一種指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控方法1

王青平 鄭 超 肖 健 林巖釗 張樹君

（福建省地震局，福州 350003）

引言

按照“福建及臺(tái)灣海峽三維地殼結(jié)構(gòu)陸海聯(lián)合探測(cè)實(shí)驗(yàn)（2016—2018）”的總體規(guī)劃方案，分三期在三個(gè)區(qū)域開展探測(cè)工作，予以查明福建及臺(tái)灣海峽主要斷裂帶的深部構(gòu)造背景。2016、2017 年分別完成了第Ⅰ、Ⅱ區(qū)塊的探測(cè)工作（張藝峰等，2017；金震等，2018），2018年繼續(xù)在福建及臺(tái)灣海峽北部地區(qū)完成第Ⅲ區(qū)塊的三維陸海聯(lián)測(cè)探測(cè)工作，陸上利用移動(dòng)式水庫(kù)氣槍震源系統(tǒng)在泉州龍門灘水庫(kù)、南平沙溪口水庫(kù)進(jìn)行主動(dòng)源激發(fā)；海上震源船在福州、莆田、泉州外海沿測(cè)線進(jìn)行走航式和定點(diǎn)式氣槍主動(dòng)源激發(fā)探測(cè)（見(jiàn)圖1）。陸海均布置地震儀，實(shí)現(xiàn)陸海雙向激發(fā)和雙向觀測(cè)。

2016、2017 年陸海聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)期間，在廈門設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)指揮部，搭建氣槍震源運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（陳超賢等，2017；王青平等，2019）、信號(hào)自動(dòng)處理（林彬華等，2017；黃艷丹等，2017）、信號(hào)人工分析（陳惠芳等，2017）等多套技術(shù)系統(tǒng)，對(duì)陸域水庫(kù)定點(diǎn)激發(fā)、海域定點(diǎn)激發(fā)和走航式激發(fā)的激發(fā)效果進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)搭建2 套視頻會(huì)議系統(tǒng)，保障陸域水庫(kù)和海域震源船與指揮部音視頻互聯(lián)互通（林巖釗等，2016）。經(jīng)過(guò)多年努力，現(xiàn)場(chǎng)指揮部技術(shù)系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化水平得到顯著提升（肖健等，2017；張樹君等，2018）。但技術(shù)人員需到現(xiàn)場(chǎng)指揮部才能看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；陸域水庫(kù)和海域震源船的科技人員無(wú)法快速掌握氣槍激發(fā)效果；行業(yè)專家需蒞臨現(xiàn)場(chǎng)指揮部才能對(duì)氣槍激發(fā)效果進(jìn)行綜合評(píng)估。亟需一套能在移動(dòng)終端上對(duì)現(xiàn)有指揮部技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)。

圖1 2016-2018 年陸海聯(lián)測(cè)工作區(qū)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the Land-sea joint survey work area in 2016—2018

本文以實(shí)際需求為導(dǎo)向，在原有指揮調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多套IP 視頻流轉(zhuǎn)換器和一套網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，利用視頻編碼器將指揮部技術(shù)系統(tǒng)的輸出視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為ONVIF 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)視頻流，通過(guò)局域網(wǎng)接入硬盤錄像機(jī)，最終在移動(dòng)終端上安裝硬盤錄像機(jī)客戶端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮部技術(shù)系統(tǒng)的可移動(dòng)監(jiān)控。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 視頻信號(hào)

視頻信號(hào)的組成和存儲(chǔ)方式可分為模擬視頻和數(shù)字視頻，模擬視頻即由連續(xù)的模擬信號(hào)組成視頻圖像，傳統(tǒng)電視、錄像帶上的畫面通常以模擬視頻的形式出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輸出的VGA視頻為典型的模擬視頻信號(hào)。模擬視頻監(jiān)控以其技術(shù)的成熟性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)外監(jiān)控領(lǐng)域占據(jù)一席之地，但因其在視頻清晰度、視頻傳輸距離等方面存在限制，影響其應(yīng)用范圍與發(fā)展（張海燕，2013）。隨著數(shù)字視頻處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻信號(hào)的發(fā)展如火如荼，以高清畫質(zhì)、方便性、易擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)輸出的DVI、HDMI 視頻為典型的數(shù)字視頻信號(hào)。

