浙江水利視頻監(jiān)控云平臺(tái)研究

姜小俊 ，黃 康 ，余 魁

（1. 浙江省水利信息管理中心，浙江 杭州 310009；2. 杭州覽千信息科技有限公司，浙江 杭州 311215）

視頻監(jiān)控作為一種信息量豐富的傳感器，一直以來為防汛抗旱、水資源管理、水利工程運(yùn)行管理等提供了“眼見為實(shí)”的在線圖像信息，有效地支撐了管理決策。隨著監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量的增加和業(yè)務(wù)應(yīng)用的深入，浙江省水利視頻在線率低、共享困難、信息孤島等問題日益突出，不同的視頻系統(tǒng)往往服務(wù)于單個(gè)水利工程或單一縱向應(yīng)用，橫向協(xié)同困難，急需建立一個(gè)跨運(yùn)營商的統(tǒng)一視頻監(jiān)控平臺(tái)，整合全省水利視頻資源，服務(wù)于全省水利事業(yè)。

1 研究目標(biāo)

1.1 研究現(xiàn)狀

水利視頻應(yīng)用主要集中于水利工程管理、防汛抗旱、河道管理、大壩安全監(jiān)測、水文觀測等方面[1–7]，為水利管理提供了直觀、形象的視頻材料。文獻(xiàn) [8] 分析了視頻系統(tǒng)互聯(lián)難、共享少、重復(fù)建設(shè)等問題，指出了背后存在的部門利益壁壘和技術(shù)瓶頸，提出了整合共享平臺(tái)的宏觀架構(gòu)。文獻(xiàn) [9–10]對各自行業(yè)內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)范，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28181—2016 為視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和互聯(lián)互通提供了方向和依據(jù)[11–12]，但也存在著安全、管理、兼容性等方面不足[13]。

1.2 研究目標(biāo)

2008 年浙江省出臺(tái)了《浙江省水利工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定（試行）》，對水利工程自建監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)范。近 10 a 來，全省陸續(xù)建設(shè)了數(shù)以千計(jì)的水利工程視頻監(jiān)控點(diǎn)，存在自建、租賃等建設(shè)方式，技術(shù)水平差異較大。針對這些標(biāo)準(zhǔn)不一、互不兼容、共享困難的視頻監(jiān)控，提出利用云計(jì)算、開放平臺(tái)、視頻流媒體及 GIS 技術(shù)，建設(shè)全省統(tǒng)一的水利視頻云平臺(tái)，整合水利視頻監(jiān)控資源，實(shí)現(xiàn)歸口管理；通過開發(fā)視頻服務(wù)接口，為全省水利相關(guān)應(yīng)用提供服務(wù)，最大程度地實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控資源化。

2 總體設(shè)計(jì)

面對浙江省技術(shù)參差不齊的水利視頻監(jiān)控，不進(jìn)行改造或約束而建立統(tǒng)一平臺(tái)幾乎毫無可能，因此，平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)制度 2 個(gè)方面內(nèi)容，通過制定相應(yīng)技術(shù)規(guī)程規(guī)范視頻終端的建設(shè)和改造[14]。

2.1 總體架構(gòu)

按照先進(jìn)可擴(kuò)展、安全穩(wěn)定等要求，平臺(tái)總體按“五層架構(gòu)、兩套體系”設(shè)計(jì)，“五層架構(gòu)”自下而上包括網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)層、支撐層、服務(wù)層、應(yīng)用層，“兩套體系”包括網(wǎng)絡(luò)安全和信息化保障體系，如圖 1 所示。

圖 1 平臺(tái)總體架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)層包括有線和無線 2 類，基礎(chǔ)層包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備接入、協(xié)議管理等，支撐層為平臺(tái)各模塊提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，服務(wù)層為外部應(yīng)用共享視頻資源提供服務(wù)，業(yè)務(wù)應(yīng)用層為終端用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、地圖應(yīng)用、視頻接入等功能服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)信息安全體系是保障平臺(tái)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，技術(shù)保障體系是支撐平臺(tái)建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)部署

