關(guān)于百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站可視化電廠系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李大偉

（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳518124）

1 引言

隨著科技水平的快速發(fā)展，數(shù)字化智能技術(shù)產(chǎn)品成為當(dāng)今社會(huì)主流，軟硬件成本也不斷在下降。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品于幾年前已體現(xiàn)出超越傳統(tǒng)模擬技術(shù)設(shè)備的條件。出于對(duì)未來(lái)智能化智慧應(yīng)用的考慮，核電行業(yè)提出了可視化電廠的概念，期望建設(shè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的智能化前端信息采集系統(tǒng)平臺(tái)。初步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域的安全狀態(tài)與作業(yè)人員的安全行為，感知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；實(shí)時(shí)監(jiān)視重要設(shè)備與廠房的狀態(tài)，感知現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與條件；實(shí)時(shí)輔助監(jiān)視火情，對(duì)火警執(zhí)行復(fù)核，感知現(xiàn)場(chǎng)異常；實(shí)時(shí)監(jiān)控輻射防護(hù)邊界，控制邊界完整；配合其他電子化工作優(yōu)化內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)電廠對(duì)集中管控、降本增效、群堆管理、運(yùn)行安全等方面運(yùn)營(yíng)水平提升的需求。大亞灣核電基地是首個(gè)啟動(dòng)可視化電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站群。

核電站對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用，在目的與需求上較其他行業(yè)存在比較明顯的差異，導(dǎo)致其軟件功能開發(fā)需求較為特殊，需要與核電站日常與大修生產(chǎn)運(yùn)行、輻射監(jiān)管、核安全法規(guī)管控、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)等級(jí)與安裝規(guī)范等掛接，大部分功能均為定制研發(fā)。本文以視頻監(jiān)控系統(tǒng)在大亞灣核電基地可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中的應(yīng)用研究為題，在分析電廠對(duì)視頻監(jiān)控實(shí)際需求與國(guó)內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出對(duì)電廠視頻監(jiān)控的總體設(shè)計(jì)方案，闡述管理與技術(shù)相互承接的思路方案，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控管理，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)而改善管理規(guī)則，提高企業(yè)生產(chǎn)效能，保障安全。

2 研究背景

視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了四個(gè)主要發(fā)展階段：第一階段是模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是矩陣計(jì)算，但傳輸范圍比較小，距離短，沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的能力；第二階段是半數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，它是以硬盤錄像為基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)的多媒體監(jiān)控技術(shù)，音視頻采集的質(zhì)量較高，存儲(chǔ)形式也以數(shù)字形式存儲(chǔ)，處理信息的能力大大提高；第三階段是全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它是基于網(wǎng)絡(luò)和Web 服務(wù)器的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)距離就可對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制與訪問(wèn)，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)比較，全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控畫面清晰、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、可以遠(yuǎn)程預(yù)覽以及在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)音視頻的傳輸、壓縮、解碼、存儲(chǔ)、播放和錄播等功能等優(yōu)勢(shì)，大大改變了視頻監(jiān)控的新模式；第四階段是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用各種算法，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、鎖定、跟蹤，并具有人臉識(shí)別、入侵檢測(cè)、智能分析、火災(zāi)檢測(cè)等功能。視頻監(jiān)控發(fā)展如圖1 所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展圖

在2014 年前后，核電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)還主要應(yīng)用于安防場(chǎng)景，設(shè)備基于模擬攝像技術(shù)，處于第2 代產(chǎn)品向第3 代過(guò)渡時(shí)期，高清數(shù)字化產(chǎn)品雖已出現(xiàn)，但尚未實(shí)現(xiàn)成熟的大批量工業(yè)應(yīng)用，整體成本過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用。但很快的，高清數(shù)字化視頻監(jiān)控的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)均開始成熟，具備了多場(chǎng)景應(yīng)用的條件，第3 代視頻技術(shù)已全面到來(lái)，同時(shí)受到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)火熱發(fā)展的影響，第4 代技術(shù)已出現(xiàn)雛形，各個(gè)子系統(tǒng)的互聯(lián)互通成為了可能。在此時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，電力、交通運(yùn)輸、公安、銀行等行業(yè)作為主要用戶群體，都開始了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各自領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用。

除了安防，核電站的生產(chǎn)區(qū)是其核心區(qū)域和重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，關(guān)系著電廠的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)其運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)有著直接的影響，故需要布置全面的視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)可視化電廠的需求。同時(shí)，國(guó)內(nèi)核電基地建設(shè)全面開展，群堆模式下的運(yùn)營(yíng)管理需要充分考慮，因此，網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能滿足高級(jí)人員遠(yuǎn)程技術(shù)支持的視頻使用要求。