1.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控通常由前端視頻采集設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、控制設(shè)備、監(jiān)控顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等組成（王金等，2015）。視頻采集設(shè)備通常為紅外高速球機(jī)、紅外一體機(jī)、激光夜視儀、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等；傳輸系統(tǒng)由同軸電纜、網(wǎng)線或視頻光端機(jī)與光纜等組成；控制設(shè)備主要由視頻矩陣切換器、視頻拼接器和控制鍵盤等組成；顯示單元主要為監(jiān)視器或電視墻等，負(fù)責(zé)顯示控制設(shè)備調(diào)度的視頻信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要為硬盤錄像機(jī)，常見(jiàn)的有錄制模擬視頻的模擬硬盤錄像機(jī)（Digital Video Recorder，簡(jiǎn)稱DVR）、錄制數(shù)字視頻的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（Network Video Recorder，簡(jiǎn)稱NVR）及DVR 與NVR 的混合體XVR。

1.3 陸海聯(lián)測(cè)指揮部視頻信號(hào)

陸海聯(lián)測(cè)指揮部監(jiān)控包括技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 視頻、HDMI 視頻及指揮部現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻，涉及模擬視頻和數(shù)字視頻，信號(hào)種類多樣，如表1 所示。

表1 陸海聯(lián)測(cè)指揮部技術(shù)系統(tǒng)視頻信號(hào) Table 1 Video signal of land-sea joint survey command

傳統(tǒng)的DVR 硬盤錄像機(jī)只能錄制指揮部現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控BNC 視頻，而其他技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 和HDMI 視頻無(wú)法直接錄制，雖可利用VGA 轉(zhuǎn)BNC 轉(zhuǎn)換器或HDMI 轉(zhuǎn)BNC 轉(zhuǎn)換器將視頻信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)成BNC，但轉(zhuǎn)換后的BNC 模擬視頻較原始信號(hào)的清晰度差距較大（見(jiàn)圖2）。因此，傳統(tǒng)DVR 硬盤錄像機(jī)無(wú)法滿足地震波波形等精細(xì)化顯示的實(shí)際需求。

圖2 原始計(jì)算機(jī)VGA 信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的BNC 信號(hào) Fig.2 Comparison of original computer VGA and converted BNC signal

而主流的NVR 硬盤錄像機(jī)無(wú)法直接接入VGA、HDMI 和BNC 信號(hào)。若使VGA、HDMI視頻信號(hào)接入NVR 硬盤錄像機(jī)，需通過(guò)統(tǒng)一的協(xié)議將VGA 或HDMI 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)成可接入NVR 硬盤錄像機(jī)的轉(zhuǎn)換設(shè)備。

1.4 ONVIF 協(xié)議

2008 年5 月，由安訊士聯(lián)合博世及索尼公司宣布攜手共同成立國(guó)際開放型網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口開發(fā)論壇，取名為ONVIF(Open Network Video Interface Forum)，并以公開、開放的原則共同制定開放性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是在世界范圍內(nèi)推動(dòng)不同廠商視頻監(jiān)控產(chǎn)品的相互兼容（鄧凱等，2016）。ONVIF 標(biāo)準(zhǔn)為網(wǎng)絡(luò)視頻設(shè)備之間的信息交換定義通用協(xié)議，包括裝置搜尋、實(shí)時(shí)視頻、音頻、元數(shù)據(jù)和控制信息等。目前，ONVIF 已擁有近500 家會(huì)員，主要來(lái)自基于IP 的監(jiān)控產(chǎn)品市場(chǎng)，涵蓋制造商、軟件開發(fā)商、系統(tǒng)集成商、終端用戶和咨詢公司等，國(guó)內(nèi)攝像頭廠商?？低暫痛笕A也已加入，作為ONVIF 成員，其產(chǎn)品完全支持ONVIF協(xié)議。

