)備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為符合國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)標(biāo)中定義的標(biāo)準(zhǔn)接口接入平臺(tái)，并通過WPON無源光網(wǎng)絡(luò)與平臺(tái)連接，對(duì)于前端標(biāo)準(zhǔn)的SIP高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)無須經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)直接接入平臺(tái)。

2.2 交換層

傳輸網(wǎng)絡(luò)由WPON無緣光網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備與千兆交換機(jī)交換設(shè)備組成，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的承載基礎(chǔ)。交換層將各系統(tǒng)設(shè)備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，把信令控制協(xié)議統(tǒng)一為SIP協(xié)議，把媒體控制協(xié)議統(tǒng)一為RTCP和RTSP協(xié)議，把媒體傳輸協(xié)議統(tǒng)一為RTP協(xié)議［4－5］，將數(shù)據(jù)封裝傳輸轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的音視頻數(shù)據(jù)接入統(tǒng)一平臺(tái)。

2.3 核心層

核心層主要由軟交換服務(wù)單元、流媒體回放服務(wù)單元、錄像存儲(chǔ)服務(wù)單元、媒體轉(zhuǎn)發(fā)分發(fā)服務(wù)單元、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)單元、Web服務(wù)單元、認(rèn)證服務(wù)單元和輸電線數(shù)據(jù)分析服務(wù)單元等組成，完成呼叫的認(rèn)證、建立及媒體流存儲(chǔ)、分發(fā)等相應(yīng)功能，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)。

2.4 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層主要包括監(jiān)控中心視頻客戶端、維護(hù)客戶端、應(yīng)急指揮中心客戶端、IE通用客戶端、SIP協(xié)議可視話機(jī)、多媒體終端等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體信息的展示、監(jiān)控和對(duì)多業(yè)務(wù)平臺(tái)的管理功能。與多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)、IP視頻會(huì)議系統(tǒng)、軟交換系統(tǒng)、WiFi/3G手機(jī)、程控交換機(jī)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，達(dá)到統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理的目的。

3 智能平臺(tái)協(xié)議交互流程

省級(jí)視頻監(jiān)控平臺(tái)通過電力信息網(wǎng)與地市供電公司視頻監(jiān)控平臺(tái)互聯(lián)，地市供電公司視頻平臺(tái)與變電站通過WPON無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。智能視頻監(jiān)控平臺(tái)基于SIP會(huì)話初始協(xié)議，它是由IETF組織提出的在IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多媒體通信的應(yīng)用層控制協(xié)議，以下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)SIP協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能電網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)能夠承載高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量［6］，平臺(tái)間采用符合國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》的規(guī)范要求設(shè)計(jì)。

軟交換服務(wù)器完成SIP協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)和路由，AAA認(rèn)證服務(wù)器完成用戶認(rèn)證和鑒權(quán)，管理服務(wù)單元實(shí)現(xiàn)各服務(wù)單元、接入前端設(shè)備用戶的管理及對(duì)服務(wù)器的訪問，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元完成前端設(shè)備接入，轉(zhuǎn)發(fā)分發(fā)服務(wù)單元完成媒體轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā);流媒體服務(wù)單元實(shí)現(xiàn)媒體流式回放，錄像服務(wù)單元實(shí)現(xiàn)媒體集中存儲(chǔ)。軟交換協(xié)議平臺(tái)組成單元及協(xié)議見圖2。

圖2 軟交換協(xié)議平臺(tái)組成單元及協(xié)議

平臺(tái)各組成部分基于指定的協(xié)議攜帶交互信息，完成UA(平臺(tái)內(nèi)軟件以及客戶端軟件)注冊(cè)和注銷，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元注冊(cè)和注銷，訪問實(shí)時(shí)音視頻和結(jié)束實(shí)時(shí)音視頻，開始和結(jié)束錄像，開始和結(jié)束回放等功能［7］。圖3是以協(xié)議轉(zhuǎn)換單元注冊(cè)說明各功能單元如何通過SIP協(xié)議傳遞注冊(cè)流程信息。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元注冊(cè)流程

