基于云計(jì)算的化工廠污染源高清視頻監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宋 薇

(1.成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都 610103; 2.四川工商學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 611745)

工業(yè)革命以來，環(huán)境污染開始成為社會(huì)問題[1-3].一系列類似的污染事故接連發(fā)生，造成大量人類死亡.到了20世紀(jì)，隨著化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)勢(shì)崛起，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)生了所謂的“世界八大公害事件”[4].八大公害事件中有5個(gè)與化學(xué)廢棄物有關(guān)，因此，化學(xué)廢棄物處理是環(huán)境污染管理的最優(yōu)先事項(xiàng).

化學(xué)廢料污染不僅影響生態(tài)環(huán)境和公共衛(wèi)生，還會(huì)全面阻礙經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5-6].近年來，一些研究人員提出基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng).其中，文獻(xiàn)[7]利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS等先進(jìn)技術(shù)，將重點(diǎn)源企業(yè)、河流斷面、放射源等納入統(tǒng)一的環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)城市環(huán)境應(yīng)急現(xiàn)狀，建立三級(jí)環(huán)境安全防控體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境安全事故的有效預(yù)防、控制和處置.文獻(xiàn)[8]提出基于云計(jì)算的港口視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用.

1 化工廢氣污染與監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 化工廢氣污染

化工廢氣是化學(xué)工廠排出的有毒氣體.在化工廢氣中含有很多種類的污染物，具有復(fù)雜的物化性質(zhì)，不同的毒性，會(huì)危害自然環(huán)境，影響人的健康.不同化工生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生的化工廢氣成分差別很大.工業(yè)廢氣是大氣污染和環(huán)境污染的重要組成部分，是造成我國(guó)大部分地區(qū)出現(xiàn)霧霾天氣的主要原因之一( 化工廢氣排放見圖1).

在2007年之前，工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與工業(yè)廢氣的排放呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但不顯著，而環(huán)境規(guī)制對(duì)工業(yè)廢氣排放的抑制作用顯著.但2007年之后，工業(yè)技術(shù)進(jìn)步對(duì)工業(yè)廢氣排放的抑制作用顯著，而環(huán)境規(guī)制對(duì)工業(yè)廢氣排放的抑制程度較弱，這與我國(guó)節(jié)能減排政策及工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的偏向性有關(guān).近年來，盡管中國(guó)在節(jié)能和減排方面取得了顯著的成就，但霧霾天氣仍然頻繁出現(xiàn)，能源供應(yīng)和節(jié)能減排的壓力也在逐漸增加.空氣污染不僅影響環(huán)境和健康，而且阻礙了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排，許多權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)大氣污染進(jìn)行了深入研究.2011年12月，在中國(guó)環(huán)境研究中心發(fā)表了關(guān)于中國(guó)大氣污染來源的第一份報(bào)告《中國(guó)大氣污染來源報(bào)告》，明確了大氣污染物的主要來源，中國(guó)的工業(yè)廢氣排放受到前所未有的關(guān)注.

1.2 高清監(jiān)控系統(tǒng)的可行性

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高清晰度監(jiān)測(cè)，必須充分考慮方方面面，例如攝像機(jī)、視頻信號(hào)、編碼和解碼視頻、視頻網(wǎng)絡(luò)、視頻文件等.然而，這就導(dǎo)致了一系列新的問題，例如：需求空間的高要求，對(duì)服務(wù)器性能的壓力，以及對(duì)系統(tǒng)性能的要求也在提高.傳統(tǒng)的監(jiān)控架構(gòu)常常在一個(gè)平臺(tái)上使用大量的“穿孔”形式，從照相機(jī)到硬盤、網(wǎng)絡(luò)硬盤、視頻、數(shù)字集成平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、數(shù)字業(yè)務(wù)平臺(tái)、信息系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和其他終端設(shè)備.在不斷增加數(shù)據(jù)和改變業(yè)務(wù)場(chǎng)景的情況下，傳統(tǒng)架構(gòu)越來越難以滿足需求.因此，如何將新技術(shù)整合到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，形成一個(gè)新的模式，逐漸成為控制行業(yè)的熱門話題.