平臺(tái)基于云架構(gòu)部署，以省政府政務(wù)云為主適配，兼容公有云和自建私有云環(huán)境，重點(diǎn)建設(shè) PasS層和 SasS 層應(yīng)用。建設(shè)過程重點(diǎn)關(guān)注服務(wù)和協(xié)議的公開、共享性，確保云環(huán)境遷移不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)服務(wù)運(yùn)行環(huán)境需求，平臺(tái)將視頻診斷等模塊部署在實(shí)體服務(wù)器，將視頻播放、地圖 GIS、權(quán)限管理等服務(wù)部署在政務(wù)云。

3 功能設(shè)計(jì)

3.1 視頻接入

為規(guī)范接入流程，平臺(tái)規(guī)定接入監(jiān)控系統(tǒng)或設(shè)備需支持 GB/T 28181—2016 或 DB33/T 502—2004協(xié)議，視頻點(diǎn)可通過公網(wǎng)訪問。按接入方式不同，將全省水利視頻分為有、無監(jiān)控系統(tǒng) 2 類，未建監(jiān)控系統(tǒng)的視頻終端通過直聯(lián)方式接入，直聯(lián)包括主動(dòng)和被動(dòng)接入 2 種方式，建有監(jiān)控系統(tǒng)的視頻終端通過平臺(tái)級聯(lián)方式接入。

1）直聯(lián)接入。a）主動(dòng)接入。主動(dòng)接入針對有固定 IP 的終端，即可通過固定 IP 從公網(wǎng)訪問的監(jiān)控，這類終端接入方式是通過平臺(tái)主動(dòng)接入，在平臺(tái)端配置終端 IP 地址、端口、用戶名、密碼等相關(guān)參數(shù)，設(shè)備在線測試成功后，再根據(jù)規(guī)則進(jìn)行資源分配，完成接入工作，具體流程如圖 2 a 所示。b）被動(dòng)接入。被動(dòng)接入針對非固定 IP 終端，即設(shè)備固定 IP 未知，或是 IP 地址不固定，這類終端以主動(dòng)設(shè)備的方式接入平臺(tái)，在設(shè)備終端配置平臺(tái)接入方式、IP 地址、端口等相關(guān)參數(shù)，設(shè)備連接測試成功后，進(jìn)行資源分配，完成接入工作，具體流程如圖2 b 所示。

2）級聯(lián)接入。級聯(lián)接入針對監(jiān)控系統(tǒng)管理的視頻終端，通過平臺(tái)級聯(lián)方式接入云平臺(tái)。級聯(lián)通過雙方網(wǎng)關(guān)配置完成接入，不支持該協(xié)議的平臺(tái)需通過 NCG 級聯(lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行改造，然后再通過本方法接入云平臺(tái)，具體流程如圖 2 c 所示。DB 33 為浙江省內(nèi)地方標(biāo)準(zhǔn)，制定較早相對成熟，GB/T 28181 為全國標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍較廣，部分監(jiān)控系統(tǒng)可能涉及前端編碼程序升級改造。

3.2 視頻組織

1）目錄管理。根據(jù)水利業(yè)務(wù)管理需要，對視頻點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)屬性重構(gòu)，按照接入視頻的工程特征、屬性信息、設(shè)備參數(shù)等，從所屬地區(qū)、所在流域、工程類型、運(yùn)營商、工程狀態(tài)等方面進(jìn)行歸類，提高平臺(tái)的實(shí)用性。

2）視頻命名與編碼。水利視頻命名主要是依據(jù)“轄區(qū)+地點(diǎn)”定義?？h級以上轄區(qū)信息根據(jù)《全國縣及縣以上行政區(qū)劃代碼表》命名方法逐級定義，縣級以下轄區(qū)信息根據(jù)行政區(qū)劃情況自行命名定義。地點(diǎn)信息命名采用 AAA－BBB－CCCn方式，其中 AAA 為所在水利工程名，BBB 為具體位置，CCC 為具體設(shè)備類型，n表示該處第n個(gè)終端，如只有 1 個(gè)，則不需要列在命名中。

