無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽市防汛工作中的應(yīng)用

王 濤

(沈陽市水利信息中心，遼寧 沈陽 110015)

運(yùn)行管理

無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽市防汛工作中的應(yīng)用

王 濤

(沈陽市水利信息中心，遼寧 沈陽 110015)

為更好地治理洪澇災(zāi)害，提高防洪工程管理水平，2011年沈陽市啟動了水利無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)非工程措施建設(shè)項目。該項目作為沈陽市防汛非工程措施與工程措施相結(jié)合的范例，在設(shè)計上采用前端監(jiān)測站-中心控制站的架構(gòu)形式，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離圖像傳輸與控制，具有極高的可操作性和現(xiàn)實意義。本文對該系統(tǒng)的設(shè)計原理進(jìn)行了研究，并對其在防汛工作中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，最后提出了可進(jìn)一步提高系統(tǒng)功能的建設(shè)性意見，同時對系統(tǒng)的美好前景進(jìn)行了展望。

沈陽防汛；無線圖像監(jiān)控；應(yīng)用

1 背 景

沈陽市屬于遼河流域。境內(nèi)共有大、中、小型河流26條，河流總長1461km，是我國重點防汛城市之一。近年來，國家加大了對水利建設(shè)資金的投入，防洪工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有了顯著的提高，但是僅通過修建工程措施徹底根治洪澇災(zāi)害，從經(jīng)濟(jì)效益的合理性和興建工程的可行性來說，是不現(xiàn)實的。因此，沈陽市提出把非工程措施作為整個防洪體系的重要組成部分，執(zhí)行工程措施和非工程措施相結(jié)合的方針，提高防洪效益，減少洪災(zāi)損失。為更好地解決防洪工程后期監(jiān)管問題，2011年沈陽市啟動了水利無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)非工程措施建設(shè)項目，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對主要河流及中小型水庫信息的采集和監(jiān)控工作，成為沈陽市防汛非工程措施與工程措施完美結(jié)合的實例，邁出了沈陽市從傳統(tǒng)防汛向現(xiàn)代防汛轉(zhuǎn)變的堅實一步。

2 系統(tǒng)概述

水利無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)非工程措施建設(shè)項目共實施兩期，在主要河流及中小型水庫共建設(shè)圖像監(jiān)控站41處，其中，主要河流8處，中型水庫10處，小(1) 型水庫11處，小(2)型水庫12處。項目在立項前，經(jīng)過周密需求分析和調(diào)查研究，對系統(tǒng)的社會性、經(jīng)濟(jì)性、效用性進(jìn)行了科學(xué)論證，最終采用前端監(jiān)測站-中心控制站的架構(gòu)設(shè)計形式。系統(tǒng)前端設(shè)有監(jiān)測站，將監(jiān)控圖像按照預(yù)置位進(jìn)行截頻，將截取好的圖像通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心控制站。圖像接收控制軟件可提前對前端圖像回傳時間、點位、次數(shù)等信息進(jìn)行任務(wù)布置，也可臨時下達(dá)抓拍、開機(jī)、關(guān)機(jī)等任務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，最終完成對前端圖像信息的接收。圖像轉(zhuǎn)換軟件將接收的圖像名稱進(jìn)行重新編碼，形成數(shù)據(jù)庫能夠識別的規(guī)范文件存放在圖像監(jiān)測服務(wù)器中，用戶通過系統(tǒng)展示平臺對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索、下載、自動播放、遠(yuǎn)程抓拍等操作，方便防汛人員日常管理工作，為領(lǐng)導(dǎo)指揮、調(diào)度、決策等提供強(qiáng)有力的信息保障。

該系統(tǒng)的成功研發(fā)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)測系統(tǒng)安設(shè)站點條件高、傳輸線路搭建困難、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用偏高的不足，通過對前端視頻流的截頻，產(chǎn)生一幀圖像，利用無線通信鏈路傳輸至中心控制站，實現(xiàn)對主要河流重點區(qū)域、重要節(jié)點的監(jiān)控，對中小型水庫水位、壩體、泄洪、人員疏散等情況的整體掌控，起到“千里眼”的作用，從而整體提高防汛決策的有效性和可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計方法中具有極高的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 前端監(jiān)測站設(shè)計

