基于云服務的電力移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：文章基于分布式的云服務架構(gòu)，研發(fā)適用于省市級電力公司檢修和安監(jiān)等部門的電力移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對施工/檢修現(xiàn)場、設備巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監(jiān)控、統(tǒng)一存儲和統(tǒng)一管理，為安全生產(chǎn)提供有效的監(jiān)管手段。

關鍵詞：云服務；移動視頻；監(jiān)控系統(tǒng)

作者簡介：楊建旭（1983— ），男，福建建甌。

隨著我國電力事業(yè)不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化水平不斷提高，各變電站、高壓輸電線路等都要實現(xiàn)少人或無人值守，以提高生產(chǎn)效益。變電站施工、檢修、安全巡檢、高壓輸電線路等施工現(xiàn)場及設備區(qū)域，由于環(huán)境的特殊性，基本不具備變電站一樣的供電及傳輸網(wǎng)絡條件，傳統(tǒng)的基于電力數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)不能應用在這些場所，因此在這些場所部署基于無線傳輸、快速部署的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)很有必要性。通過移動視頻監(jiān)控平臺對施工/檢修現(xiàn)場、安全巡檢、輸電線路的視頻進行有效的集中監(jiān)控，從而提高安全生產(chǎn)管理水平。

1 系統(tǒng)概述

基于云服務的電力移動視頻監(jiān)控平臺應用在省市級電力公司的檢修公司和安監(jiān)部等部門，實現(xiàn)對施工/檢修現(xiàn)場、設備巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監(jiān)控、統(tǒng)一存儲和統(tǒng)一管理，并在此基礎上對現(xiàn)場的運維檢修作業(yè)行為進行監(jiān)控管理，為安全生產(chǎn)提供有效的監(jiān)管手段。平臺采用基于分布式的云服務體系架構(gòu)設計，監(jiān)控規(guī)模和業(yè)務功能具備良好的擴展性，并支持工作站、Web瀏覽器和移動終端等多種訪問形式。平臺對各類便攜式、可穿戴的移動攝像機進行監(jiān)控和錄像存儲，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)行為的記錄。利用智能分析技術，通過區(qū)域檢測、運動檢測、安全帽等智能分析功能，實現(xiàn)對作業(yè)行為全過程監(jiān)督，實時檢測作業(yè)違章行為，及時發(fā)出告警，保證作業(yè)人員的安全，提高安全生產(chǎn)效益。平臺支持雙向的語音對講功能，方便信息的溝通和指令傳達。支持對視頻數(shù)據(jù)、GPS信息及報警信息等內(nèi)容的存儲和查看，方便事后追溯。

1.1 物理架構(gòu)

系統(tǒng)物理構(gòu)架如圖1所示，由平臺層和前端設備層兩級架構(gòu)構(gòu)成。平臺層由流媒體服務器、存儲服務器、管理服務器、數(shù)據(jù)庫服務器以及移動終端、工作站、Web瀏覽器等客戶端組成。前端設備層主要包括部署于現(xiàn)場的便攜式攝像機、布控球等設備。

1.2 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用C/S+B/S的混合架構(gòu)設計，由前端設備、云服務管理、云存儲、接口服務層和應用層等平臺模塊組成。軟件框架如圖2所示。

1.2.1 云服務平臺層

該層是云服務平臺的核心，主要包含云服務管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、前置模塊和云存儲模塊等，提供主要的數(shù)據(jù)處理和功能服務。其中數(shù)據(jù)庫由實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫組成。實時數(shù)據(jù)庫為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，滿足采樣數(shù)據(jù)的實時刷新和顯示。

1.2.2 接口服務層

平臺層對外提供的統(tǒng)一中間件接口服務，實現(xiàn)云服務平臺與應用層的對接。

1.2.3 應用層

系統(tǒng)的人機界面顯示層，用戶通過瀏覽器或安裝相應客戶端程序?qū)崿F(xiàn)遠程訪問，支持PC機和移動終端（手機、Pad）等。監(jiān)控中心的監(jiān)控人員可通過PC的專業(yè)客戶端或瀏覽器對系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控和管理。移動終端上的APP應用主要提供系統(tǒng)的監(jiān)視和告警查看功能。