3 國(guó)內(nèi)外視頻監(jiān)控產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，有兩種監(jiān)控方式是智能視頻系統(tǒng)所采用的，一種是基于硬件的，一種是基于軟件的。硬件形式以國(guó)外產(chǎn)品為主，軟件形式則以國(guó)內(nèi)產(chǎn)品為主。硬件形式的優(yōu)點(diǎn)主要是分擔(dān)了后臺(tái)軟件處理的負(fù)擔(dān)，但可執(zhí)行的功能受限明顯，二次開發(fā)升級(jí)難度大，而軟件形式則是集中承擔(dān)了全部的分析任務(wù)，后臺(tái)服務(wù)器壓力大，容易造成卡頓等問(wèn)題，但功能升級(jí)更為簡(jiǎn)易，無(wú)需不斷升級(jí)前端硬件。依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)目前處于創(chuàng)新領(lǐng)先的階段，功能開發(fā)定制需求較強(qiáng)，基于軟件技術(shù)形式的智能視頻系統(tǒng)更加符合國(guó)內(nèi)使用需要。

歐美嚴(yán)格完善的質(zhì)?？刂企w系，使得其軟硬件視頻監(jiān)控設(shè)備主要在穩(wěn)定性上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使用時(shí)成熟可靠。國(guó)外知名硬件廠商有：Bosch、安訊士Axis、威智倫Avigilon 等，軟件管理平臺(tái)有：Genetec、Bosch 等。

國(guó)內(nèi)知名硬件廠商為：?？低?、大華等，軟件管理平臺(tái)為：東方網(wǎng)力、宇視科技、商湯科技等。依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)硬件產(chǎn)品如?？低?，其設(shè)備型號(hào)制定對(duì)用戶不夠友好，采購(gòu)過(guò)程可能存在潛在影響，而軟件平臺(tái)方面，則受到國(guó)內(nèi)大量開發(fā)應(yīng)用的利好，整體開發(fā)設(shè)計(jì)水平較為理想。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以核電基地為單位，每個(gè)基地均通過(guò)獨(dú)立內(nèi)網(wǎng)組建生產(chǎn)大區(qū)內(nèi)的可視化電廠平臺(tái)。各內(nèi)網(wǎng)通過(guò)上級(jí)管理大區(qū)網(wǎng)絡(luò)（如辦公局域網(wǎng)），在滿足信息安全管理要求的條件下形成互通，為授權(quán)用戶提供實(shí)時(shí)的圖像信息。

對(duì)于大亞灣可視化系統(tǒng)，采用基于PoE 供電的網(wǎng)絡(luò)高清攝像設(shè)備，各區(qū)域分布交換機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，形成現(xiàn)場(chǎng)接入層。系統(tǒng)中心通過(guò)萬(wàn)兆交換機(jī)將全部視頻信息匯總管理、分配及存儲(chǔ)。

圖2 大亞灣可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.1 視頻采集終端

主要采用1080P 的球型一體化攝像機(jī)，以及720P/1080P的槍式固定攝像機(jī)，配合使用水下攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)等設(shè)備。根據(jù)大亞灣核電基地內(nèi)3 個(gè)百萬(wàn)千瓦核電站的可視化系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)電站（含2 個(gè)獨(dú)立機(jī)組以及公用系統(tǒng)）安裝布置400 臺(tái)左右的視頻終端，可基本覆蓋生產(chǎn)監(jiān)控需求。

此外，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的個(gè)人便攜式視頻設(shè)備、車載視頻設(shè)備、機(jī)器人動(dòng)態(tài)視頻等，也可根據(jù)使用場(chǎng)景補(bǔ)充使用。同時(shí)結(jié)合會(huì)議室系統(tǒng)的接入，可以實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程支持與診斷功能。目前5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，其傳輸帶寬上的提升更加符合高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，有效避免系統(tǒng)瓶頸。

4.1.2 視頻主控中心

視頻監(jiān)控主控中心布置了各類服務(wù)器與存儲(chǔ)陣列，是可視化系統(tǒng)的核心。

此中心需要較為專業(yè)化的房間環(huán)境，如通風(fēng)散熱、防靜電與干擾、振動(dòng)等。其中根據(jù)實(shí)際使用情況，存儲(chǔ)環(huán)節(jié)較為容易出現(xiàn)故障，其主要原因?yàn)榇疟P陣列內(nèi)硬盤較多，振動(dòng)增強(qiáng)引起。目前，存儲(chǔ)技術(shù)已升級(jí)至“云端”，存儲(chǔ)安全性得到了進(jìn)一步提升，但隨著設(shè)備應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越大，需要提前在設(shè)計(jì)階段規(guī)劃好機(jī)房空間與設(shè)備分布，提升主控中心設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

可視化系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)，涉及電站重要生產(chǎn)信息，數(shù)據(jù)控制應(yīng)從嚴(yán)管理。

4.1.3 視頻管理軟件

由于視頻監(jiān)控軟件功能需要大量定制開發(fā)，推薦采用在其他行業(yè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域已積累足夠經(jīng)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)軟件平臺(tái)。大亞灣可視化系統(tǒng)由于起步較早，使用了當(dāng)時(shí)業(yè)界排名第一的Genetec，其功能成熟穩(wěn)定，但均為涉及收費(fèi)的授權(quán)管理，進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)需要不斷采購(gòu)權(quán)限，對(duì)項(xiàng)目開展與管理影響較為嚴(yán)重，且在涉及創(chuàng)新性功能開發(fā)時(shí)，由于其軟件升版開發(fā)成本較高，國(guó)外廠家響應(yīng)較慢，甚至出現(xiàn)因中美貿(mào)易摩擦，廠家拒絕提供進(jìn)一步授權(quán)服務(wù)的情況，越來(lái)越難以滿足項(xiàng)目應(yīng)用需要。