3.1 監(jiān)測站選址設(shè)計

針對實際工作需求對監(jiān)測站進(jìn)行選址設(shè)計。一是將監(jiān)測站安置在河流險段、橋涵、鋼板閘等水工建筑物及重點泄洪區(qū)域附近，攝像頭朝向觀測方向，實行重點監(jiān)測；二是將監(jiān)測站安置在中小型水庫的溢洪道附近，對庫區(qū)水面、大壩、溢洪道、水尺等進(jìn)行多點遙測。

3.2 前端監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

前端監(jiān)控系統(tǒng)由防雷接地單元、太陽能供電單元、多預(yù)置位拍照單元、中央控制單元、短信控制單元、無線傳輸單元及以太網(wǎng)交換機(jī)組成(見圖2)，主要實現(xiàn)前端視頻截取、回傳功能。

圖2 前端監(jiān)控站系統(tǒng)原理

基本設(shè)計思路：首先,用C語言對前端攝像頭SDK開發(fā)包中提供的預(yù)置位配置、截取視頻流圖像等控制功能進(jìn)行編寫，通過GCC交叉編譯工具鏈進(jìn)行編譯，將編譯后的程序經(jīng)過打包形成固件，最后將固件燒寫至中央控制單元ARM開發(fā)板的Nand-flash存儲器中，實現(xiàn)中央控制單元對攝像頭的連接和控制。其次，短信控制器需由廠家按照要求進(jìn)行定制開發(fā)，能夠識別中心控制站發(fā)來的短信代碼，實現(xiàn)啟動喚醒開機(jī)功能。當(dāng)控制中心發(fā)出拍照短信后，短信控制模塊接收遠(yuǎn)程控制指令，識別信息正確后喚醒前端電源供電控制器進(jìn)行供電，啟動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行工作，中央控制單元截取攝像頭預(yù)置位預(yù)覽流中的一幀圖像，通過3G網(wǎng)絡(luò)將圖像回傳至中心控制站。

3.2.1 防雷接地單元

避雷接地單元由接地桿體、避雷針及防雷模塊組成。

防雷模塊采用LTP-TV2/N(220V)電源加網(wǎng)絡(luò)二合一避雷器，專門用于網(wǎng)絡(luò)、通信、光纜、廣播、電視、監(jiān)控、視頻等信號設(shè)備的雷電保護(hù)設(shè)備，起到系統(tǒng)防雷、避雷的作用。

3.2.2 太陽能供電單元

太陽能供電單元由太陽能板、太陽能充電控制器、大容量膠體蓄電池和精密穩(wěn)壓電源組成。

太陽能充電控制器采用高效率PWM充電模式技術(shù)、共正模塊控制方式，可實現(xiàn)兩路太陽能電池方陣輸入控制。具有數(shù)字化設(shè)計、模塊結(jié)構(gòu)，保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠。具有太陽能電池陣列反饋保護(hù)、夜間防反充、光伏過充電流保護(hù)功能。通過該控制器可對太陽能板給蓄電池的充電電流進(jìn)行控制，并對蓄電池的放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以保證整個系統(tǒng)的供電平穩(wěn)可靠。

選用110V、220V自適應(yīng)高精密穩(wěn)壓電源，對系統(tǒng)的供電進(jìn)行穩(wěn)壓及凈化，保證所有設(shè)備正常運(yùn)行。

3.2.3 多預(yù)置位拍照單元

多預(yù)置位拍照單元選用高清網(wǎng)絡(luò)智能球型攝像機(jī)，該攝像機(jī)有效像素132 萬，預(yù)置點數(shù)256個，巡航掃描8條, 每條可添加32個預(yù)置點，花樣掃描4條, 每條路徑記錄時間至少10min，支持?jǐn)嚯娪洃浌δ?。具?0M/100M網(wǎng)絡(luò)接口，最大圖像尺寸可達(dá)1280×720像素。該拍照單元的選擇，能保證監(jiān)控圖像拍攝清晰，點位準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸流暢。

