水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江玉才 ，余 陽(yáng) ，瞿楊繼 ，陶青川 ，鮑 江

(1. 重慶市水利信息中心，重慶 404100；2. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064 ）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利事業(yè)的全面推進(jìn)，水利信息化逐步深入，目前已成為水利現(xiàn)代化的技術(shù)支撐和重要推動(dòng)力量。水利圖像視頻監(jiān)控[1]作為水利信息化的重要內(nèi)容，在水利水資源管理方面發(fā)揮著重要作用。目前水利圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用數(shù)字視頻處理編碼技術(shù)，對(duì)水雨情、工災(zāi)情等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖像視頻采集錄像與傳輸存儲(chǔ)，這類系統(tǒng)存在一個(gè)主要問題：“重硬件采集”、“輕數(shù)據(jù)處理”，無法發(fā)揮圖像視頻信息的內(nèi)在價(jià)值[2-3]。監(jiān)控系統(tǒng)的分析判斷主要依靠人工完成，存在漏報(bào)誤報(bào)率較高、反應(yīng)不及時(shí)、智能化程度不高等問題，導(dǎo)致圖像視頻信息無法真正發(fā)揮使用價(jià)值。同時(shí)，水利圖像視頻監(jiān)控存在較多的野外水資源管理對(duì)象，傳統(tǒng)的圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信存在較大的限制。鑒于此，提出一種水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用 3G 網(wǎng)絡(luò)[4]改善野外視頻監(jiān)控的通信，利用圖像處理、人工智能等技術(shù)建立圖像視頻特征與水文水資源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及水利工程運(yùn)行狀況的關(guān)系與數(shù)學(xué)模型，通過智能計(jì)算較準(zhǔn)確得到水雨情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)水利工程運(yùn)行的異常情況進(jìn)行自動(dòng)分析判斷與報(bào)警。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由前端和中心監(jiān)控 2 部分構(gòu)成，前端部分安裝在需要監(jiān)控的水資源管理對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)（取水口、水源地、水功能區(qū)、排污口等），中心部分安裝在水資源管理部門的機(jī)房，兩者通過 3G 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 前端部分

系統(tǒng)前端部分由供電、無線通信、視頻采集及智能視頻處理等模塊組成，同時(shí)，配置一些必要的防雷、防雨雪等輔助設(shè)備。其中，供電模塊根據(jù)水資源監(jiān)控點(diǎn)處的實(shí)際情況分成 2 類，一類直接采用市電作為供電來源，另一類則采用太陽(yáng)能作為供電來源；無線通信模塊要求能夠支持 CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA 幾種網(wǎng)絡(luò)通信方式；視頻采集模塊采用帶云臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，輸出數(shù)字視頻圖像并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸；智能視頻處理模塊采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為分析設(shè)備，并配以智能分析軟件，該模塊是視頻監(jiān)控的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源關(guān)鍵信息的自動(dòng)智能分析，并完成與中心段的信息交互。

1.1.2 中心部分

系統(tǒng)中心部分由部署在水資源管理部門機(jī)房的服務(wù)器及安裝在其上的分析軟件組成，主要完成對(duì)多個(gè)前端部分的管理，接收前端信息，查看、存儲(chǔ)視頻圖像并實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的處理。

1.2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 前端部分設(shè)計(jì)

1）供電模塊。設(shè)計(jì)供電模塊時(shí)，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，一般直接采用市電作為供電來源。如果部分野外水資源點(diǎn)比較偏僻，沒有相應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電；當(dāng)水資源點(diǎn)附近有市電基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，則采用市電作為用電來源。

針對(duì)采用市電作為用電來源的前端部分，電源供電方式應(yīng)采用 TN-S 制式。當(dāng)電壓波動(dòng)超出 3%～5% 的范圍時(shí)，采用穩(wěn)壓電源裝置，穩(wěn)壓裝置的標(biāo)稱功率不得小于系統(tǒng)使用功率的 1.5 倍。