云計(jì)算的概念由谷歌最先提出，它沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)定義，云計(jì)算就是分配計(jì)算的技術(shù)[9-10]，這主要涉及到很多服務(wù)器.通過網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算任務(wù)，它將自動(dòng)分解為這些服務(wù)器的多個(gè)小部件，并將結(jié)果返回用戶，因此，可以使用云計(jì)算來監(jiān)視.使用標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器硬件和軟件，團(tuán)隊(duì)提供外部監(jiān)控服務(wù)于一個(gè)集群服務(wù)器.云計(jì)算的概念和方法充分利用了“云”計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量.

2 基于云計(jì)算高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)決定了能源的動(dòng)態(tài)需求和成本.云計(jì)算利用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控.云計(jì)算系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要更多的內(nèi)存和更多的容量.一般的儲(chǔ)存方法無法滿足性能及高畫質(zhì)的要求，因此要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)非常強(qiáng)大的云存儲(chǔ)庫.云存儲(chǔ)庫提供了類似線粒體表面積的擴(kuò)張，大大提高了存儲(chǔ)能力，并降低了存儲(chǔ)成本，大量的視頻可以存儲(chǔ)在網(wǎng)上.數(shù)據(jù)可以在任何時(shí)間或任何地點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，也不用擔(dān)心數(shù)據(jù)安全.供應(yīng)商保證數(shù)據(jù)不會(huì)在傳輸過程中丟失.用于監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的分布式架構(gòu)使用一個(gè)云應(yīng)用程序，支持多個(gè)層次上控制,采用模塊化結(jié)構(gòu).

建立一個(gè)統(tǒng)一的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，將化工廠污染源錄像與同一網(wǎng)絡(luò)連接起來.該系統(tǒng)平臺(tái)借助互聯(lián)網(wǎng)提供系統(tǒng)性服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)，以及軟件服務(wù)，如支持通信服務(wù).與此同時(shí)，在云計(jì)算架構(gòu)中，監(jiān)控軟件安裝在化工廠污染源監(jiān)控系統(tǒng)中.用戶可以使用WEB瀏覽器訪問整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用程序的所有視頻數(shù)據(jù).本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程圖如圖2 所示.

2.1 接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接入模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同的異質(zhì)接口設(shè)備的訪問，同時(shí)提供一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用接口.外部設(shè)備主要包括：模擬、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、硬盤、現(xiàn)有的平臺(tái).接入服務(wù)器模塊中的內(nèi)容可以共享數(shù)據(jù)流和信號(hào)流.接入模塊位于中心云調(diào)度系統(tǒng)和一個(gè)接口設(shè)備之間.它的主要目的是類似于“翻譯”，主要負(fù)責(zé)將cVideo的內(nèi)部控制信息轉(zhuǎn)換成一個(gè)由接口設(shè)備確定的管理信息，然后轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的內(nèi)部信息.接入模塊主要包括：外部設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、攝像頭、界面平臺(tái)等，以確保對(duì)cVideo平臺(tái)的透明訪問.接入模塊的操作環(huán)境是一種以C語言為基礎(chǔ)的Windows操作系統(tǒng)，當(dāng)接入模塊被發(fā)射時(shí)，它首先由中央模塊進(jìn)行注冊(cè).如果連續(xù)三次訪問失敗，登錄就會(huì)認(rèn)定為失敗，這個(gè)程序就會(huì)從系統(tǒng)中消失.如果注冊(cè)是成功的，它將正式進(jìn)入工作狀態(tài).為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和對(duì)系統(tǒng)中斷的響應(yīng)，將不會(huì)導(dǎo)致直接的結(jié)束而出現(xiàn)不必要的問題.