3.2.4 中央控制單元

中央控制單元選用DSP控制主機(jī)，采用高性能數(shù)字媒體處理器，板上集成128MB DDR2內(nèi)存，系統(tǒng)內(nèi)置2GB miniSD卡作為內(nèi)置存儲，支持一個USB 2.0接口。DSP控制模塊可對嵌入式ARM板進(jìn)行編程開發(fā)，將系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的連接、控制、應(yīng)用及數(shù)據(jù)傳輸通過編譯器寫入存儲芯片中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能控制及管理。DSP控制主機(jī)通過對高清攝像機(jī)的精確控制對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行視頻流截取，通過管理3G路由器，利用移動3G網(wǎng)絡(luò)將圖像數(shù)據(jù)上傳至中心控制站。

3.2.5 短信控制單元

短信控制單元由短信控制器和電源供電控制器組成。

短信控制器采用工業(yè)級應(yīng)用設(shè)計，針對系統(tǒng)需要定制開發(fā)，通過手機(jī)短信，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通過接收中心站特定內(nèi)容的短信，信息識別正確后，執(zhí)行中心站指令，控制電源供電控制器。

電源供電控制器通過接收短信控制器發(fā)來的控制信號，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)設(shè)備的電源供電或斷電管理。

3.2.6 無線傳輸單元

無線傳輸單元選用專業(yè)級3G無線路由器，工作時自動檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)速狀況實時調(diào)整上傳數(shù)據(jù)的發(fā)包速率，防止上傳數(shù)據(jù)中出現(xiàn)丟包及堵塞現(xiàn)象。與控制中心通信時遇到數(shù)據(jù)出錯，支持?jǐn)帱c續(xù)傳及重新傳送功能，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)全部準(zhǔn)確無誤上傳到中心控制站。

3.2.7 以太網(wǎng)交換機(jī)

以太網(wǎng)交換機(jī)連接高清攝像頭、防雷模塊、DSP控制器和3G路由器，實現(xiàn)多設(shè)備的數(shù)據(jù)交換功能。

4 中心控制站設(shè)計

中心控制站設(shè)在沈陽市水利局2樓中心機(jī)房，主要由圖像接收控制軟件、圖片轉(zhuǎn)換軟件、系統(tǒng)展示平臺、短信貓、圖像監(jiān)測服務(wù)器等相關(guān)軟硬件組成，負(fù)責(zé)布置拍照任務(wù)和接收前端監(jiān)控站傳回的監(jiān)控信息，將其轉(zhuǎn)換存儲，最終實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)展示平臺進(jìn)行人機(jī)交互等功能。

4.1 圖像接收控制軟件

圖像接收控制軟件由C++語言開發(fā)，將前端監(jiān)測站名稱用阿拉伯序號命名，在配置文件中將序號與前端監(jiān)測站短信控制器中的SIM卡號碼關(guān)聯(lián)，在后臺用二進(jìn)制編寫短信控制器可以識別的指令代碼，用于遠(yuǎn)程控制監(jiān)測站設(shè)備。在軟件中設(shè)計拍照任務(wù)功能，可對拍照點位(前端監(jiān)測站名稱)、拍照時間、回傳間隔時間等信息進(jìn)行配置，實現(xiàn)對前端監(jiān)測設(shè)備定時、自動回傳圖像等功能。設(shè)計抓拍任務(wù)功能，選擇抓拍點位啟動中心站短信貓將指令快速傳遞到前端監(jiān)測站，實現(xiàn)實時拍照回傳功能。圖像回傳采用FTP數(shù)據(jù)傳輸方式，需要在圖像監(jiān)測服務(wù)器中添加FTP服務(wù)功能，創(chuàng)建FTP目錄，配置FTP權(quán)限等操作。運(yùn)行圖像接收控制軟件后，在軟件界面左側(cè)菜單中羅列出監(jiān)控系統(tǒng)的所有點位及實時運(yùn)行情況，右側(cè)平臺顯示前端監(jiān)測站返回的圖像文件及文件的具體信息，包括時間、設(shè)備、序號、文件名和歷史操作等，最下方設(shè)置了軟件執(zhí)行按鍵，包括開始抓拍、終止抓拍、計劃任務(wù)、參數(shù)配置、關(guān)閉程序等。

