省級視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

楊曉旭，陳西海

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

隨著電力企業(yè)自動化建設(shè)和改造不斷發(fā)展與完善，電力企業(yè)為了提高勞動生產(chǎn)率，增加經(jīng)濟效益，變電站開始實施“無人值班、少人值守”的運行管理模式，如何保證設(shè)備運行的安全性和可靠性成為首要的、關(guān)鍵的問題。隨著監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像信息的交換已得到廣泛應(yīng)用。變電站系統(tǒng)的四遙功能（遙控、遙信、遙測、遙感）已經(jīng)無法滿足無人值守的要求，增加遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能真正實現(xiàn)對無人值守變電站的現(xiàn)代化的科學(xué)管理和維護。通過圖像結(jié)合遠(yuǎn)程和本地人員操作經(jīng)驗的優(yōu)勢，避免誤操作。通過圖像監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，起到預(yù)警和保護的作用。還可以配合其他系統(tǒng)（如變電站綜合自動化系統(tǒng)等）的工作。

當(dāng)前，為了加強對重要變電站及無人值守變電站在安全生產(chǎn)、防盜保安、火警監(jiān)控等方面的綜合管理水平，實現(xiàn)創(chuàng)一流的目標(biāo)，越來越多的電力企業(yè)借助視頻監(jiān)控監(jiān)視變電站設(shè)備運行狀態(tài)以及現(xiàn)場情況，以減輕現(xiàn)場人員的勞動量和勞動強度，及時發(fā)現(xiàn)各種危險狀況，制止事故的發(fā)生。但由于變電站的地域分散性，各變電站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都是分散、孤立的，沒有形成一個統(tǒng)一體，沒有實現(xiàn)集中運行、集中監(jiān)控[1]。為了充分地發(fā)揮視頻監(jiān)控的優(yōu)越性，解決現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的孤島現(xiàn)象，在現(xiàn)有的系統(tǒng)上建設(shè)一套可將各孤立的系統(tǒng)聯(lián)合起來，實現(xiàn)可控、可管、可維護的全省聯(lián)網(wǎng)綜合視頻監(jiān)控平臺已成為當(dāng)前電力企業(yè)迫切需求。

1 實現(xiàn)全省聯(lián)網(wǎng)存在問題和困難

1.1 地域分布廣且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架復(fù)雜

電力行業(yè)變電站多數(shù)呈分散式分布，且很多地理位置處于人煙稀少的地方。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，給視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了困難。傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式通常只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，系統(tǒng)的擴展能力差，而且無法形成有效的集中式報警聯(lián)動定制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也無法得到保障。

1.2 圖像處理設(shè)備并發(fā)傳輸能力有限

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中主要使用嵌入式硬盤錄像機（DVR），進行圖像存儲處理，DVR具有對圖像、語音進行長時間錄像、錄音、遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的功能。目前，視頻監(jiān)控客戶端主要采取直連的方式與DVR進行通信，而對于一臺DVR，其硬件資源有限，一個圖像通道只能同時支持少量（小于6路）的視頻監(jiān)控客戶端同時訪問。由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)分散、孤立于各個變電站中，視頻監(jiān)控客戶端使用數(shù)量較少，圖像設(shè)備同時支持視頻監(jiān)控客戶端少的問題并不突出。如果實現(xiàn)全省聯(lián)網(wǎng)，視頻監(jiān)控客戶端使用數(shù)量必然大大增加，特別是在發(fā)生緊急情況下，更多的視頻監(jiān)控客戶端需要同時訪問同一通道。如何解決圖像設(shè)備不能滿足多個視頻監(jiān)控客戶端同時訪問的問題已成為實現(xiàn)全省聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵之一。

