石佛寺水庫3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀 楊

(遼寧省石佛寺水庫管理局，沈陽 110166)

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各類工程事業(yè)中［1］。在水利工程管理中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，并且成為水利工程綜合業(yè)務(wù)管理的一部分［2］。在閘站或水庫等區(qū)域，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過攝像頭及網(wǎng)絡(luò)將被監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)和圖像等快速、準(zhǔn)確、清晰地傳送到視頻監(jiān)控中心;工作人員通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠快速、實(shí)時地了解和掌握各被監(jiān)控區(qū)域的實(shí)際情況，更好地掌握大壩、水庫、閘站等周圍的其他活動情況，并且可以根據(jù)實(shí)際情況快速作出反應(yīng)［3，4］。但由于水庫管理范圍廣、地形復(fù)雜等原因，要全面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)有線監(jiān)控，難度很大，因此，水庫需利用無線設(shè)備來進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

2 石佛寺水庫工程概況

石佛寺水庫樞紐一期工程是遼河干流上唯一一座控制性水利工程，其主要任務(wù)是解決遼河干流突出的防洪問題。壩址左岸位于沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)，右岸位于沈陽市法庫縣依牛堡鄉(xiāng)，距沈陽市區(qū)約47km，壩址以上省內(nèi)流域面積16.161km2。按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位為50.22m，相應(yīng)的滯洪庫容為1.60億m3;按300年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，相應(yīng)的校核洪水位為50.69m，相應(yīng)的總庫容為1.85億m3，工程等級為二等二級，設(shè)計(jì)防震烈度為Ⅶ度，其基本運(yùn)行方式為汛期滯洪。

3 3G巡堤系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1 系統(tǒng)簡介

水庫水情及相關(guān)情況檢查是水庫管理的重要內(nèi)容，為提高水庫的工程管理自動化水平，本文設(shè)計(jì)了石佛寺水庫3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)為水庫提供一個包含前端采集設(shè)備、服務(wù)器和客戶端的河道水庫水情無線監(jiān)控系統(tǒng)，使水庫實(shí)現(xiàn)安全防衛(wèi)、重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測，水庫水面與水岸情況的實(shí)時遠(yuǎn)端監(jiān)控、水質(zhì)及天氣的實(shí)時監(jiān)控。該智能3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括石佛寺水庫智能3G巡堤系統(tǒng)、電視墻系統(tǒng)、視頻服務(wù)軟件等。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括前端視頻采集與傳輸和終端監(jiān)控中心兩部分。

圖1 系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)

a.前端視頻采集與傳輸。前端由水位檢測儀、遙測終端機(jī)、無線DVS和攝像頭組成。無線DVS采用宏電自主研發(fā)的H3221。遙測終端機(jī)采集水位傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由RS232串口傳輸至無線DVS。而無線DVS除了具有視頻編碼功能外，還具有數(shù)據(jù)透明傳輸功能，它能把來自串口的水位信息通過EVDO網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。攝像頭采集并輸出的視頻信號經(jīng)DVS編碼轉(zhuǎn)化成H.264后，通過EVDO網(wǎng)絡(luò)也傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。該系統(tǒng)使用的H3221最高可支持400kpbs的上行傳輸率，客戶可根據(jù)具體需求自行調(diào)整。為節(jié)省用戶費(fèi)用，H3221還可以設(shè)置短信上下線或定時上下線控制。

b.監(jiān)控中心包括服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器提供視頻和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備的接入以及數(shù)據(jù)的儲存等服務(wù)，同時還可以進(jìn)行權(quán)限配置管理。為增加服務(wù)器的安全性、穩(wěn)定性及無病毒性，服務(wù)器系統(tǒng)采用LINUX操作系統(tǒng)。為滿足視頻的海量存儲，數(shù)據(jù)庫軟件采用Oracle。根據(jù)服務(wù)器的權(quán)限設(shè)置，客服端有添加、刪除設(shè)備等權(quán)限。