4.2 圖像轉(zhuǎn)換軟件

圖像轉(zhuǎn)換軟件為乾坤大挪移，主要實現(xiàn)服務(wù)器間的文件導(dǎo)出導(dǎo)入功能。在使用前需確保導(dǎo)出目錄和導(dǎo)入目錄真實存在，局域網(wǎng)已經(jīng)連接，導(dǎo)入服務(wù)器的根路徑為共享目錄，導(dǎo)出服務(wù)器用戶要有導(dǎo)入服務(wù)器的文件增刪改的權(quán)限。該軟件為綠色軟件，無需安裝，只需對乾坤大挪移文件夾里的個別文件進(jìn)行提前配置，然后運(yùn)行即可自動工作。

4.3 短信貓

短信貓選用GPRS MODEM F1103，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，可直接連接串口設(shè)備，提供功能強(qiáng)大的撥號軟件，保證終端永遠(yuǎn)在線，支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令，支持發(fā)送中英文短信，支持APN/VPDN接口技術(shù)，支持CSD、短信和撥號上網(wǎng)功能。將SIM卡提前插入到GSM Modem設(shè)備中，工作時通過本身的配置軟件進(jìn)行撥號連接,以實現(xiàn)與前端監(jiān)控站DSP控制器進(jìn)行指令傳輸。

4.4 監(jiān)測服務(wù)器

選用配置合理、運(yùn)行穩(wěn)定的服務(wù)器作為監(jiān)測服務(wù)器，負(fù)責(zé)安裝圖像接收控制軟件、圖像轉(zhuǎn)換軟件，通過COM口連接短信貓。

4.5 系統(tǒng)展示平臺

系統(tǒng)展示平臺集成在沈陽市水利局信息綜合平臺中，信息綜合平臺是由JSP開發(fā)的Web應(yīng)用平臺，該平臺是沈陽市水利信息系統(tǒng)的統(tǒng)一展示平臺，平臺中集成了多系統(tǒng)展示接口，在平臺中開發(fā)視頻監(jiān)控接口與圖像接收控制軟件的HTTP接口連接，在展示平臺中用JAVA語言編寫前臺展示功能，利用HTTP命令調(diào)取圖像控制軟件中的相關(guān)內(nèi)容，實現(xiàn)系統(tǒng)用戶端的瀏覽和控制功能。

在進(jìn)入系統(tǒng)前，將監(jiān)控站的點位通過經(jīng)緯坐標(biāo)錄進(jìn)信息綜合平臺中，系統(tǒng)管理員可對平臺用戶進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)用戶可通過瀏覽器登陸信息綜合平臺，進(jìn)入視頻監(jiān)控界面，進(jìn)行系統(tǒng)操作。在地圖中，通過不同顏色標(biāo)示，直觀顯示所有監(jiān)測站的名稱和位置關(guān)系，紅色標(biāo)示為以前建設(shè)的有線視頻監(jiān)控站，藍(lán)色標(biāo)示為2011年后建設(shè)的無線圖像監(jiān)控站(見圖3)。點擊監(jiān)測站名稱后進(jìn)入系統(tǒng)展示平臺。

5 應(yīng)用效果

以任家窩堡水庫為例，在界面中點擊任家窩堡水庫，進(jìn)入任家窩堡水庫無線監(jiān)控系統(tǒng)展示頁面(見圖4)，頁面中央顯示了水庫定時回傳的圖像，分別是水庫全景、大壩、溢洪道和水尺照片。照片上方標(biāo)明了水庫名稱、類型及拍攝時間，在實際應(yīng)用中通常設(shè)置定時拍照時間為上午10時和下午3時，即每天兩組照片展現(xiàn)在平臺界面中。點擊照片右側(cè)箭頭可對近期回傳的圖片進(jìn)行回放，點擊播放按鍵可對圖片信息進(jìn)行自動瀏覽，如需改變播放速度，可在播放速度下拉欄中選擇間隔時間。用戶可在檢索功能中設(shè)置開始時間和結(jié)束時間查詢自己所需要的圖片，如需了解監(jiān)控現(xiàn)場實時情況，可點擊抓拍按鍵，系統(tǒng)將發(fā)送抓拍信號喚醒前端監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行抓拍操作，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況，將抓拍好的照片在5～10min內(nèi)顯示在信息綜合平臺中，為領(lǐng)導(dǎo)了解前端最新的水情、工情信息，提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)。