1.3 技術實現(xiàn)

1.3.1 流媒體技術

流媒體服務器采用分布式架構(gòu)，分布式系統(tǒng)因其有良好的可擴展性，可以通過增加服務器數(shù)量來增強分布式系統(tǒng)整體的處理能力，從而大大提高了系統(tǒng)對高并發(fā)訪問和海量數(shù)據(jù)處理實時性、可擴展性等性能的要求。通過在接近用戶的物理網(wǎng)絡區(qū)域部署用戶接入服務器，視頻流就近上傳，提高整個系統(tǒng)的訪問速率。分布式設計打破了單點接入的弊端，每一個部分都可以平滑地擴容，在用戶訪問、流媒體訪問和設備接入上，都具有良好的可擴展性和伸縮性，可以大大提高整個系統(tǒng)的容量、穩(wěn)定性和可靠性。流媒體分布式架構(gòu)示意如圖3所示。

1.3.2 RTP/RTCP、RTSP視頻傳輸技術

前端設備的視頻數(shù)據(jù)通過RTP/RTCP，RTSP協(xié)議傳輸至平臺的流媒體服務器，流媒體與客戶端之間視頻數(shù)據(jù)也通過RTP/RTCP、RTSP協(xié)議傳輸。在視頻數(shù)據(jù)的傳輸過程中，RTP 協(xié)議用來封裝具體的實時視頻流數(shù)據(jù)，RTCP 提供質(zhì)量控制和流量控制等功能，RTSP 用于控制流媒體數(shù)據(jù)在 IP 網(wǎng)絡中的具體傳輸過程。RTP/RTCP、RTSP等視頻傳輸技術通過jrtp，live 55等開源軟件包實現(xiàn)。RTP/RTCP，RTSP的關系如圖4所示。

1.3.3 基于3G/4G網(wǎng)絡的視頻數(shù)據(jù)傳輸技術

本系統(tǒng)采用3G/4G作為無線接入方式，鑒于傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)量較大，采用擁有更高壓縮比的第二代壓縮技術的H.264算法進行視頻壓縮。視頻傳輸過程中網(wǎng)絡帶寬為3G的均值碼率300 kb/s，傳輸延時約為50 ms，路由隊列管理則選用最簡單的直接丟棄方式。3G信道的示意如圖5所示。

從低帶寬傳輸視頻的角度考慮并兼顧視頻傳輸?shù)母咝院涂煽匦?，網(wǎng)絡傳輸協(xié)議在網(wǎng)絡層用UDP實現(xiàn)，而可靠性和可控性由應用層的RTP/RTCP完成。為了提高網(wǎng)絡利用率，將RTP包的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）定為512，以適應3G/4G的網(wǎng)絡傳輸環(huán)境。

為了防止3G無線網(wǎng)絡出現(xiàn)因外界干擾、遠近效應、小尺度衰落等導致丟包率波動而產(chǎn)生的偽擁塞現(xiàn)象，引入一個低通濾波器，以便在真正擁塞發(fā)生時及時調(diào)整傳輸速率，并保證傳輸速率的平滑，避免出現(xiàn)碼率的振蕩調(diào)節(jié)。經(jīng)過濾波的丟包率數(shù)據(jù)能更好地反映網(wǎng)絡的實際情況，從而有效調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送模式。在網(wǎng)絡狀況較好的情況下可以使用CIF畫質(zhì)并逐漸提升幀率，但是如果網(wǎng)絡出現(xiàn)了擁塞，可以改為QCIF畫質(zhì)并逐漸下調(diào)幀率。目前的碼率控制算法中，基于加性增乘性減（Additive Increase and Multiplicative Decrease，AIMD）的算法，由于其較小的計算復雜度得到了廣泛的應用。但是由于該算法是線性的，不能對快速變化的無線網(wǎng)絡提供較好的適應性和快速收斂性。為了減少發(fā)送端的計算量，采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一個簡化模型：