1.3 網(wǎng)絡(luò)流量大

1路CIF格式的圖像需占用約0.5 M的帶寬，1路D1格式的圖像需占用約1.5 M的帶寬，而各變電站只提供一路2M的帶寬，限制了變電站并發(fā)圖像流只能到達最多1路D1圖像或4路CIF圖像，因此2 M的帶寬制約變電站視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的開展，形成了圖像流傳輸?shù)钠款i，無法滿足更多用戶的使用。隨著圖像技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)高清攝像機已成為未來主要產(chǎn)品，其對網(wǎng)絡(luò)性能的要求更高。要實現(xiàn)視頻監(jiān)控的全省聯(lián)網(wǎng)，滿足更多用戶同時在線監(jiān)視現(xiàn)場的情況。在不改變現(xiàn)有資源，盡量減少成本的前提下，解決圖像流傳輸瓶頸的問題成為實現(xiàn)全省聯(lián)網(wǎng)的又一個關(guān)鍵。

2 全省聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體框架

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)按省級、地區(qū)級、監(jiān)控中心三級構(gòu)建。將若干個無人值守變電站劃歸到一個監(jiān)控中心下，多個監(jiān)控中心接入地區(qū)及系統(tǒng)，多個地區(qū)級系統(tǒng)接入省級系統(tǒng)的多級分布式部署結(jié)構(gòu)。分級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全省聯(lián)網(wǎng)分級結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息維護，同時對本級客戶端進行服務(wù)，并通過數(shù)據(jù)同步方式同步到地區(qū)級和省級系統(tǒng)中。不同級別的系統(tǒng)管控不同的范圍，上層系統(tǒng)繼承下層系統(tǒng)可管控的監(jiān)控點，監(jiān)控中心只能管控接入到該監(jiān)控中心的監(jiān)控點，地區(qū)級系統(tǒng)可管控其所有下級監(jiān)控中心的監(jiān)控點，而省級系統(tǒng)可以管控所有的監(jiān)控點。各級監(jiān)控范圍如圖2所示。各級系統(tǒng)之間互不干擾，各自使用本級的資源。任一級系統(tǒng)出險故障不影響其他級系統(tǒng)的正常運行。

圖2 各級監(jiān)控范圍示意圖

2.2 視音頻流轉(zhuǎn)發(fā)

視音頻流轉(zhuǎn)發(fā)是當(dāng)客戶端請求圖像流數(shù)據(jù)時，由轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器從DVR獲取視音頻流數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)傳送給多個客戶端。不同級的客戶端由其所在級的視音頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)[2]。視音頻流轉(zhuǎn)發(fā)傳輸方式如圖3所示。

圖3 視音頻流轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

由圖3可以看出，同級的多個客戶端同時訪問DVR的同一通道時，轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和DVR只建立一條鏈路來獲取視音頻數(shù)據(jù)，然后由轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器將視音頻流數(shù)據(jù)分發(fā)給各客戶端。對于三級構(gòu)架的視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，同時連接DVR同一通道的最多鏈路只有3條，從而有效解決了視音頻處理設(shè)備并發(fā)傳輸能力有限的問題。同時采用視音頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的方法亦解決了不同網(wǎng)段傳輸視音頻流的問題，從而最大限度地保護用戶原始網(wǎng)絡(luò)方面的投資。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶要求，轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器可采用單播、組播、廣播等不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式，以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時盡量少地占用網(wǎng)絡(luò)資源。由于采用了多級分布式部署，客戶端請求的圖像數(shù)據(jù)是由其所在級的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器來處理的。因此可對視音頻流數(shù)據(jù)進行有效的分流，由多臺轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器共同承擔(dān)傳輸任務(wù)，可有效地減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，解決了由于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限而圖像流數(shù)據(jù)占用網(wǎng)絡(luò)資源大的問題。

2.3 負(fù)載均衡

負(fù)載均衡是建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，它提供了一種廉價有效透明的方法擴展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性[3]。