圖 2 視頻點(diǎn)接入平臺(tái)流程圖

視頻編碼采用分區(qū)域的編碼方法，由 19 位特征組合碼組成，1 位字母碼為工程類型碼，12 位數(shù)字碼為水利工程碼，2 位數(shù)字碼為設(shè)備類型碼，4 位數(shù)字碼為設(shè)備代碼。工程類型碼參考 SL 213—2012《水利工程代碼編制規(guī)范》進(jìn)行編碼，水利工程碼參考水利普查工程編碼，類別類型碼按球機(jī)、槍機(jī)、是否固定等進(jìn)行編碼，設(shè)備代碼為同一類型設(shè)備順序碼[15]。

3）地圖應(yīng)用。配上空間位置的視頻服務(wù)是水利視頻資源化的一種重要方式，具體坐標(biāo)在視頻注冊接入時(shí)錄入?；诨A(chǔ)地理和水利專題要素的底圖，將視頻點(diǎn)按圖層進(jìn)行管理，并分類型定位顯示。在資源目錄中點(diǎn)擊某個(gè)視頻可實(shí)現(xiàn)其地圖定位，在地圖視頻圖層上點(diǎn)擊某個(gè)視頻可在線瀏覽視頻內(nèi)容。

4）切片管理。為緩解大批量視頻同步實(shí)時(shí)連接對網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，結(jié)合水利工程外部特征變化相對不大的特點(diǎn)，云平臺(tái)大量采用視頻切片的管理方式[16]，開發(fā)切片軟件，從監(jiān)控視頻流按幀截取實(shí)時(shí)圖像，并以圖片形式存儲(chǔ)、發(fā)布和應(yīng)用。具體切片流程如圖 3 所示，切片分為輪詢、異常和手動(dòng)切片，輪詢切片由程序設(shè)定后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，異常切片由定義的視頻異常事件觸發(fā)，手動(dòng)切片由用戶人工觸發(fā)。按“視頻編碼 + 通道號 + 切片類型 + 切片時(shí)間”的命名規(guī)則對切片進(jìn)行統(tǒng)一編碼，精確標(biāo)識切片對應(yīng)水利工程、監(jiān)控終端、切片類型和時(shí)間，方便檢索與調(diào)用。同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的切片服務(wù)接口，通過授權(quán)服務(wù)于第三方應(yīng)用。

3.3 視頻服務(wù)

平臺(tái)提供視頻綜合監(jiān)控和接口服務(wù) 2 種視頻服務(wù)方式。

圖 3 視頻切片流程圖

1）綜合監(jiān)控。平臺(tái)綜合監(jiān)控基于資源目錄和統(tǒng)一地圖為用戶提供監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)視頻或切片查看功能，平臺(tái)后臺(tái)調(diào)用視頻診斷模塊過濾故障監(jiān)控點(diǎn)，為用戶提供正常視頻列表，并形成診斷日志。實(shí)時(shí)監(jiān)控默認(rèn)調(diào)入最新切片圖像，根據(jù)需要再進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻連接。登陸用戶按授權(quán)進(jìn)行視頻或切片信息查看，支持多畫面分割顯示、回放單路或多路實(shí)時(shí)視頻，并可對視頻進(jìn)行云臺(tái)操控。

2）接口服務(wù)。平臺(tái)接口服務(wù)為外部應(yīng)用提供視頻流或切片服務(wù)，視頻流服務(wù)以 API 方式提供在線視頻，切片服務(wù)以 Web Service 方式提供切片圖像。外部應(yīng)用通過平臺(tái)申請注冊并登記相關(guān)信息，生成應(yīng)用編號，然后平臺(tái)對應(yīng)用進(jìn)行審核，為通過審核的應(yīng)用發(fā)放密鑰，并進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)位授權(quán)，外部應(yīng)用通過注冊應(yīng)用編號和密鑰，調(diào)用平臺(tái) API 使用視頻資源。