對(duì)于采用太陽(yáng)能供電模塊[5]的部分，太陽(yáng)能供電模塊由蓄電池組、控制器組及太陽(yáng)能光伏板等器件組成。需根據(jù)實(shí)際工作時(shí)的用電功率、時(shí)間需求，以及水資源點(diǎn)處的日照時(shí)間、陰雨天數(shù)等情況，合理設(shè)計(jì)太陽(yáng)能供電模塊。由于野外環(huán)境的影響，蓄電池組需要具有安全可靠、比能量高、內(nèi)阻小、自放電率低、充電接受能力強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、密封反應(yīng)效率高等特點(diǎn)，蓄電池容量需要考慮陰雨天情況下的供電需求。太陽(yáng)能光伏板由多塊單晶硅太陽(yáng)電池串聯(lián)構(gòu)成，采集功率需要滿足前端所有用電模塊的功率需求，以及用電和日照時(shí)間的影響。

2）無線通信模塊。系統(tǒng)采用 3G 網(wǎng)絡(luò)完成前端和中心部分之間的通信。第 3 代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種能夠提供多種類型、高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百 kbit/s 以上，在準(zhǔn)靜止條件下能達(dá)到 2 Mbit/s 的速率[6]。國(guó)內(nèi)主要有 CDMA2000，WCDMA，TDSCDMA 3 種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的覆蓋范圍和信號(hào)強(qiáng)度也各有不同，因此，無線通信模塊在設(shè)計(jì)上需要能夠支持這幾種通信方式。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)控需要，無線通信模塊主要性能要求如下：a）內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，針對(duì) 3G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；b）提供 3G 無線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能，透明數(shù)據(jù)傳輸，為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供雙向大容量數(shù)據(jù)傳輸；c）自動(dòng)撥號(hào)連接，上電自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，具有掉線自動(dòng)重?fù)芄δ?；d）支持中心為固定或動(dòng)態(tài) IP；e）EMC 抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁惡劣環(huán)境應(yīng)用，支持 VPN 連接，保證安全的圖像視頻傳輸。

3）視頻采集模塊。視頻采集模塊包括高清數(shù)字彩色監(jiān)控?cái)z像機(jī)和云臺(tái)，彩色監(jiān)控?cái)z像機(jī)的主要功能是將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻圖像輸出；云臺(tái)則通過帶動(dòng)彩色監(jiān)控?cái)z像機(jī)水平與俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更大范圍的監(jiān)控，以及對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。

根據(jù)水利行業(yè)管理要求，攝像機(jī)應(yīng)具有高倍變焦功能，清晰度要達(dá)到 130 萬像素以上，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)幾十至 300 多 m 范圍的圖像清晰地采集和傳輸，同時(shí)具有紅外成像功能。支持全天侯（24 h）監(jiān)控，夜間自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑，并自動(dòng)開啟紅外燈照射；云臺(tái)由精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，反應(yīng)靈敏；360° 旋轉(zhuǎn)角度，水平旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到 12°/s；具有斷電記憶恢復(fù)功能；具有至少 64 個(gè)預(yù)置位任意存貯；支持 2 點(diǎn)之間左右掃描；支持 360° 掃描；支持看守位功能。

4）智能視頻處理模塊。完成對(duì)采集的視頻圖像的智能分析，并完成與中心監(jiān)控端的交互。野外環(huán)境條件比較惡劣，系統(tǒng)應(yīng)具有高穩(wěn)定性、可靠性和安全性，系統(tǒng)采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為分析設(shè)備，并配以智能分析軟件。

系統(tǒng)采用的嵌入式工控機(jī)的處理器、內(nèi)存、磁盤等技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合以下要求：處理器為雙核結(jié)構(gòu)，主頻 ≥1.6 GHz，內(nèi)存 ≥ 2 GB，磁盤空間≥300 GB；具備看門狗；至少 2 個(gè) RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口；至少 2 個(gè) USB 接口；至少 2 個(gè)串口；應(yīng)用環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為 -10～60℃；能抗沖擊和震動(dòng)；電源采用DC 220V；在出現(xiàn)斷電、死機(jī)、電源波動(dòng)等情況時(shí)，具有自動(dòng)恢復(fù)功能；整機(jī)質(zhì)量＜4.5 kg；可靠性指標(biāo)滿足 MTBF≥30000 h。

