基于4G物聯(lián)網(wǎng)卡的黃墩湖滯洪區(qū)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用探討

呂鴻燕 祁德麗 蔣 雯 韓 寧 錢 杭

黃墩湖滯洪區(qū)屬于沂沭泗河流域邳蒼片區(qū)。由于黃河南侵淤塞河道，水系遭到極大破壞，致使該地區(qū)水旱災(zāi)害頻繁。黃墩湖滯洪區(qū)地處徐州、宿遷兩市邊界,其范圍包括中運(yùn)河以西、房亭河以南、廢黃河以北、徐洪河以東區(qū)域，面積約230km2；南面駱馬湖南側(cè)的三角地帶，面積約30km2。滯洪區(qū)內(nèi)行政區(qū)劃包括徐州市的邳州市、睢寧縣和宿遷市的宿豫區(qū),區(qū)內(nèi)現(xiàn)有人口13.4萬(wàn)，耕地17.1萬(wàn)畝。滯洪區(qū)內(nèi)地面高程一般在21.5m左右，最低處僅19.0m，滯洪時(shí)水位可達(dá)26.0m，有效滯洪庫(kù)容11.1億m3。如預(yù)報(bào)駱馬湖水位超過(guò)26.0m，當(dāng)駱馬湖水位達(dá)到25.5m時(shí)，啟用黃墩湖滯洪區(qū)滯洪，確保宿遷大控制安全。

一、系統(tǒng)必要性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃墩湖滯洪區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路交通狀況大幅改善，實(shí)現(xiàn)了村村通。黃墩湖滯洪區(qū)撤退道路的布置是與滯洪區(qū)內(nèi)村莊、人員分布、現(xiàn)狀道路分布，以及通向滯洪區(qū)外出口分布密切相關(guān)。黃墩湖滯洪區(qū)東西向?qū)挾燃s8km、南北向長(zhǎng)度約27km。其中，安全撤退道路總網(wǎng)絡(luò)以S250為縱向道路，布置為貫穿南北的主干道；橫向以民便河為界，南北兩側(cè)各布置兩條貫穿東西的主干道：橫1～橫4，形成一縱四橫的主骨架，并與16條干道構(gòu)成撤退道路的總框架，和其間59條出村莊道路（支線）相連接。從撤退線路看，S250利用率最高，撤退轉(zhuǎn)移人員最多。

通過(guò)在重要撤退道路旁建立黃墩湖滯洪區(qū)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)行滯洪人員疏散轉(zhuǎn)移、行滯洪洪水淹沒(méi)范圍及程度等實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤偵探、視訊采集傳輸、視像顯示存儲(chǔ)等，為領(lǐng)導(dǎo)提供行滯洪實(shí)時(shí)視像信息，以滿足調(diào)度決策指揮、指令擬定發(fā)布等需要。

二、設(shè)計(jì)思路

一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，而黃墩湖滯洪區(qū)地域?qū)拸V，前端視頻監(jiān)視設(shè)備分布零散且距離遠(yuǎn)，如果視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸方式，布線投資巨大且施工困難，維護(hù)管理不便。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于4G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的傳輸、管理、分析、應(yīng)用提供了條件。目前，通信運(yùn)營(yíng)商均推出了4G物聯(lián)網(wǎng)卡，硬件和外觀與普通SIM卡相似。4G物聯(lián)網(wǎng)卡加載了針對(duì)智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的專業(yè)化功能，采用專用號(hào)段，滿足智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的管理需求，以及用戶移動(dòng)信息化應(yīng)用需求。

4 G無(wú)線視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)則是通過(guò)融合4G技術(shù)、視音頻編解碼、數(shù)字加解密、網(wǎng)絡(luò)傳等輸技術(shù)，憑借無(wú)線性、移動(dòng)性、便攜性、高帶寬、高清晰度、雙向性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)數(shù)字圖像和聲音通過(guò)多路4G無(wú)線鏈路進(jìn)行高清處理和流暢傳輸，能夠廣泛用于有限視頻監(jiān)控難以部署的領(lǐng)域。

三、無(wú)線視頻傳輸方式

視頻信號(hào)傳輸需要穩(wěn)定可靠，而無(wú)線視頻傳輸最大困擾是穩(wěn)定性。隨著4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點(diǎn)面向農(nóng)村，運(yùn)營(yíng)商的基站已覆蓋到各鄉(xiāng)村，實(shí)現(xiàn)了4G網(wǎng)絡(luò)“村村通”，解決了因滯洪區(qū)面積大、監(jiān)控點(diǎn)分布零散帶來(lái)的無(wú)線傳輸穩(wěn)定性問(wèn)題。4G無(wú)線鏈路通道包含上行和下行2個(gè)方向的傳輸通道，無(wú)線視頻監(jiān)控主要是在控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)控前段視頻圖像，需要前段監(jiān)控點(diǎn)的圖像持續(xù)不斷的傳送到控制中心，因此使用的是無(wú)線鏈路的上行通道。4G網(wǎng)絡(luò)理論下行鏈路速度為100Mbps，上行為20Mbps，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，滯洪區(qū)域內(nèi)均能接收到4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)且上傳速率達(dá)到5Mbps。

