無線4G網(wǎng)絡傳輸在洪澤湖視頻監(jiān)控中的應用

劉新泉

（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217）

無線4G網(wǎng)絡傳輸在洪澤湖視頻監(jiān)控中的應用

劉新泉

（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217）

以洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)為實例，提出利用無線 4G 網(wǎng)絡進行傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，介紹系統(tǒng)組網(wǎng)方式、遠程監(jiān)控原理和系統(tǒng)功能要求，分析無線傳輸應用特點，實現(xiàn)有線傳輸無法部署的特殊場合的視頻監(jiān)控，為今后功能更加可靠、完備的無線視頻傳輸系統(tǒng)的開發(fā)提供一個設計平臺和參考。

無線 4G 網(wǎng)絡；視頻監(jiān)控；系統(tǒng)組網(wǎng)；無線傳輸

0 引言

洪澤湖地處淮河流域中下游結合處蘇北平原中部偏西，是中國五大淡水湖之一，淮河上、中游來水和南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊，是蘇北地區(qū)主要的水源地，具有防洪、水資源供給、生態(tài)保護、航運等功能。江蘇省境內(nèi)洪澤湖保護范圍面積為 3 704 km2，保護范圍線長1 006 km。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，洪澤湖的開發(fā)力度不斷加大，非法圈圩養(yǎng)殖、建設開采等渉湖違法行為在洪澤湖也時有發(fā)生。目前，洪澤湖環(huán)湖監(jiān)管手段主要靠人工定期進行巡視檢查，無法有效、及時發(fā)現(xiàn)和制止非法圈圩等渉湖違法行為。通過建立洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以節(jié)約湖泊管理人員的投入，減少巡視檢查工作量，將非法圈圩、建設等違法行為消滅在萌芽狀態(tài)，進一步提高水資源利用和保護的水平。

1 設計思路

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由前端、傳輸、控制和顯示等 4 部分設備組成，前端設備采用高清網(wǎng)絡攝像機，其采集的圖像信號通過屏蔽線纜或光纖進行傳輸，控制設備采用網(wǎng)絡硬盤錄像機，負責完成前端設備和圖像的控制、切換、處理和記錄等功能，圖像通過監(jiān)視器等設備進行顯示。這是傳統(tǒng)的有線傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計模式，適用于有線網(wǎng)絡能夠覆蓋的區(qū)域。而洪澤湖水域寬廣、湖岸線長、湖灘面積大、湖心島嶼多，湖泊管理工作面廣，前端監(jiān)控點分布零散且距離遠，涉及到湖面島嶼和岸邊灘地，如果視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用有線方式傳輸，布線施工將非常困難，投資巨大且維護管理不便。隨著網(wǎng)絡技術、通信技術和多媒體技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也不斷向著新的方向發(fā)展，利用無線 4G 網(wǎng)絡傳輸視頻圖像無疑是本案的一個最佳解決方案。

4G 是第四代移動通信技術的簡稱[1]。隨著移動通信技術的發(fā)展和 4G 時代的到來，移動通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了更快、更清晰的傳輸條件。無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控技術是在有線視頻監(jiān)控技術的基礎上發(fā)展起來的，現(xiàn)在已迅速成為視頻監(jiān)控應用領域的一個重要分支。在一些特殊的應用環(huán)境，有線監(jiān)控部署的成本很高甚至根本無法部署，這種環(huán)境下4G 無線視頻監(jiān)控就有了很大的用武之地，目前無線視頻監(jiān)控在公安、交通、電力、消防、油田、森林防火等行業(yè)領域有著廣泛的應用需求[2]。

4G 無線視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)融合了 4G 技術、視音頻編解碼、數(shù)字加解密、網(wǎng)絡傳等輸技術，憑借無線性、移動性、便攜性、高帶寬、高清晰、雙向性等優(yōu)點，對數(shù)字圖像和聲音通過多路 4G 無線鏈路進行高清晰處理和流暢傳輸，能夠廣泛應用于有線視頻監(jiān)控難以部署的領域[3]。4G 網(wǎng)絡是移動、聯(lián)通、電信等幾大運營商所建設的覆蓋全社會的巨型網(wǎng)絡，利用運營商建設的無線網(wǎng)絡傳輸視頻圖像和聲音，具有以下優(yōu)勢：