（1）

式（1）中MTU是傳輸所采用的最大傳輸單元（byte），λ是丟包率，回路往返時間（Round-Triptime，RTT），SendRate為該式確定的吞吐量（bit/s）。其中往返時間的計算需要用到 RR包中的LSR字段，用當前時間減去LSR可得RTT，發(fā)送端根據(jù)B（P）調(diào)整編碼器輸出碼率。

1.3.4 基于ICE的中間件接口設計

ICE（Internet Communications Engine）是一個面向?qū)ο蟮闹虚g件，提供分布式應用程序的解決方案，具有體積小、跨平臺、效率高等特點。ICE支持Windows，Linux等多種操作系統(tǒng)，并支持在多種開發(fā)語言上使用，如C++，C，Java，RUBY，Python，VB等。服務端可以是以上的任意一種語言實現(xiàn)，客戶端也可以根據(jù)自己的實際情況選擇不同的語言實現(xiàn)，如服務端采用C語言實現(xiàn)，而客戶端采用Java語言實現(xiàn)。ICE處理了所有底層的網(wǎng)絡接口編程，使我們可以專注于應用邏輯的開發(fā)。本系統(tǒng)通過ICE封裝平臺的流媒體、告警和數(shù)據(jù)庫等服務模塊接口，提供跨平臺的統(tǒng)一接口，支撐Web服務、移動終端的調(diào)用。

1.3.5 視頻存儲模塊

支持視頻數(shù)據(jù)的集中存儲、檢索和回放技術，存儲形式支持前端存儲、客戶端存儲和平臺存儲等多種方式。為了滿足流媒體高性能讀寫需求，視頻存儲服務采用緩存+分布式文件系統(tǒng)架構(gòu)，緩存區(qū)負責存儲當前一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)緩存，架構(gòu)如圖6所示。

寫數(shù)據(jù)時，先在視頻時序索引中插入該視頻文件版本號與視頻位置的對應關系，然后將數(shù)據(jù)寫入到“寫數(shù)據(jù)緩存區(qū)”，“寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)”再定期或根據(jù)數(shù)據(jù)量達到限制將數(shù)據(jù)寫入到分布式文件系統(tǒng)。

讀數(shù)據(jù)時，先從視頻時序索引中獲取該視頻文件起始版本號，然后從緩沖區(qū)中讀取，若讀到所需數(shù)據(jù)直接返回，若讀取失敗，則從分布式文件系統(tǒng)中讀取。

2 系統(tǒng)功能

（1）支持對現(xiàn)場移動視頻的實時播放、云臺控制、預置位調(diào)用和抓圖等功能；（2）實現(xiàn)對現(xiàn)場移動視頻的錄像存儲，并可按時間、地點等條件檢索錄像列表以及回放、下載錄像視頻的功能；（3）支持通過電子地圖顯示現(xiàn)場設備的位置、通信狀態(tài)、告警等信息，并可在電子地圖上點擊調(diào)閱設備視頻；（4）支持對現(xiàn)場設備的遠程配置、對時、重啟等功能；（5）系統(tǒng)支持通過Web瀏覽器、移動終端等多種方式使用；（6）系統(tǒng)具備用戶、用戶組、權限管理功能。

3 結(jié)語

基于云服務的電力移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可應用于省市級電力公司的檢修公司和安監(jiān)部等部門，實現(xiàn)對施工/檢修現(xiàn)場、安全巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監(jiān)控、統(tǒng)一存儲和統(tǒng)一管理。系統(tǒng)的應用將有效降低運維管理人員日常管理的工作量和工作難度，為用戶節(jié)省設備成本、人力資源成本和運行維護成本，提升電力安全作業(yè)水平。

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Abstract： Based on the distributed cloud services architecture， researched and developed the power mobile video monitoring system which applied to the provincial and municipal power company maintenance and safety supervision departments， to realize the construction/maintenance site， equipment patrol， transmission lines and other types of mobile video monitoring， unified storage and management， to provide effective means for safety supervision.

Key words： cloud service； mobile video； monitoring system