水電站網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅 微，張二林，彭 倞

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用主要包括設(shè)備監(jiān)控、水庫(kù)大壩監(jiān)控和安防監(jiān)控3個(gè)方面。目前在水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建中應(yīng)用最廣泛的是以嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)字硬盤錄像機(jī)為核心的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前端采集設(shè)備（包括模擬攝像機(jī)、鏡頭、編碼器、云臺(tái)、護(hù)罩、支架等）分別布置在水電站主廠房、副廠房、進(jìn)水口、地面變電站、大壩等各重要生產(chǎn)部位。距離中心站較近的前端設(shè)備采用視頻電纜、控制電纜、電源電纜傳輸信號(hào)，距離中心站較遠(yuǎn)的前端設(shè)備采用光纜傳輸信號(hào)，傳輸設(shè)備采用視頻光端機(jī)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的采集設(shè)備、傳輸設(shè)備仍然為模擬方式，設(shè)置在監(jiān)控中心的嵌入式硬盤錄像機(jī)（DVR）以數(shù)字方式進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的壓縮、控制、顯示和存儲(chǔ)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有模擬監(jiān)控系統(tǒng)無可比擬的處理能力和處理速度，但該系統(tǒng)也存在以下缺點(diǎn)：CCD等視頻信號(hào)的采集、壓縮、通信較為復(fù)雜，可靠性不高；前端信息的采集跟模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)相同，布線復(fù)雜，成本高；圖像遠(yuǎn)傳僅局限在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸；功耗大，環(huán)境適應(yīng)能力差。

2 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

水電站網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端視頻采集部分、網(wǎng)絡(luò)通信部分和監(jiān)控中心部分組成。前端視頻采集設(shè)備安裝在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)將采集到的信號(hào)進(jìn)行視頻編碼和本地存儲(chǔ)，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。前端視頻采集設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，也可以由模擬攝像機(jī)加上網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器組成。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器分布在網(wǎng)絡(luò)上的各處，每臺(tái)服務(wù)器連接多臺(tái)攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器將攝像機(jī)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，然后將編碼后的碼流通過網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)通信部分由路由器、交換機(jī)、防火墻、通信線路等設(shè)備組成。通信線路主要由同軸電纜、雙絞線、光纖及視頻光端機(jī)等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)通信部分負(fù)責(zé)將采集到的視頻信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的主控設(shè)備。監(jiān)控中心設(shè)備有以太網(wǎng)交換機(jī)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）和視頻管理服務(wù)器等。NVR以數(shù)字設(shè)備為前端，直接對(duì)數(shù)字視頻流信號(hào)進(jìn)行處理。視頻管理服務(wù)器負(fù)責(zé)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理，網(wǎng)絡(luò)視頻的存儲(chǔ)，視頻的多級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，前端設(shè)備的多級(jí)控制，前端設(shè)備的集中管理，用戶的集中管理等功能。監(jiān)控終端由監(jiān)控工作站和電視墻等終端顯示設(shè)備組成。監(jiān)控終端通過客戶端軟件或標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器訪問監(jiān)控管理服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)多畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)云臺(tái)，還可以調(diào)看管理服務(wù)器所存儲(chǔ)的數(shù)字化錄像文件。該網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)或光纖通道上傳至上級(jí)監(jiān)控中心，以便上級(jí)監(jiān)控中心值班人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮和調(diào)度監(jiān)控。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)同現(xiàn)有數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比具有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。①布線簡(jiǎn)單，施工方便，具有先進(jìn)的數(shù)字錄像存儲(chǔ)功能，可直接將前端數(shù)字信號(hào)以IP包形式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸；②NVR比DVR使用起來更加方便快捷、適應(yīng)性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加可靠安全，在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面更具優(yōu)勢(shì)。另外，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種完全基于IP網(wǎng)絡(luò)，采用Browser/Server結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新一代綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地通過以太網(wǎng)接入水電站已存在的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。③網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，擴(kuò)容時(shí)可在原有系統(tǒng)不作任何改動(dòng)的前提下接入新系統(tǒng)，大大降低擴(kuò)容成本。

2.2 主要設(shè)備的選擇

水電站作為工業(yè)環(huán)境，環(huán)境因素比較復(fù)雜，在選擇設(shè)備和傳輸線纜時(shí)要充分考慮水電站的環(huán)境特點(diǎn)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