3.4 系統(tǒng)管理

平臺(tái)系統(tǒng)管理提供了視頻接入、關(guān)注點(diǎn)、權(quán)限、服務(wù)等管理功能。接入管理提供接入視頻及其屬性信息的查詢、編輯等功能，關(guān)注點(diǎn)管理提供關(guān)注視頻定制功能，權(quán)限管理為不同用戶和外部應(yīng)用配置視頻監(jiān)控資源、操作和服務(wù)權(quán)限等，服務(wù)管理對外部應(yīng)用進(jìn)行審核和分發(fā)密鑰、配置視頻服務(wù)等。

4 平臺(tái)實(shí)例

本平臺(tái)不涉及視頻流存儲(chǔ)，各監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，平臺(tái)根據(jù)需要通過公網(wǎng)訪問前端設(shè)備。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）統(tǒng)一用戶。水利視頻對于防汛抗旱、搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急指揮至關(guān)重要，考慮到傳輸帶寬與視頻安全，確保視頻資源能夠優(yōu)先滿足關(guān)鍵應(yīng)用，需對用戶實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格管理，并規(guī)范使用日志。為此，云平臺(tái)對接浙江水利信息門戶統(tǒng)一用戶管理體系[17]，用戶認(rèn)證與管理由水利信息門戶完成，通過門戶實(shí)現(xiàn)實(shí)名制統(tǒng)一身份認(rèn)證和單點(diǎn)登錄。

2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)視頻資源與其他水利要素協(xié)同聯(lián)動(dòng)，更好地支撐管理決策，將非結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)納入水利數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一建設(shè)，實(shí)現(xiàn)視頻資源與相關(guān)水利要素有效集成，視頻監(jiān)控點(diǎn)通過其編碼中水利工程編碼與水利工程關(guān)聯(lián)，同時(shí)通過空間關(guān)系與水情、工情、雨情監(jiān)測點(diǎn)關(guān)聯(lián)，并置于浙江水利地圖統(tǒng)一平臺(tái)，可進(jìn)行空間疊加分析，既豐富了水利數(shù)據(jù)中心內(nèi)容，也提高了視頻資源的可用性和服務(wù)效率。

3）統(tǒng)一服務(wù)。水利視頻云平臺(tái)采用了微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，通過集成多協(xié)議制式的視頻流服務(wù)，支持多網(wǎng)域場景下的服務(wù)調(diào)度策略，支持結(jié)合特定業(yè)務(wù)場景的服務(wù)調(diào)度策略及調(diào)度策略的擴(kuò)展，可根據(jù)特定業(yè)務(wù)規(guī)則等調(diào)度服務(wù)。通過 API 的形式對外發(fā)布服務(wù)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了視頻資源化。

4）流媒體技術(shù)。平臺(tái)集成流媒體服務(wù)器技術(shù)，初步考慮按地市配置流媒體服務(wù)器，統(tǒng)一管理用戶對平臺(tái)視頻資源的訪問。流媒體服務(wù)器軟件對平臺(tái)視頻資源進(jìn)行管理，監(jiān)聽平臺(tái)訪問請求并及時(shí)響應(yīng)，以流式協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)發(fā)，保證用戶訪問視頻質(zhì)量和效率。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為支撐功能設(shè)計(jì)要求，平臺(tái)數(shù)據(jù)庫在存儲(chǔ)資源、用戶、應(yīng)用信息的同時(shí)，需結(jié)合權(quán)限控制策略，同步建立要素之間相互關(guān)系。平臺(tái)主要數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)如表 1 所示。