6 系統(tǒng)升級建議

隨著科技發(fā)展、信息技術(shù)不斷進(jìn)步，沈陽市水利無線監(jiān)控系統(tǒng)還有一些可以提高完善的地方，具體如下：

a. 4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全國大部分地區(qū)實現(xiàn)覆蓋，數(shù)據(jù)傳輸速度是3G網(wǎng)絡(luò)的5～7倍，開發(fā)人員可考慮更換前端監(jiān)控站3G路由器設(shè)備為4G路由器，將數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)從3G網(wǎng)絡(luò)升級為4G網(wǎng)絡(luò)。預(yù)想升級后的無線監(jiān)控系統(tǒng)將極大提高數(shù)據(jù)傳輸速度，縮短數(shù)據(jù)傳輸時間，為防汛人員和領(lǐng)導(dǎo)決策提供更快捷、更準(zhǔn)確的信息服務(wù)。

圖3 監(jiān)控站位置分布

圖4 系統(tǒng)展示平臺界面

b. 在系統(tǒng)中添加拍攝短視頻功能，需要拍攝時點擊按鍵，系統(tǒng)通過短信喚醒前端監(jiān)控設(shè)備，視頻攝像機(jī)按照要求拍攝短視頻，保存到DSP控制器ARM板的存儲設(shè)備中，通過無線網(wǎng)絡(luò)回傳至中心控制站，授權(quán)用戶可在信息綜合平臺中播放該短片，掌握拍攝現(xiàn)場的實時情況，通過動態(tài)分析更好地預(yù)測、處理防汛事務(wù)。

以上兩點建議，第一條容易實現(xiàn)且見效快，第二條對系統(tǒng)改動較大，需開發(fā)人員在調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時多研究、多測試。如能實現(xiàn)，完善后的無線監(jiān)控系統(tǒng)必將推進(jìn)沈陽市防汛信息化水平，提高數(shù)據(jù)采集能力，成為現(xiàn)代化防汛工作不可或缺的助力。

7 結(jié) 語

沈陽市水利無線監(jiān)控系統(tǒng)通過兩期建設(shè)，迄今已正式投入使用3年時間。該系統(tǒng)對防洪工程實施了有效監(jiān)管，增強(qiáng)了洪澇災(zāi)害的應(yīng)對能力，提供了準(zhǔn)確的防汛決策依據(jù)，貫徹了科學(xué)防汛、建管結(jié)合的防汛方針，對沈陽市防汛工作從傳統(tǒng)防汛轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代防汛具有重要的意義。

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[3] 江玉才，余陽，瞿楊繼，等.水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].水利信息化,2014,120(3):55-59.

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Applying of Wireless Image Monitoring System in Flood Prevention Work in Shenyang

WANG Tao

(ShenyangWaterConservancyInformationCenter,Shenyang110015,China)

In 2011, Shenyang launched non-engineering measures construction project for wireless image monitoring system to better govern flood disaster and boost management level of flood control project. As a model combining non-engineering measures and engineering measures for flood prevention in Shenyang, it adopts the structural form of front-end monitoring station-central control station in designing. It conducts long-distance image transmission and controlling via wireless network and has high operability and pragmatic significance. This article carries out study on designing principle of the system. It sums up its application to the flood prevention work and ends by proposing suggestions for further boosting the system’s functions. At the same time, it raises prospects on the beautiful prospects of the system.

flood prevention in Shenyang; wireless image monitoring; application

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.010

TV87

B

1673-8241(2017)04- 0033- 06