接入模塊將是一個(gè)消息(Socket)，用于監(jiān)測(cè)和處理子進(jìn)程，而父進(jìn)程則是等待和監(jiān)聽系統(tǒng)中斷的信息.每一個(gè)子系統(tǒng)都將收到從中心云調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送的信息，然后處理新的子流，以確保并行工作和管理.根據(jù)外部設(shè)備的信息，有一個(gè)對(duì)應(yīng)的SDK，可以訪問外部設(shè)備.返回的信息被注入到平臺(tái)上的信息，返回到中心端.

2.2 存儲(chǔ)模塊與處理系統(tǒng)

存儲(chǔ)模塊包括兩個(gè)部分：客戶端軟件和存儲(chǔ)服務(wù)器.存儲(chǔ)庫的客戶機(jī)軟件部署到服務(wù)器集群中，集中在中央服務(wù)器上，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中.存儲(chǔ)服務(wù)器為整個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)容量巨大的存儲(chǔ)庫.中心端處理服務(wù)器和通量服務(wù)器可以訪問存儲(chǔ)庫，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、處理和視頻播放.

處理系統(tǒng)屬于中央控制中心，主要責(zé)任是分析、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分配.這就完成了對(duì)視頻訪問的所有處理任務(wù)，包括訪問一些處理和檢查的任務(wù).

2.3 中心云調(diào)度系統(tǒng)

中心云調(diào)度系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)集成和調(diào)用系統(tǒng)中的其他模塊.用戶在終端上啟動(dòng)請(qǐng)求，進(jìn)入中央服務(wù)器.服務(wù)器的中央規(guī)劃管理系統(tǒng)將相應(yīng)的模塊在特定的查詢系統(tǒng)中處理.最后，處理的結(jié)果返回用戶顯示和觀看.與此同時(shí)，中心云調(diào)度系統(tǒng)也為應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一的接口，大大改進(jìn)了可伸縮性，并對(duì)其他外部平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接.例如，如果用戶使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，那么在前面的計(jì)劃中，視頻將被重新編碼.完成之后，中央服務(wù)器返回客戶瀏覽器管理單元的視頻通量，而播放列表的內(nèi)容則顯示相關(guān)的視頻.

中央調(diào)度模塊的主要功能和任務(wù)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、視頻控制、設(shè)備控制和用戶控制.在啟動(dòng)了整個(gè)云的規(guī)劃模塊之后，它將繼續(xù)監(jiān)聽Socket的消息，按照不同用戶終端的不同要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)和規(guī)劃，并注意到有關(guān)用戶終端的集群或視頻通量.將得到的一些線索記錄下來，然后再進(jìn)行檢查.

2.4 云計(jì)算過程

云推理過程即云計(jì)算過程，其步驟為：對(duì)參數(shù)值A(chǔ)1,A2,…,An中的Ai進(jìn)行數(shù)值云化，得到一個(gè)特定的定性概念Ti，形成了一組定性概念的參數(shù)值T1,T2,…,Tn稱為云參數(shù)值，然后將其云推理的輸入進(jìn)行不確定推理.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文提出的應(yīng)用云計(jì)算架構(gòu)的化工廠污染源高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能，實(shí)時(shí)采集了某工廠各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的視頻畫面進(jìn)行模擬分析.將采集得到的視頻圖像進(jìn)行傳輸、儲(chǔ)存、查詢等基于本文提出的應(yīng)用云計(jì)算架構(gòu)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作.整個(gè)測(cè)試階段，畫面清晰流暢.將兩種不同監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示.

表1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

Tab.1Thecomparisonofcomputersystemoperatingdata

指標(biāo)監(jiān)控前端數(shù)量網(wǎng)絡(luò)速率CPU使用率內(nèi)存使用率服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間常規(guī)487 Mbs73.48%9 878.25M243 ms云計(jì)算4816 Mbs12.24%1 102.63 M114 ms

從表1可以看出，在監(jiān)控前端數(shù)量相同的情況下，網(wǎng)絡(luò)速率、CPU使用率、內(nèi)存使用率和服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)，運(yùn)用云計(jì)算架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)的性能均優(yōu)于常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性.