同時(shí)，考慮到群堆管理需求，應(yīng)關(guān)注視頻監(jiān)控軟件具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力，更加適合在外網(wǎng)部分的應(yīng)用，方便將各子系統(tǒng)在上游網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合。例如，在無(wú)紙化作業(yè)模式下，將流程與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息電子化后，集中在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行管理與利用。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三個(gè)電站分別組建了一套全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)，為了能通過(guò)該系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)視三個(gè)電站的狀態(tài)，項(xiàng)目采用星型連接和分層的結(jié)構(gòu)，通過(guò)光纜將三電站互連，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理，并且該系統(tǒng)可連接到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻信息的全網(wǎng)應(yīng)用。

每廠的核心交換區(qū)域由1 臺(tái)萬(wàn)兆交換機(jī)組成，負(fù)責(zé)匯聚PoE 交換機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。交換機(jī)的端口工作模式為TRUNK模式。每臺(tái)交換機(jī)上將1080P、720P 和存儲(chǔ)服務(wù)器的管理劃分不同的VLAN，網(wǎng)關(guān)都指向核心交換機(jī)，以便后期的維護(hù)和管理。

4.3 存儲(chǔ)模式

為了避免一個(gè)月高清錄像要求導(dǎo)致的超高存儲(chǔ)容量，需采取合理的錄像策略，既能保障不會(huì)“漏錄”重要畫面，又能最大程度地降低存儲(chǔ)容量是構(gòu)建一個(gè)高效，完善的存儲(chǔ)系統(tǒng)所必須要考慮的。

4.3.1 保證圖像清晰度的“抽幀”存儲(chǔ)

對(duì)于錄像而言，清晰度的重要性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連續(xù)性的。所以降低錄像存儲(chǔ)容量最直接的一個(gè)辦法就是降低圖像存儲(chǔ)的“幀率”。正常情況下，連續(xù)視頻是25 幀/秒，但錄像服務(wù)支持“抽幀”存儲(chǔ)，幀率多級(jí)可選，且可以針對(duì)某個(gè)攝像機(jī)或者編碼器獨(dú)立設(shè)置存儲(chǔ)幀率。

4.3.2 按時(shí)間段存儲(chǔ)

錄像服務(wù)支持指定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)。時(shí)間段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)可精確到秒。

4.3.3“事件”觸發(fā)存儲(chǔ)

可設(shè)定特定觸發(fā)條件來(lái)觸發(fā)存儲(chǔ)。

4.4 終端設(shè)備信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸

PoE 形式下網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸，理論上未使用網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器時(shí)傳輸距離為100m，使用延長(zhǎng)器時(shí)增長(zhǎng)至300m。保障信號(hào)質(zhì)量的前提下，實(shí)測(cè)無(wú)延長(zhǎng)器安全傳輸距離為80m，使用延長(zhǎng)器時(shí)安全傳輸距離為200m。超過(guò)200m 距離的，需使用網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)，中間通過(guò)光纖傳送信號(hào)。

4.5 工作站顯示授權(quán)管理

由于可視化系統(tǒng)供不同用戶使用，工作站需顯示內(nèi)容各不相同，故采用不同等級(jí)的賬號(hào)/密碼進(jìn)行分類管理授權(quán)，為各個(gè)用戶提供不同的工作站顯示范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

可視化電廠系統(tǒng)，是電站智能化的前端基礎(chǔ)應(yīng)用，其猶如電站智能化系統(tǒng)的一雙眼睛，用于獲取電站的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其分析提供依據(jù)。電站運(yùn)營(yíng)管理人員，也需要可視化系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)信息，提高對(duì)設(shè)備問(wèn)題的響應(yīng)與處理速度，進(jìn)而提升電站管理質(zhì)量。

本文以大亞灣核電基地內(nèi)三電站可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為例，分析了互聯(lián)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的關(guān)注要點(diǎn)，為今后可視化系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。且通過(guò)對(duì)現(xiàn)有可視化系統(tǒng)功能的分析，可以看到視頻監(jiān)控系統(tǒng)在未來(lái)還會(huì)有較大的擴(kuò)展應(yīng)用的空間，智能化管理具有非常強(qiáng)大的可塑性。隨著科技的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也會(huì)廣泛應(yīng)用，有線與無(wú)線結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸速度也會(huì)加快，那么以往不便于安裝監(jiān)控的位置，采用無(wú)線技術(shù)會(huì)加速電站監(jiān)控的全覆蓋、無(wú)死角，進(jìn)一步在電廠數(shù)字化建設(shè)中發(fā)揮強(qiáng)有力的作用。