ONVIF 基于互聯(lián)網(wǎng)思想，設(shè)備管理和控制部分所定義的接口均以Web services 的形式提供，采用基于XML 的WSDL 描述。服務(wù)端與客戶端的數(shù)據(jù)交互采用SOAP 協(xié)議，ONVIF中的其他部分如音視頻流則通過(guò)RTP/RTSP 協(xié)議進(jìn)行。其優(yōu)勢(shì)在于為網(wǎng)絡(luò)視頻設(shè)備之間的信息交換定義通用協(xié)議，遵循ONVIF 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品間兼容性更強(qiáng)，其協(xié)議族完備，支持廠商數(shù)量多，市場(chǎng)成熟度和占有率高（張園等，2018）。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括中心管理單元(Center Manager Unit，CMU)、監(jiān)控前端單元（Prefocus Unit，PU）和客戶端單元（Client Unit，CU）。其中PU 負(fù)責(zé)在CMU 控制下使用攝像機(jī)采集視頻流、使用麥克風(fēng)采集音頻流、使用控制口采集報(bào)警信息、對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭進(jìn)行控制等；CU 負(fù)責(zé)將PU 采集到的視頻流、音頻流、報(bào)警信息提交給監(jiān)控用戶，并根據(jù)用戶要求操作PU 設(shè)備的云臺(tái)等。

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖3 所示。PU 設(shè)備上線后向CMU 注冊(cè)，建立連接后，CMU與PU 進(jìn)行指令交互，獲取相應(yīng)的配置參數(shù)；CU 設(shè)備上線后，也向CMU 注冊(cè)，建立連接后，CMU 與CU 進(jìn)行指令交互，傳輸設(shè)備列表；最后CU 向PU 請(qǐng)求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。

使用ONVIF 協(xié)議后，視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程為（見(jiàn)圖4）：PU 上線后，向CMU 發(fā)送Hello消息，CMU 需要搜尋設(shè)備時(shí)，向PU 發(fā)送Probe 消息，CMU 與PU 進(jìn)行指令交互，獲取相應(yīng)的配置參數(shù)；CU 上線向CMU 注冊(cè)，建立連接后，CMU 與CU 進(jìn)行指令交互，傳輸設(shè)備列表；最后在CMU 的協(xié)調(diào)下，CU 向PU 請(qǐng)求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。使用ONVIF 協(xié)議PU 與CMU 的交互方式發(fā)生了變化，CMU 不再與PU 保持長(zhǎng)連接。

圖3 傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程 Fig.3 Process of traditional video surveillance system

圖4 使用ONVIF 協(xié)議的視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程 Fig.4 Process of video surveillance system with ONVIF

由于采用WSDL+XML 模式，使ONVIF 規(guī)范的后續(xù)擴(kuò)展較順利。不同廠商提供的產(chǎn)品均可通過(guò)統(tǒng)一的“語(yǔ)言”進(jìn)行交流，方便了系統(tǒng)的集成；終端用戶和集成用戶不被某些設(shè)備的固有解決方案所束縛，大大降低了開發(fā)成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

圖5 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu) Fig.5 Architecture diagram of mobile monitoring system of Command technical system

系統(tǒng)由硬件支撐層、信息資源層、服務(wù)產(chǎn)品層和用戶應(yīng)用層組成。其中硬件支撐層主要由視頻分配器、視頻編碼器、硬盤錄像機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，為系統(tǒng)提供運(yùn)行支撐的基礎(chǔ)平臺(tái)；信息資源層是指揮部技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)出的各類信號(hào)源，包括VGA 視頻源、HDMI 視頻源和監(jiān)控視頻源；服務(wù)產(chǎn)品層是系統(tǒng)的核心，主要包括視頻錄制、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和可移動(dòng)監(jiān)控服務(wù)；用戶應(yīng)用層是系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn)，為指揮部技術(shù)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)視頻錄制服務(wù)，為現(xiàn)場(chǎng)指揮人員提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控服務(wù)，為不在指揮部的技術(shù)人員和行業(yè)專家提供可移動(dòng)監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)流程

圖6 所示為指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)流程。通過(guò)VGA 或HDMI 視頻ONVIF 轉(zhuǎn)換器，將技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 和HDMI 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成ONVIF 標(biāo)準(zhǔn)視頻流，與監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流一起匯入混合硬盤錄像機(jī)，進(jìn)行視頻錄制，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的PC 和不在現(xiàn)場(chǎng)的可移動(dòng)終端上提供監(jiān)控服務(wù)。

圖6 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程 Fig.6 Data flow chart of mobile monitoring system of Command technical system