4 高清視頻接入方案

視頻監(jiān)控統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)主要由軟交換服務(wù)器、認(rèn)證服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、Web服務(wù)器、電視墻服務(wù)器、監(jiān)控客戶端、管理客戶端等主要設(shè)備組成，提供各種遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控所需功能，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的統(tǒng)一服務(wù)［8］。平臺(tái)可以通過客戶端工作站和大屏幕電視墻同步實(shí)時(shí)顯示變電站視頻圖像信息［9］，高清視頻組成結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 高清視頻組成結(jié)構(gòu)圖(截圖)

4.1 變電站原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入

前端變電站原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的各個(gè)不同廠家、不同型號(hào)的硬盤錄像機(jī)(DVR)或視頻服務(wù)器(DVS)、IP攝像機(jī)和控制設(shè)備通過內(nèi)部局域網(wǎng)與協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)相連。變電站視頻監(jiān)控端通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的RTP將視頻數(shù)據(jù)流發(fā)給監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過SIP(RTCP，RTSP)向變電站視頻監(jiān)控端發(fā)送控制和操作命令。實(shí)現(xiàn)用戶訪問遠(yuǎn)端不同視頻廠家的攝像機(jī)和對(duì)遠(yuǎn)端攝像機(jī)的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2 變電站高清視頻監(jiān)控接入

在變電站龍門架設(shè)計(jì)位置安裝高清攝像機(jī)以及傳感系統(tǒng)，變電站是強(qiáng)電磁環(huán)境，對(duì)前端高清攝像機(jī)設(shè)備的抗干擾性要求嚴(yán)格，變電站現(xiàn)場(chǎng)具有強(qiáng)電磁場(chǎng)和傳輸距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，高清攝像機(jī)采用光纖接口輸出視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控可解決電磁干擾和傳輸距離問題。前端變電站部署的高清攝像頭設(shè)備通過內(nèi)部局域網(wǎng)與協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)對(duì)其私有信令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把控制協(xié)議統(tǒng)一為SIP協(xié)議，把媒體控制協(xié)議統(tǒng)一為RTCP和RTSP協(xié)議，把媒體傳輸協(xié)議統(tǒng)一為RTP協(xié)議，并將數(shù)據(jù)封裝通過WPON傳輸至上級(jí)主站中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控的接入。

4.3 輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入

輸電線檢測(cè)系統(tǒng)集成了各種氣象條件參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，將線路導(dǎo)線的重量變化、絕緣子的傾斜角/風(fēng)偏角以及桿塔受力變化等參數(shù)實(shí)時(shí)采集后，進(jìn)行壓縮處理，通過WLAN無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至平臺(tái)，智能平臺(tái)進(jìn)行微氣象數(shù)據(jù)、覆冰載荷、覆冰生長(zhǎng)機(jī)理、導(dǎo)線舞動(dòng)、桿塔和金具強(qiáng)度等參數(shù)的分析，結(jié)合智能軟件和各種修正理論模型給出冰情預(yù)報(bào)，及時(shí)給出除冰信息，計(jì)算出覆冰危害程度，讓生產(chǎn)部門及時(shí)準(zhǔn)確地了解氣象預(yù)報(bào)盲區(qū)或局部地區(qū)的氣象狀況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，采用聲、光報(bào)警，最終使高清視頻平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)智能分析傳感器采集信息與圖像之間的聯(lián)動(dòng)，提高對(duì)變電站發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急處置能力。

5 結(jié)束語

數(shù)字圖像處理技術(shù)、傳輸通信技術(shù)、多媒體技術(shù)以及智能分析技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了智能化變電站高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，以WPON無源光網(wǎng)絡(luò)大帶寬傳輸通道為依托、SIP協(xié)議軟交換為構(gòu)架，構(gòu)建視頻智能化、網(wǎng)絡(luò)寬帶化、集成平臺(tái)化、圖像高清化的高清視頻監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)變電站視頻圖像信息多級(jí)共享，為電力企業(yè)帶來潛在的經(jīng)濟(jì)效益。

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