對于一臺轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器而言，其處理數(shù)據(jù)的能力也是有限的，為了能更快地響應(yīng)客戶端的請求，更穩(wěn)定地傳輸高質(zhì)量的圖像流數(shù)據(jù)，對于監(jiān)控中心，其需要設(shè)立的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的數(shù)量要根據(jù)管控的監(jiān)控點和用戶數(shù)量來確定。如果某一監(jiān)控中心設(shè)立了多臺轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，則不指定某一轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器管控的范圍，而是根據(jù)當(dāng)前客戶端請求量來動態(tài)分配。在多臺轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器間采用自動分配（Auto Mode）軟負(fù)載均衡處理，以避免某一轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器因為轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)過重而帶來的響應(yīng)慢、數(shù)據(jù)丟失甚至服務(wù)器宕機等問題。

2.4 工程數(shù)據(jù)同步

區(qū)域級乃至省級視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)面臨的一個重大問題就是工程數(shù)據(jù)的維護，在電力系統(tǒng)，變電站分布廣泛，而且每年新建以及改造的變電站眾多。以往在下級監(jiān)控中心增加的監(jiān)控點信息，必須同步在上級系統(tǒng)中重新錄入，漏錄、錯錄的概率非常大。為解決這一問題，作為多級監(jiān)控系統(tǒng)，必須實現(xiàn)自下而上的數(shù)據(jù)同步功能，否則就會造成工程數(shù)據(jù)的多次錄入與維護，給各級運行和維護人員帶來巨大的工作量。為實現(xiàn)上級系統(tǒng)的免維護功能，設(shè)計和開發(fā)了工程數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了在下級系統(tǒng)中進行工程數(shù)據(jù)的維護時，自動同步推送到上級系統(tǒng)，上級系統(tǒng)自動同步后，會提示運維人員確認(rèn)同步的信息，并自動重新刷新內(nèi)存中的實時工程數(shù)據(jù)，從而減輕了省級、市級的工程維護量。

該方法利用了分布式數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)同步技術(shù)，系統(tǒng)在部署時首先定義好多級系統(tǒng)的上下級關(guān)系，下級系統(tǒng)需要同步推送的上級系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)信息，多個上級系統(tǒng)需要預(yù)先定義好優(yōu)先級。當(dāng)下級監(jiān)控中心的工程數(shù)據(jù)更新、修改、刪除時，同步程序會緩存這些信息，同時根據(jù)預(yù)先定義好的規(guī)則，實時同步到上級系統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫，同時更新上級系統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。當(dāng)上下級網(wǎng)絡(luò)中斷或上級系統(tǒng)停運時，同步系統(tǒng)會不斷查詢上級系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并把中斷期間的所有更新、修改、刪除的工程數(shù)據(jù)進行存儲，當(dāng)上級系統(tǒng)恢復(fù)運行后，下級系統(tǒng)會自動把所有需要同步地數(shù)據(jù)及時的更新到上級系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)了上級系統(tǒng)的免維護功能。

3 結(jié)束語

本文提出了采用多級分布式部署、圖像流轉(zhuǎn)發(fā)、負(fù)載均衡等方法實現(xiàn)電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全省聯(lián)網(wǎng)。利用本文提出的設(shè)計方案，開發(fā)了應(yīng)用于區(qū)域性視頻監(jiān)控的聯(lián)網(wǎng)的管理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于河北省南部電網(wǎng)的全省變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)等多個大聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心。河北省南部電網(wǎng)轄6個市、一個超高壓局、一個風(fēng)電管理中心；轄區(qū)裝設(shè)有視頻監(jiān)控的變電站共610個，需要接入的攝像機為6200個。自全省變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工程投運以來，實現(xiàn)了河北省南部電網(wǎng)所轄變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，統(tǒng)一監(jiān)視，統(tǒng)一管理，良好的系統(tǒng)架構(gòu)、簡單的功能操作、豐富的人機界面以及良好的用戶體驗得到了用戶的充分認(rèn)可。

[1]郭麗紅，楊 潔，郝慧珍.電力遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].南京工程學(xué)院學(xué)報，2006(3):11.

[2]姜 琴，王 林，馬 勇.基于P2P技術(shù)的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2008，04(9)：24-27.

[3]王 琴.基于負(fù)載均衡的網(wǎng)格工作流調(diào)度算法的研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2009.