3.3 工作原理

該無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)從邏輯上主要包括三個部分:前端設(shè)備，即DVS、遙測終端;中心平臺，即全球眼平臺;客戶端。系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

a.DVS是指數(shù)字視頻服務(wù)器。它的主要功能是通過攝像頭采集視頻信號，并將其壓縮轉(zhuǎn)化為H.264的碼流，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，該系統(tǒng)可采用的信道包括無線和以太網(wǎng)兩類。其中無線通道采用3G。

b.遙測水位站。遙測水位站采用國家防總和國家水文局推薦的YCZ-2A-101型遙測終端機(jī)，廣泛應(yīng)用于水雨清監(jiān)測系統(tǒng)，并通過了水利、防汛部門組織的驗(yàn)收。該系統(tǒng)可外接水位傳感器、增量式 (翻斗式)雨量傳感器，并且通過GSM、GPRS、PSTN等方式實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收傳輸功能。系統(tǒng)可通過服務(wù)器及遠(yuǎn)程管理與維護(hù)，通過服務(wù)器及遠(yuǎn)程登錄站點(diǎn)進(jìn)行功能設(shè)置，具體包括站址設(shè)定、掉電數(shù)據(jù)保護(hù)、定時自檢發(fā)送、隨時召測、數(shù)據(jù)人工置入、實(shí)時時鐘校準(zhǔn)、直觀現(xiàn)場顯示、死機(jī)自動復(fù)位及設(shè)備測試等;遙測終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸體制、數(shù)據(jù)報(bào)送頻次等能夠在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程進(jìn)行軟件設(shè)置，且所有外部接口實(shí)現(xiàn)光電隔離，RTU固態(tài)存儲器的容量大于4MB，存儲系統(tǒng)能保留一年的原始水情數(shù)據(jù);系統(tǒng)接受分中心管理并與該中心實(shí)現(xiàn)雙向通信。

c.水位計(jì)。水位計(jì)推薦使用WFX-40型浮子式細(xì)井水位計(jì)。該水位計(jì)為單浮子式自收纜水位計(jì)，可應(yīng)用于地下水、地表水等的水位測量;水位計(jì)工作時通過井管內(nèi)一根測纜牽動浮子來跟蹤水位升降變化，從而實(shí)現(xiàn)水位自動測量;水位計(jì)的使用條件為口徑內(nèi)徑不小于70～150mm、埋深為10～500m范圍的場所，為不影響水位計(jì)的使用，要求井管內(nèi)壁必須平滑，無凹凸障礙，并且其中軸線為直線;水位計(jì)使用鍍金防水航空插頭座，其編碼器為抗雷擊型低轉(zhuǎn)矩絕對值編碼器，儀器性能穩(wěn)定可靠，無時間、溫度漂移。

d.中心平臺 (全球眼平臺)。監(jiān)控平臺服務(wù)器包括注冊服務(wù)、中心管理服務(wù)、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)等，其作用簡單概括是在前端設(shè)備與客戶端之間建立聯(lián)系，管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)作，并轉(zhuǎn)發(fā)視頻流。編碼器通過拔號連入EVDO網(wǎng)絡(luò)后，首先通過注冊，將自身的信息輸入到系統(tǒng)，輸入的信息包括該編碼器是否準(zhǔn)備就緒，是否有云臺連接到該編碼器。根據(jù)注冊信息客戶端發(fā)現(xiàn)前端設(shè)備，并通過視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對前端設(shè)備的操作。

e.客戶端。根據(jù)服務(wù)器分配的權(quán)限，接收來自轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的視頻流，并播放給用戶觀看。另外它還有一些輔助功能，具體是:控制云臺的功能，移動偵測的設(shè)置功能，OSD的設(shè)置功能。

在用戶有監(jiān)控中心，如果用戶需要把視頻在電視墻上播放，則系統(tǒng)還需要電視墻服務(wù)器，將前端編碼設(shè)備傳輸來的視頻編碼流進(jìn)行解碼，并輸出信號到監(jiān)視器上，實(shí)際應(yīng)用中，輸出的模擬信號被輸入到視頻矩陣中，經(jīng)矩陣切換到電視墻上。電視墻服務(wù)器通過報(bào)警彈出、輪巡等功能進(jìn)行集中式數(shù)字監(jiān)控，并通過畫面分割實(shí)現(xiàn)多場景同時觀看。每面電視墻顯示服務(wù)器可輸出8路D1模擬視頻或畫面分割后的16個CIF。

3.4 系統(tǒng)在石佛寺水庫的應(yīng)用

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，石佛寺水庫采用了該系統(tǒng)。通過調(diào)試應(yīng)用，得出了如下結(jié)果:

a.3G無線手持終端可以通過客戶端軟件與長白主會場MCU進(jìn)行通信，而MCU將視頻信號輸出到DLP大屏幕上，輸出的圖像無偏色、干擾情況，工作人員從監(jiān)控系統(tǒng)上能清晰掌握水庫水情及工作情況。

b.12路監(jiān)視器拼接成電視墻系統(tǒng)，每路監(jiān)視器顯示一路遠(yuǎn)端視頻監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控圖像，視頻信號通過重新編解碼過程經(jīng)光纖鏈路傳輸，顯示圖像清晰、色彩鮮明且無干擾情況，工作人員通過電視墻系統(tǒng)能隨時掌握12個監(jiān)控點(diǎn)的水庫情況，并作出相應(yīng)決策。