智能分析軟件對(duì)視頻采集模塊采集到的視頻圖像進(jìn)行分析，主要完成以下功能：

a）圖像增強(qiáng)功能。對(duì)低質(zhì)量圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，改善圖像視覺效果。

b）智能監(jiān)控分析功能。包括穿越警戒線檢測(cè)、進(jìn)入離開入侵區(qū)域檢測(cè)、重要水利設(shè)施搬移、視頻異常檢測(cè)等功能。

c）水利視頻專業(yè)分析功能。包括水位監(jiān)測(cè)、水面漂浮物觀測(cè)、流速監(jiān)測(cè)、含沙量與水色和天氣分析等功能。

d）視頻錄像存儲(chǔ)與告警功能?？蓪?duì)實(shí)時(shí)視頻信息進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)錄像存儲(chǔ)，或根據(jù)設(shè)定的事件、時(shí)間、地點(diǎn)等條件進(jìn)行存儲(chǔ)。支持對(duì)視頻信號(hào)異常（如移動(dòng)偵測(cè)、遮擋、強(qiáng)光照射、模糊等）和智能視頻分析等告警信息的處理，同時(shí)在系統(tǒng)中存儲(chǔ)告警信息，并向中心轉(zhuǎn)發(fā)。支持告警信息自動(dòng)觸發(fā)對(duì)視頻信息的記錄。

e）與中心平臺(tái)通信功能。支持控制信息、分析結(jié)果與告警信息的實(shí)時(shí)傳輸，支持視頻錄像的遠(yuǎn)程回放，支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

1.2.2 中心部分設(shè)計(jì)

中心部分由智能視頻圖像分析平臺(tái)軟件與運(yùn)行環(huán)境 2 部分組成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、用戶、視頻信息的管理功能。軟件主要由以下 3 部分構(gòu)成：

1）管理服務(wù)模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)前端部分的設(shè)備信息、工作狀況集中管理，能夠設(shè)置前端設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，完成前端分析、告警及截圖錄像等信息的記錄和查詢，通過數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)設(shè)備檔案、賬戶權(quán)限及運(yùn)行參數(shù)的管理。

2）視頻播放模塊。能夠根據(jù)管理服務(wù)模塊的信息連接前端設(shè)備，獲取前端視頻采集模塊的流媒體數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，支持單畫面（包括全屏）和多畫面模式的切換瀏覽，能夠遠(yuǎn)程對(duì)前端攝像機(jī)云臺(tái)進(jìn)行控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前端部分傳回的視頻圖像的播放。

3）視頻圖像處理模塊。針對(duì)視頻播放模塊中獲取的視頻圖像，進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像增強(qiáng)；對(duì)霧天、低照度、夜晚等圖像的效果進(jìn)行改善；能夠手動(dòng)完成遠(yuǎn)程圖像抓取、視頻錄?。桓鶕?jù)設(shè)定的條件對(duì)前端實(shí)時(shí)視頻信息進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)存儲(chǔ)。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖 2 所示，在前端監(jiān)控部分，供電模塊為其它幾個(gè)模塊供電，視頻采集模塊通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)捕獲監(jiān)視點(diǎn)處的視頻圖像，并將數(shù)字視頻圖像傳輸給智能視頻處理模塊，智能視頻處理模塊對(duì)傳輸進(jìn)來的視頻圖像進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行相關(guān)圖像處理，獲取監(jiān)視水資源點(diǎn)的水位、水色、天氣、水流速度等相關(guān)信息，對(duì)水利設(shè)備損壞、移動(dòng)、區(qū)域非法進(jìn)入等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)違規(guī)情況進(jìn)行告警、自動(dòng)截圖和錄像，通過無線通信模塊，將智能視頻處理模塊的水位等分析數(shù)據(jù)、告警信息及截圖和錄像傳輸回中心監(jiān)控部分，中心監(jiān)控部分在接收到前端傳回的數(shù)據(jù)后，通過管理服務(wù)模塊進(jìn)行管理。由于視頻數(shù)據(jù)量較大，2 個(gè)監(jiān)控部分只進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的交互，但在前端出現(xiàn)告警信息，水位和水色出現(xiàn)異常，以及處于特殊管理時(shí)期時(shí)，中心部分的視頻播放模塊可以通過無線通信模塊與前端的視頻采集模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，前端的視頻采集模塊將數(shù)字視頻圖像傳回中心顯示，并根據(jù)需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行存儲(chǔ)，通過中心的視頻圖像處理模塊對(duì)傳回的視頻圖像進(jìn)行相關(guān)圖像處理。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