本文提出的指揮部技術(shù)系統(tǒng)移動(dòng)監(jiān)控具有如下特點(diǎn)：

（1）輸入信號(hào)兼容性強(qiáng)：系統(tǒng)輸入的視頻信號(hào)為指揮部技術(shù)系統(tǒng)輸出的計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)，主要為HDMI 或VGA 信號(hào)，均可通過(guò)相應(yīng)的HDMI 或VGA 視頻編碼器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)ONVIF協(xié)議的視頻流接入混合硬盤錄像機(jī)，這些輸入的計(jì)算機(jī)HDMI 或VGA 信號(hào)均可在移動(dòng)監(jiān)控終端上進(jìn)行監(jiān)控顯示，輸入信號(hào)兼容性強(qiáng)。

（2）快速部署擴(kuò)展性好：只需將視頻編碼器接入硬盤錄像機(jī)所在局域網(wǎng)的交換機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接入，無(wú)需復(fù)雜布線，安裝簡(jiǎn)單。指揮部新增技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，只需將新增的視頻編碼器接入局域網(wǎng)即可，可擴(kuò)展性好。

（3）移動(dòng)終端通用性好：使用者無(wú)需二次開發(fā)，直接使用硬盤錄像機(jī)自帶的移動(dòng)客戶端軟件即可實(shí)時(shí)查看指揮部技術(shù)系統(tǒng)輸出的計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)。移動(dòng)客戶端軟件既支持Windows平臺(tái)，又支持Android 平臺(tái)，還支持iOS 平臺(tái)，通用性好。

（4）多維度視頻查看：移動(dòng)客戶端軟件既可實(shí)現(xiàn)單個(gè)技術(shù)系統(tǒng)畫面的查看，也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)技術(shù)系統(tǒng)畫面的分屏查看；既可實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)畫面的查看，又可對(duì)歷史畫面進(jìn)行查看。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 重要組成部件

指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部件如表2 所示。

表2 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部件 Table2 Important components of mobile monitoring system of command technical system

3.2 設(shè)備連接

指揮部技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備連接如圖7 所示。各技術(shù)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輸出視頻信號(hào)經(jīng)視頻分配器一分為二，一路信號(hào)送到視頻矩陣，經(jīng)調(diào)度后在指揮部顯示幕上進(jìn)行顯示，并利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)顯示幕進(jìn)行拍攝；另一路信號(hào)通過(guò)ONVIR 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成ONVIF 標(biāo)準(zhǔn)視頻流，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)實(shí)時(shí)視頻流一起接入混合硬盤錄像機(jī)。指揮部的技術(shù)人員可通過(guò)局域網(wǎng)，利用瀏覽器登錄硬盤錄像機(jī)管理界面，實(shí)時(shí)查看各技術(shù)系統(tǒng)；在外的技術(shù)人員、行業(yè)專家可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，利用移動(dòng)終端客戶端軟件，實(shí)時(shí)查看各技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行界面。

圖7 指揮部技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備連接 Fig.7 Device connection diagram of command technical system

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

2018 年福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，華為M5 平板上顯示的各指揮部技術(shù)系統(tǒng)截圖如圖8 所示，此次共接入8 路視頻信號(hào)：1 路模擬信號(hào)（監(jiān)控?cái)z像頭拍攝的指揮部全景畫面）、1 路HDMI 高清信號(hào)（圖8 右上角第2 個(gè)信號(hào)源，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)）和6路VGA 視頻信號(hào)。

圖8 在華為終端上顯示的指揮部技術(shù)系統(tǒng) Fig.8 Command technology system displayed on Huawei terminal

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于ONVIF 協(xié)議的指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控解決方案，利用視頻編碼器將指揮部技術(shù)系統(tǒng)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成ONVIF 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)視頻流，通過(guò)局域網(wǎng)接入硬盤錄像機(jī)，最終在移動(dòng)終端上安裝硬盤錄像機(jī)客戶端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮部技術(shù)系統(tǒng)的可移動(dòng)監(jiān)控，提升指揮部技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)控和管理水平，在2018 年福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用，獲得良好的效果。

在實(shí)際災(zāi)害應(yīng)急救援過(guò)程中，指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動(dòng)監(jiān)控方法可為應(yīng)急指揮與輔助決策人員，特別是前方?jīng)Q策人員提供各類技術(shù)系統(tǒng)信息，便于采取高效準(zhǔn)確的救援措施，提高災(zāi)害處置能力，最大限度地減輕災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

致謝 審稿專家提出了寶貴意見(jiàn)，編輯部老師在成文過(guò)程中給予了一定的幫助，在此一并表示感謝！