圖1 VPDN方式接入示意圖

考慮4G無(wú)線視頻監(jiān)視系統(tǒng)的信息安全性，4G物聯(lián)網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)傳輸可采用VPDN方式接入（見(jiàn)圖1），利用L2TP或GRE隧道技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)客戶構(gòu)建與公眾互聯(lián)網(wǎng)隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封包和加密并在公網(wǎng)上傳輸私有數(shù)據(jù)，達(dá)到私有網(wǎng)絡(luò)的安全級(jí)別，組成專網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)和信息安全可靠。前端無(wú)線攝像機(jī)使用物聯(lián)網(wǎng)卡接入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)記錄物聯(lián)網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)的硬件信息，確保無(wú)線攝像機(jī)只能訪問(wèn)水利專網(wǎng)特定的業(yè)務(wù)地址，實(shí)現(xiàn)無(wú)線攝像機(jī)和水利專網(wǎng)的業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，非指定業(yè)務(wù)地址不能直接訪問(wèn)無(wú)線攝像機(jī)，能夠有效地保護(hù)無(wú)線攝像機(jī)免受外部攻擊，提升無(wú)線攝像機(jī)的安全性。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

黃墩湖滯洪區(qū)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可采用分層分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控、人機(jī)交互通訊、遠(yuǎn)距離編解碼傳輸控制等技術(shù)，將前端圖像記錄、云臺(tái)鏡頭遙控、無(wú)線傳輸、后端顯示存儲(chǔ)等多種功能融于一體，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸和資源共享，便于軟硬件的維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。

2.框架結(jié)構(gòu)

黃墩湖滯洪區(qū)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前段視頻采集及存儲(chǔ)、4G物聯(lián)卡網(wǎng)絡(luò)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和太陽(yáng)能供電4部分組成，監(jiān)控中心和監(jiān)視點(diǎn)通過(guò)水利防汛通信專網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)連接，構(gòu)成一個(gè)多級(jí)聯(lián)網(wǎng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)。各部分主要功能如下：

（1）前端設(shè)備

前端設(shè)備作為整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的第一線，由攝像機(jī)、存儲(chǔ)卡和4G物聯(lián)卡組成，負(fù)責(zé)視頻圖像的采集、編碼、傳輸、存儲(chǔ)以及報(bào)警信號(hào)的采集。因前端設(shè)備主要應(yīng)用于滯洪期間，設(shè)備日常具有定時(shí)休眠、定時(shí)喚醒、人工休眠、人工喚醒功能，喚醒抓拍完成后，一分鐘未接收命令即自動(dòng)休眠。當(dāng)設(shè)備喚醒后按照預(yù)設(shè)路線和預(yù)置位（云臺(tái)和鏡頭）進(jìn)行巡航抓拍；抓拍圖片具有時(shí)間+地點(diǎn)+預(yù)置位編號(hào)，并可以根據(jù)圖片名稱進(jìn)行歸檔管理圖片，采用這種方式可以節(jié)省流量費(fèi)用，降低設(shè)備運(yùn)行負(fù)載。圖像存儲(chǔ)采用兩端存儲(chǔ)方式，平時(shí)視頻圖像直接存儲(chǔ)于前端存儲(chǔ)卡中并保存一段時(shí)間，需要上傳時(shí)與控制中心連線，將圖像打包壓縮傳輸，前端圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并存儲(chǔ)。