1）地理位置廣，只要在手機信號能覆蓋的位置就能傳輸音視頻。

2）初始投資低，省去基站建設和維護費用，充分利用社會資源。

3）通信資費低，通過參加套餐、包月、包流量等方式降低運營費。

4）綜合成本低，性能更穩(wěn)定，只需一次性投資，無須挖溝埋管。

5）組網(wǎng)更靈活，可擴展性好，設備無需更新，即插即用。

由于具有以上有線視頻監(jiān)控無法比擬的優(yōu)勢，從而使無線視頻監(jiān)控納入日常工作業(yè)務范疇成為一種發(fā)展方向。

2 無線視頻傳輸方式

視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求具有高穩(wěn)定性和高清晰度，因此視頻信號傳輸必須穩(wěn)定可靠。與有線視頻傳輸方式相比，無線視頻傳輸最大的制約因素是穩(wěn)定性。由于洪澤湖水域面積非常大，監(jiān)控點分布零散，運營商的基站大都建在陸地，電磁波在傳播過程中會受到地形、地貌、氣候、高樓等各種環(huán)境因素的影響，磁場信號減弱，一定程度上影響了無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。經(jīng)現(xiàn)場實際測試，當監(jiān)控點布設在湖中心區(qū)域或偏遠水道地區(qū)時僅能接收到 3G 網(wǎng)絡信號（個別點為 2G 信號，且不屬于同一家運營商），這時需要通過多路無線鏈路進行集群和傳輸。通過多條 4G 鏈路捆綁（即 4G 無線鏈路集群）[4]，系統(tǒng)能夠匯總捆綁多條鏈路的帶寬，從而實現(xiàn)單條鏈路無法實現(xiàn)的高穩(wěn)定性、高清晰度的視頻傳輸。無線4G 網(wǎng)絡傳輸方式示意如圖1所示。

圖1 無線 4G 網(wǎng)絡傳輸示意圖

4G 無線鏈路通道包含上行和下行 2個方向的傳輸通道，無線視頻監(jiān)控主要是在控制中心實時監(jiān)控前端視頻圖像，需要前端監(jiān)控點的圖像持續(xù)不斷的傳送到控制中心，因此使用的是無線鏈路的上行通道。4G 網(wǎng)絡理論下行鏈路速度為 100 Mbit/s，上行為 20 Mbit/s[5]，經(jīng)過實際測試，現(xiàn)場信號源強的監(jiān)控點移動網(wǎng)的上傳速率達到 5 Mbit/s，信號源比較弱的監(jiān)控點上傳速率為 2 Mbit/s 左右，傳輸數(shù)字視頻圖像達到了 720 P（1 280 px×720 px）的標準高清效果，圖像播放速度為 25 幀/s，在控制中心觀看每一路監(jiān)控畫面都非常流暢、清晰。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構

洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框架為分層、分布、模塊式體系結構，采用分層分布式實時監(jiān)控、人機交互通訊、遠距離編解碼傳輸控制等技術，將前端圖像記錄、云臺鏡頭遙控、無線傳輸、后端顯示存儲等多種功能融于一體，通過無線網(wǎng)絡進行信息傳輸和資源共享，便于軟硬件的維護、擴展和升級[6]。同時系統(tǒng)遵循公專結合原則，充分利用運營商和水利部門現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡及信息資源，避免重復建設。

洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)構成與功能

洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端視頻采集及存儲、無線 4G 網(wǎng)絡傳輸、控制中心遠程監(jiān)控和風光供電4 部分組成，各部分主要功能如下：

3.2.1 前端視頻采集及存儲部分

前端設備由攝像機、硬盤錄像機和路由器組成。在監(jiān)控點安裝紅外高清網(wǎng)絡攝像機，對重點監(jiān)控區(qū)域的視頻圖像進行采集，多個攝像機公用 1個硬盤錄像機和路由器。存儲設備采用網(wǎng)絡高清硬盤錄像機，分為前端、后端和兩端存儲 3 種方式。本系統(tǒng)采用兩端存儲方式，前端硬盤錄像機存儲時間大于30 d，后端選用大容量硬盤錄像機，存儲時間大于6個月（根據(jù)監(jiān)控點數(shù)量和壓縮率確定硬盤容量）。平時視頻圖像直接存儲于前端并保存一段時間，需要上傳時與控制中心連線，將圖像打包壓縮傳輸[7]，控制中心對前端圖像進行實時監(jiān)控并存儲，采用這種方式可以節(jié)省流量費用，降低設備運行負載。路由設備采用工業(yè)級 VPN 路由器，每個監(jiān)控點由無線路由器組成一個獨立的網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過無線 4G 網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂浦行穆酚煞掌鳎瑢崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