3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用給水庫管理帶來了方便，特別是對水庫的安全監(jiān)測提供了及時有效的服務(wù)，但系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行與及時的維護(hù)是分不開的，因此，需要做好定期的系統(tǒng)維護(hù)工作，以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4 系統(tǒng)的特色

該智能3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)除了滿足水庫日常的水庫水情及相關(guān)情況檢查外，為方便用戶使用及維護(hù)，還具有如下特色:

a.字幕疊加。圖3是實(shí)際工作的視頻截圖，圖3中右上方有各種數(shù)據(jù)，以字幕的形式疊加在視頻畫面上。用戶在觀看水庫、河道視頻的同時即可了解視頻所在的水庫名稱、實(shí)時水位等信息。

圖3 實(shí)時視頻截圖

b.多網(wǎng)絡(luò)自動切換。前端的DVS默認(rèn)情況下以EVDO網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先，但在一些沒有EVDO信號覆蓋的區(qū)域，該DVS可自動切換到CDMA網(wǎng)絡(luò)。

c.優(yōu)越的擴(kuò)展性能。各地水利的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在架構(gòu)不同、設(shè)備多樣、互不兼容等問題，對水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)向流域化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展帶來了不少問題，往往在防汛的關(guān)鍵時刻，由于系統(tǒng)的兼容問題，決策人員無法遠(yuǎn)程觀看到流域各個已建監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時情況。該系統(tǒng)中的中心平臺可以將各地的監(jiān)控系統(tǒng)納入省級部門的統(tǒng)一管理之下，可以隨時察看任何地區(qū)、任一地點(diǎn)的實(shí)時視頻圖像和水情信息。

d.集中管理，方便維護(hù)，節(jié)約成本和建設(shè)周期。系統(tǒng)采用一個中心平臺，使用一臺專業(yè)的視頻服務(wù)器來存儲視頻圖像，通過分發(fā)服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳说囊曨l，客戶無需重新采購流媒體服務(wù)器，搭建監(jiān)控中心，只需一臺普通PC，安裝客戶端登陸后即可實(shí)時觀看視頻。監(jiān)控前端和水位采集均采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免了有線網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的高額投資和很長的建設(shè)周期。

5 結(jié)論與建議

目前，在水利工程建設(shè)中視頻監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用并起到越來越重要的作用。水利工程中使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能使監(jiān)控中心的值班人員可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時、直接地了解和掌握各個被監(jiān)控現(xiàn)場的當(dāng)前實(shí)際情況，而且整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一臺計(jì)算機(jī)都可以隨時監(jiān)控到各受監(jiān)控現(xiàn)場的情況，使現(xiàn)場做到無人值班或少人職守，更加提高整個水利工程系統(tǒng)的管理水平，并且改善了值班人員的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度。石佛寺水庫3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)，將水庫實(shí)時情況、水位等圖像與數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心及客戶端。該系統(tǒng)的應(yīng)用大大降低了水庫工作人員的勞動強(qiáng)度，提高了水庫的管理水平。但隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)仍存在以下不足:

a.信息傳輸網(wǎng)絡(luò)問題。前端設(shè)備采集數(shù)據(jù)多為圖像，視頻信息傳輸占用網(wǎng)絡(luò)較大，實(shí)現(xiàn)多線路視頻傳輸容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞，且無有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域如采用CDMA傳輸可能速度更慢。建議增加無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋或研究其他的信息傳輸途徑。

b.設(shè)備供電問題。水庫管理范圍較廣、地勢復(fù)雜，設(shè)備設(shè)施易受自然災(zāi)害和人為破壞［5］，當(dāng)市政供電斷電情況下，該設(shè)備則無法使用，因此建議前端設(shè)備增加太陽能供電設(shè)備。

c.增加夜視功能。目前攝像系統(tǒng)在夜間使用或監(jiān)控可能無法運(yùn)行時，為對水庫進(jìn)行夜間巡視及水情觀測，可考慮增加夜間照明設(shè)備或變更部分?jǐn)z像頭為紅外線攝像頭或微光攝像頭。

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