（2）4G物聯(lián)卡網(wǎng)絡(luò)傳輸

通過(guò)前端4G物聯(lián)網(wǎng)卡與控制中心核心路由組成虛擬內(nèi)網(wǎng)，以中國(guó)電信4G組網(wǎng)為例，方式如下：①前端無(wú)線攝像機(jī)設(shè)置好水利專網(wǎng)專用APN即“接入點(diǎn)名稱”。前端無(wú)線攝像機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起附著請(qǐng)求，攜帶VPDN APN信息。②前端無(wú)線攝像機(jī)通過(guò)eHPRD網(wǎng)絡(luò)接入到HSGW，在完成了接入鑒權(quán)后，HSGW將會(huì)向PGW發(fā)起綁定更新請(qǐng)求，并攜帶前端無(wú)線攝像機(jī)的APN、手機(jī)號(hào)碼等信息。③PGW發(fā)現(xiàn)前端無(wú)線攝像機(jī)使用的是特殊的VPDN專用APN，將前端無(wú)線攝像機(jī)信息（APN、賬號(hào)、密碼、MDN）封裝成radius報(bào)文并向VPDN AAA發(fā)起一次認(rèn)證（水利專網(wǎng)有一個(gè)公共的賬號(hào)密碼）。④VPDN AAA根據(jù)認(rèn)證請(qǐng)求中APN信息以及MDN，對(duì)應(yīng)到具體的隧道信息，并在認(rèn)證響應(yīng)報(bào)文中攜帶LNS地址和密鑰。⑤PGW與LNS設(shè)備通過(guò)CN2專網(wǎng)建立隧道連接。PGW與LNS通信過(guò)程中，會(huì)將用戶IMSI和MDN號(hào)碼，以及共用的用戶名和密碼發(fā)送給前端無(wú)線攝像機(jī)LNS。⑥前端無(wú)線攝像機(jī)側(cè)LNS接收到PGW轉(zhuǎn)發(fā)的用戶名和密碼后，將相關(guān)信息（撥號(hào)帳號(hào)、密碼、MDN)發(fā)送給二次認(rèn)證AAA進(jìn)行認(rèn)證。二次認(rèn)證AAA負(fù)責(zé)對(duì)前端無(wú)線攝像機(jī)手機(jī)號(hào)碼和賬號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，控制合法用戶接入。此外，二次認(rèn)證AAA可以實(shí)現(xiàn)基于前端無(wú)線攝像機(jī)賬號(hào)或者號(hào)碼分配固定IP地址等功能。⑦隧道建立成功，用戶連入內(nèi)網(wǎng)。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的指揮中心，完成對(duì)所有設(shè)備的控制、管理、檢測(cè)及權(quán)限的分配?？刂浦行脑O(shè)備由視頻管理平臺(tái)軟件及服務(wù)器、VPDN路由服務(wù)器、中心交換機(jī)、視頻監(jiān)控工作站和LED拼接屏組成。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心核心視頻管理平臺(tái)的重要功能：視頻管理平臺(tái)采用C/S與B/S混合體系結(jié)構(gòu)，功能包括通過(guò)客戶端和瀏覽器可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的一切情況，可對(duì)任一攝像機(jī)進(jìn)行控制，并對(duì)攝像機(jī)的預(yù)置位和巡航進(jìn)行設(shè)置控制；可實(shí)現(xiàn)多級(jí)平臺(tái)級(jí)聯(lián)，上級(jí)平臺(tái)能夠?qū)ο录?jí)平臺(tái)及所轄監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行管理，能夠調(diào)閱所有錄像；對(duì)監(jiān)控視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，記錄報(bào)警前后的現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用回放錄；支持對(duì)前段設(shè)備進(jìn)行集中的管理和控制；支持對(duì)分布在各區(qū)域的存儲(chǔ)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的集中管理；支持在一臺(tái)客戶端上就可以對(duì)整網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行批量配置下發(fā)、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程操作、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)等操作；能夠?qū)崿F(xiàn)智能主動(dòng)監(jiān)控，具備視頻質(zhì)量診斷。

視頻管理平臺(tái)還可以同步集成視頻網(wǎng)管系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)可視化系統(tǒng)等，集中呈現(xiàn)綜合應(yīng)用功能。

（4）太陽(yáng)能

由于監(jiān)控點(diǎn)安裝位置較偏僻，加之滯洪時(shí)無(wú)法取得未定的供電電源，因此采用太陽(yáng)能的供電方式為前端攝像機(jī)供電。供電部分由單晶硅太陽(yáng)能電池組件、蓄電池、逆變器、智能控制器等設(shè)備組成，保證在夜間和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)，設(shè)備也能正常運(yùn)行3～5天。

五、結(jié)語(yǔ)

黃墩湖滯洪區(qū)建立遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻圖像傳輸，通過(guò)VPDN接入方式，不僅解決了有限傳輸無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題，而且系統(tǒng)具有高安全性、高穩(wěn)定性、高清晰度的傳輸效果。4G物聯(lián)卡的使用則實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)群的“實(shí)時(shí)管理”“實(shí)時(shí)控制”，共享設(shè)備流量使流量使用最大化。但無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為單種設(shè)備系統(tǒng)，如何更好地使其與廣播、電子屏等其他預(yù)警設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)預(yù)警，將是充分發(fā)揮多種設(shè)備預(yù)警功效的一個(gè)方向