圖2 洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

3.2.2 無線 4G 網(wǎng)絡傳輸部分

聯(lián)網(wǎng)是通過系統(tǒng)的 IP 尋址功能建立控制中心服務器和前端路由器的握手實現(xiàn)的。利用無線 4G 網(wǎng)絡進行遠程多點視頻監(jiān)控應用時，如果控制中心及每一個前端監(jiān)控點均為動態(tài) IP 方式接入，前端監(jiān)控點在每次聯(lián)網(wǎng)后均需將其最新 IP 地址通知控制中心，控制中心才能對該監(jiān)控點實施監(jiān)控顯然是不現(xiàn)實的，而為控制中心及每一個前端監(jiān)控點申請靜態(tài) IP也是不經(jīng)濟的。本系統(tǒng)采用的方法是，控制中心為靜態(tài) IP 方式接入，每一個前端監(jiān)控點為動態(tài) IP 方式接入?？刂浦行穆酚煞掌鲀?nèi)置 IP 解析軟件，前端監(jiān)控點路由器運行前配置輸入控制中心的靜態(tài) IP地址，接入公網(wǎng)激活后即會將分配的動態(tài) IP 地址上傳到控制中心?？刂浦行脑L問各前端監(jiān)控點 IP 地址并讀取相關數(shù)據(jù)，建立連接并實時進行監(jiān)控。

通過前端無線 4G 路由器與控制中心固網(wǎng)路由服務器組成虛擬內(nèi)網(wǎng)，在 4G 路由器連接到運營商公網(wǎng)的基礎上建立 VPN 隧道方式傳輸視頻圖像，組網(wǎng)方式如下：1）控制中心。配置公網(wǎng)靜態(tài) IP 地址，建立 VPN 服務器，并把所有端口映射到 VPN 服務器上。2）前端無線 4G 路由器。配置動態(tài) IP 地址，開通 GG 業(yè)務的UIM 卡，配置 VPN（PPTP 或 L2TP）及其它必要性功能。

3.2.3 控制中心遠程監(jiān)控部分

控制中心是整個系統(tǒng)的“大腦”，是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的指揮中心，完成對所有設備的控制、管理、檢測及權限的分配。在控制中心通過無線 4G網(wǎng)絡對前端攝像機采集的視頻圖像及存儲信號進行實時顯示和遠程回放，對重要圖像進行記錄存儲，通過平臺軟件對圖像進行對比，并對前端設備在線情況進行控制，以滿足遠程監(jiān)視監(jiān)控的需要?？刂浦行脑O備由工業(yè)級 VPN 路由服務器、以太網(wǎng)交換機、視頻網(wǎng)關平臺、硬盤錄像機、視頻工作站和大屏監(jiān)視器組成。本文著重說明交換機選擇注意要點和視頻網(wǎng)關平臺的一個重要功能。

高清視頻圖像傳輸時每路占用帶寬為 4～6 Mbit/s，如果前端安裝 20 臺攝像機，則最大占用帶寬為 120 Mbit/s。交換機接有視頻工作站和大屏顯示系統(tǒng)，如果每臺設備需要同時多畫面顯示，則每臺設備占用帶寬不低于120 Mbit/s，交換機電口配置為百兆時數(shù)據(jù)傳輸容量不夠，導致數(shù)據(jù)傳輸堵塞，造成整個交換機數(shù)據(jù)交換能力大幅下降，監(jiān)控畫面會出現(xiàn)卡滯和停頓現(xiàn)象，所以電口需配置為千兆。

視頻網(wǎng)關平臺除了具有流媒體轉發(fā)、電子地圖、Web 客戶端、參數(shù)配置、控制管理等功能外，還需具有主動注冊的功能，在動態(tài) IP 的應用中，通過使用 IP 域名解析模塊可以解決無靜態(tài) IP 地址問題。當前端設備與控制中心連線出現(xiàn)掉線時，網(wǎng)關平臺可以實現(xiàn)前端設備主動注冊、后端平臺實時在線監(jiān)測的功能，從而真正實現(xiàn)了前端設備實時在線監(jiān)測，保證視頻信號傳輸穩(wěn)定、流暢。