表 1 平臺(tái)主要數(shù)據(jù)表

4.3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

主流商業(yè)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)包括 Oracle，SQL Server，Sybase，DB2 等，開源平臺(tái)包括 MySQL，PostgreSQL等，目前 Oracle 等商業(yè)數(shù)據(jù)庫云化部署技術(shù)尚未成熟且軟件價(jià)格不菲，MySQL 等開源數(shù)據(jù)庫因其跨平臺(tái)、高性價(jià)比等優(yōu)勢受到青睞，Twitter，F(xiàn)acebook，淘寶等業(yè)界巨頭均有將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至 MySQL 的實(shí)際行動(dòng)，綜合考慮：1）MySQL 云化部署便捷性、跨平臺(tái)兼容、性價(jià)比高；2）平臺(tái)端不存儲(chǔ)視頻流，數(shù)據(jù)量總體可控；3）平臺(tái)與信息門戶集成，用戶訪問由信息門戶進(jìn)行實(shí)名制安全認(rèn)證[16]，后者已持續(xù)多年支撐浙江省水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)單點(diǎn)登錄認(rèn)證；4）MySQL5.7 以上版本結(jié)合主主、主從數(shù)據(jù)備份策略，已大大降低了數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)；5）開源 PostgreSQL結(jié)合 PostGIS 在空間數(shù)據(jù)管理上的優(yōu)勢；6）平臺(tái)分布式部署對于第三方軟件數(shù)量和部署便捷性要求等因素，提出平臺(tái)開發(fā)選型為，結(jié)合云部署設(shè)計(jì)，平臺(tái)基于 PostgreSQL，MySQL 數(shù)據(jù)庫，利用 Java，C++，Python 語言開發(fā)，PostgreSQL 用于存儲(chǔ)視頻流服務(wù)數(shù)據(jù)，MySQL 用于存儲(chǔ)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，Java用于業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊開發(fā)，C++ 用于底層視頻流服務(wù)模塊開發(fā)，Python 用于切片服務(wù)開發(fā)。基于本設(shè)計(jì)的浙江水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理視頻監(jiān)控平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)效果如圖 4 所示，截止目前平臺(tái)已接入全省水利視頻監(jiān)控點(diǎn)千余個(gè)，級聯(lián)方式接入約占 30%，直聯(lián)方式接入約占 70%，并已為浙江省防汛抗旱指揮系統(tǒng)（二期）、浙江省防汛減災(zāi)三維平臺(tái)等外部應(yīng)用提供初步視頻服務(wù)。

圖 4 浙江水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理視頻監(jiān)控平臺(tái)主界面

5 結(jié)語

針對浙江省水利視頻監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)不一、相互隔離、共享困難等現(xiàn)狀，建設(shè)跨運(yùn)行商的統(tǒng)一視頻監(jiān)控云平臺(tái)，通過終端直聯(lián)、平臺(tái)級聯(lián)等方式，實(shí)現(xiàn)了全省水利視頻的統(tǒng)一接入，并將視頻資源與地圖、水利工程、水資源監(jiān)測等進(jìn)行有效集成，開發(fā)了可供第三方使用的視頻服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了全省水利視頻監(jiān)控的整合及資源化，提高了視頻資源使用效率，也為相關(guān)行業(yè)視頻資源整合提供了參考。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升，以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)監(jiān)控越來越成為一種不可忽視的視頻采集方式，移動(dòng)視頻可作為固定水利視頻的重要補(bǔ)充，為防汛抗旱、應(yīng)急救災(zāi)、水資源管理等水應(yīng)用提供了泛在的視頻資源服務(wù)，平臺(tái)下一步將研究移動(dòng)視頻資源的整合接入，并在此基礎(chǔ)上考慮開展基于視頻圖像的水面和移動(dòng)目標(biāo)檢測等應(yīng)用。

作為全省水利視頻統(tǒng)一平臺(tái)，特定時(shí)期部分視頻點(diǎn)將面臨著高并發(fā)量訪問，防汛防臺(tái)期間影響范圍內(nèi)視頻監(jiān)控，各級相關(guān)管理部門都有訪問需求，常規(guī)高清視頻一路就占用 4 MB/s 帶寬，如果按照最大訪問量進(jìn)行帶寬資源配置無疑將造成巨大浪費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)帶寬將成為平臺(tái)進(jìn)一步推廣應(yīng)用瓶頸。為此，平臺(tái)下一步將考慮通過建立內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN），基于多個(gè)適當(dāng)帶寬配置的流媒體服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)訪問帶寬的負(fù)載均衡，保障用戶訪問體驗(yàn)。

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[11] 中華人民共和國公安部. 安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求：GB/T 28181—2016 [S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，2016.

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[14] 浙江省水利廳. 浙江省水利工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)程（試行）（浙水信〔2016〕2 號）[A]. 杭州：浙江省水利廳，2016.

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