2.2.1 前端視頻采集設(shè)備

前端視頻采集設(shè)備負(fù)責(zé)完成視頻圖像的采集和控制命令的執(zhí)行等工作。前端視頻采集設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、模擬攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)利用網(wǎng)線傳輸，擁有自己的IP地址，可不借助計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作。局域網(wǎng)及廣域網(wǎng)上的用戶只要使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以根據(jù)IP地址訪問網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，觀看通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)圖像，還可以對(duì)鏡頭、云臺(tái)進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要包括網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)高速球機(jī)、網(wǎng)絡(luò)紅外攝像機(jī)等。在選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)時(shí)除了要考慮最低照度、鏡頭焦距的大小等攝像機(jī)的基本指標(biāo)外，還應(yīng)考慮到像素、編碼壓縮格式、視頻輸出接口和碼率等技術(shù)參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器包括一個(gè)或多個(gè)模擬視頻輸入口、視頻轉(zhuǎn)換和壓縮芯片、嵌入式操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)口，它的功能是將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，將數(shù)字視頻傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器工作穩(wěn)定、安全可靠、便于在有限空間內(nèi)安裝。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器能彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在使用時(shí)鏡頭和機(jī)身功能的限制，可以成功地將模擬攝像機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。對(duì)于改造系統(tǒng)，通過將傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化改造。選擇網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的關(guān)鍵是該產(chǎn)品能否適應(yīng)用戶的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，應(yīng)重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)壓縮格式、操作系統(tǒng)、傳輸帶寬、視頻幀率、通信協(xié)議和終端串行端口等技術(shù)參數(shù)。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線纜包括同軸電纜、雙絞線、光纜、控制電纜和電源電纜等。這些傳輸線纜大部分需要與強(qiáng)電電纜、控制電纜共同敷設(shè)在電纜溝或電纜橋架中，交變磁場(chǎng)會(huì)在同軸電纜傳輸?shù)囊曨l信號(hào)上疊加電壓信號(hào)，使視頻圖像出現(xiàn)干擾條紋。采用雙絞線能抵消此類干擾，保證視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。光纖采用光信號(hào)進(jìn)行傳輸，不受強(qiáng)電強(qiáng)磁的干擾。因此此系統(tǒng)主要采用光纖和雙絞線兩種介質(zhì)對(duì)視頻圖像進(jìn)行傳輸。對(duì)于前端視頻采集設(shè)備和監(jiān)控中心之間距離小于100 m的區(qū)域直接采用雙絞線傳輸視頻信號(hào)，在100～600 m的區(qū)域采用雙絞線加上一對(duì)雙絞線視頻信號(hào)傳輸器來傳輸視頻信號(hào)。對(duì)于距離超過600 m的區(qū)域和干擾較大的前端視頻采集設(shè)備采用光纖傳輸視頻信號(hào)。視頻光端機(jī)是將視頻信號(hào)與光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。視頻光端機(jī)一般成對(duì)使用，分為光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。在選擇視頻光端機(jī)時(shí)應(yīng)考慮視頻路數(shù)、信號(hào)制式、編碼技術(shù)、數(shù)據(jù)格式及信噪比等技術(shù)參數(shù)。

2.2.3 監(jiān)控中心設(shè)備

監(jiān)控中心設(shè)備主要包括嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）、以太網(wǎng)交換機(jī)、和視頻管理服務(wù)器。

嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）基于嵌入式架構(gòu)，采用linux或其他嵌入式操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，安全性較高。嵌入式NVR所有核心元器件集成在單張PCB板上，耦合度低，穩(wěn)定性高，成本低。嵌入式NVR采用專用的DSP芯片進(jìn)行視頻解碼，解碼能力強(qiáng)、解碼路數(shù)多，解碼顯示時(shí)延小。嵌入式NVR網(wǎng)絡(luò)視頻輸入為16路（以上），支持HDMI，VGA，CVBS同時(shí)輸出，HDMI與VGA輸出分辨率最高均可達(dá)到1920×1080 p，同時(shí)裝置大容量硬盤，并設(shè)硬盤接口，網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口，可滿足海量存儲(chǔ)要求。嵌入式NVR應(yīng)支持主流品牌網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的預(yù)覽、存儲(chǔ)和點(diǎn)播；支持最大16路720 p同步回放及多路同步倒放；支持重要錄像文件加鎖保護(hù)功能；支持網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)、負(fù)載均衡以及雙網(wǎng)絡(luò)IP設(shè)定等應(yīng)用。

選用智能型快速工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成10 M/100 M/1000 M自適應(yīng)交換式工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速率1000 Mbps，各節(jié)點(diǎn)使用光口或RJ 45電口直接連到交換機(jī)上。提供增強(qiáng)的服務(wù)質(zhì)量和組播管理特性，具有良好的可管理性和安全性，可以創(chuàng)建靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地址的訪問權(quán)限，為管理員提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問的強(qiáng)大控制能力。

視頻管理服務(wù)器采用嵌入式設(shè)備或高性能工控機(jī)。視頻管理服務(wù)器負(fù)責(zé)接收前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集到的視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。視頻管理服務(wù)器可通過攝像機(jī)的IP地址遠(yuǎn)程登錄不同的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的管理界面，對(duì)攝像機(jī)的時(shí)鐘、圖像亮度、對(duì)比度以及碼流速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。此外，視頻管理服務(wù)器還應(yīng)具備用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、完成對(duì)所有操作及狀態(tài)的日志管理等功能。

3 結(jié)語

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用，可以輔助安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)管理成本，提高工作效率，并可納入電廠SIS,MIS信息管理平臺(tái)，是水電站集中管理必不可少的一部分。此文通過對(duì)現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)合水電站的特點(diǎn)提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案可應(yīng)用于新建水電站和舊電站改造工程中。此方案對(duì)同類水電站工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價(jià)值。

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