3.2.4 風光供電部分

由于監(jiān)控點安裝位置都很偏僻，無法取得穩(wěn)定的供電電源，因此采用風光互補的供電方式為前端設備供電。供電部分由五葉片低風速風力發(fā)電機、單晶硅太陽能電池組件、蓄電池、逆變器、智能控制器等設備組成，2 種供電方式互為補充，夜間和陰雨天無陽光時由風能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風又有陽光的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)全天候供電，可以保證前端設備連續(xù) 24 h 工作，即使在無風、無光情況下設備也能正常運行 3～5 d。

4 系統(tǒng)建設

系統(tǒng)建設分為設備安裝和系統(tǒng)調(diào)試 2個階段。攝像機、硬盤錄像機、路由器和太陽能板等前端設備均安裝在立桿上，立桿頂部安裝風力發(fā)電機和避雷針，蓄電池組地埋安裝?？刂浦行陌惭b服務器、交換機、硬盤錄像機和視頻工作站等后臺設備，由于利用無線網(wǎng)絡傳輸省去了線纜敷設工作，設備安裝比較簡便。在系統(tǒng)調(diào)試階段，大部分監(jiān)控點屬于同一家運營商的無線 4G 網(wǎng)絡信號，個別監(jiān)控點為另一家運營商信號，由于幾大運營商已經(jīng)開展網(wǎng)絡建設領域的深度合作，共享 4G 網(wǎng)絡資源，因此可以利用不同運營商的 4G 網(wǎng)絡將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦行?，系統(tǒng)調(diào)試得以順利進行。

從監(jiān)控系統(tǒng)運行情況看，系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了視頻圖像無線傳輸?shù)墓δ?，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、圖像清晰、傳輸流暢，達到了高清監(jiān)控效果。目前該系統(tǒng)正在進行深層次的挖掘工作，進一步完善系統(tǒng)功能，達到智能化監(jiān)控要求[8]，如實現(xiàn)船舶入侵探測、非法滯留、物體追蹤等分析功能，對視頻中出現(xiàn)的可疑目標進行分析判斷，過濾圖像中無用和干擾信息，利用圖像快照迅速鎖定非法作業(yè)地點，生成快照發(fā)送給控制中心；同時開發(fā)手機 APP 軟件，通過手機能方便、迅速地進行無線視頻監(jiān)控和設備管理。

5 結語

在洪澤湖建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用無線 4G 網(wǎng)絡進行視頻圖像傳輸，通過 4G 無線鏈路集群技術捆綁多條鏈路的帶寬，不僅解決了有線傳輸無法實現(xiàn)的難題，而且系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高清晰度的傳輸效果。無線網(wǎng)絡傳輸具有靈活高效、快速建設、投資節(jié)省等優(yōu)勢，將成為視頻監(jiān)控應用領域的一個發(fā)展方向。目前，江蘇省水利信息化進程正不斷地向前推進，各地河湖資源管理信息系統(tǒng)在建設當中，其中河湖庫巡查管理子系統(tǒng)涉及到現(xiàn)場取證記錄等要求，很多場合會運用到無線網(wǎng)絡視頻傳輸技術，洪澤湖視頻監(jiān)控系統(tǒng)的成功應用將會為其開發(fā)和應用提供一定借鑒和參考。

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Application of Wireless 4G Network Transmission on Video Monitor of Hongze Lake

LIU Xinquan
（Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co., Ltd, Yangzhou 225217, China）

On the basis of video monitor system of Hongze Lake, the article puts forward a video monitor system design based on the wireless 4G network transmission, introduces system grouping method, principle of long distance monitor and requirement of system function, analyzes the character of wireless transmission, and realizes the video monitor in the circumstance of wire transmission unrealized. It is referential for more reliable and perfect similar wireless video system transmission design in future.

wireless 4G network； video monitoring； system grouping； wireless transmission

P332.4

A

1674-9405(2016)06-0041-05

10.19364/j.1674-9405.2016.06.009

2016-06-01

劉新泉（1970-），男，江蘇泰興人，高級工程師，主要從事電氣與自動化設計工作。