2.2 前端智能視頻處理模塊原理

智能視頻處理模塊是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，完成對(duì)視頻圖像的智能分析，并將結(jié)果傳回中心監(jiān)控端，既能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，又能避免長(zhǎng)時(shí)間傳視頻帶來的高額通信費(fèi)用，工作流程如圖 3 所示。

對(duì)于獲取的視頻圖像，首先根據(jù)條件判斷是否需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)，可采用直方圖均衡、Retinex 算法[7]、ACE 算法[8]等非物理模型方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)；然后，智能視頻處理模塊根據(jù)設(shè)定的場(chǎng)景規(guī)則對(duì)圖像進(jìn)行處理。根據(jù)圖像中水體和岸上區(qū)域紋理的差異，分析出水岸分界線[9]，采用虛擬水尺的方式，將圖像水位轉(zhuǎn)換為實(shí)際的海拔高度[10]；對(duì)水體區(qū)域采用聚類、訓(xùn)練的方式，自動(dòng)判斷水體顏色[11]；采用對(duì)多幀圖像清晰度、紋理等特征的分析，判斷監(jiān)控點(diǎn)處的天氣情況；采用大尺度粒子圖像測(cè)速的原理[12]，結(jié)合攝像機(jī)標(biāo)定的方式測(cè)出水流速度。并通過水位、水色等信息和相應(yīng)的水文水資源數(shù)據(jù)（含沙量、水質(zhì)、流量等）的關(guān)系與數(shù)學(xué)模型，分析水文相關(guān)參數(shù)。此外，處理模塊還采用高斯[13]、碼書等背景模型結(jié)合其他圖像處理的方式檢測(cè)出視頻圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行特征提取并分類，采用模版匹配等跟蹤算法實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣的目標(biāo)的跟蹤，對(duì)設(shè)定的圖像告警規(guī)則與目標(biāo)的軌跡進(jìn)行判定，完成告警判斷并根據(jù)設(shè)定條件實(shí)現(xiàn)錄像、截圖。對(duì)于智能視頻處理模塊分析獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)向中心傳輸，用于水資源管理決策。

圖3 智能視頻處理模塊工作流程圖

3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在重慶水資源管理系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)重慶水資源管理設(shè)計(jì)要求和水文水資源站點(diǎn)的實(shí)際情況，選擇了武隆縣山虎關(guān)水庫(kù)、北碚區(qū)北碚水文站、酉陽(yáng)龍?zhí)豆┧?、武隆縣武隆水文站、綦江區(qū)綦江水文站 5 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行試點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)內(nèi)容實(shí)施安裝，完成后進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行。圖 4 中 4 幅圖像展示了前端監(jiān)控部分系統(tǒng)部分監(jiān)控功能的檢測(cè)效果圖，圖 5 展示了中心監(jiān)控部分軟件運(yùn)行效果圖，系統(tǒng)檢測(cè)精度較高，運(yùn)行效果較好。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，水位檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到 90% 以上，水色、天氣檢測(cè)達(dá)到 85% 以上，行為分析、異常檢測(cè)等系統(tǒng)功能精度較高。實(shí)際運(yùn)行表明，本系統(tǒng)能夠較好地完成對(duì)水資源點(diǎn)的智能監(jiān)控，供電和通信也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)監(jiān)控信息豐富，分析結(jié)果較為準(zhǔn)確，對(duì)水資源的管理能夠起到較大的促進(jìn)作用，對(duì)水資源管理科學(xué)決策具有極大的參考價(jià)值。

4 結(jié)語

通過實(shí)際運(yùn)行，水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)水資源管理難以做到的長(zhǎng)時(shí)間地、穩(wěn)定地實(shí)時(shí)監(jiān)控具有極大的改善作用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，能夠?yàn)樗Y源管理、防汛抗旱等水利業(yè)務(wù)提供較大的技術(shù)支撐。

圖4 前端監(jiān)控部分檢測(cè)效果圖

圖5 中心監(jiān)控部分軟件運(yùn)行效果圖

系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電模塊時(shí)，部分點(diǎn)會(huì)受到天氣的影響。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，部分點(diǎn)處的 3G 網(wǎng)絡(luò)有一些波動(dòng)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成干擾，造成處理上的延遲，在這些方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

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