AR實(shí)景可視化技術(shù)在水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，各地深入貫徹落實(shí)習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想和黨的十九大精神，深入貫徹落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，積極踐行可持續(xù)發(fā)展治水思路，加快水利信息化建設(shè)，構(gòu)建智慧水利系統(tǒng)，堅(jiān)持依法防控、科學(xué)防控、綜合防控、群防群控，堅(jiān)持興利除害結(jié)合、防災(zāi)減災(zāi)并重、治本治標(biāo)兼顧、政府社會(huì)協(xié)同，加快構(gòu)建與社會(huì)相適應(yīng)的防汛抗旱減災(zāi)體系，全面提高水旱災(zāi)害防御能力，確保大江大河、大型和重點(diǎn)中型水庫(kù)、大中城市的防洪安全，努力保證中小河流和一般中小型水庫(kù)安全，全力保障城鄉(xiāng)居民生活用水安全，千方百計(jì)地滿足生產(chǎn)和生態(tài)用水需求，最大程度地減輕水旱災(zāi)害損失，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了安全保障。

問(wèn)題分析

近年來(lái)，水利信息化建設(shè)已經(jīng)取得了顯著的成效，水利工程的監(jiān)測(cè)能力有了很大提升，但整體水平與面臨的形勢(shì)和任務(wù)相比，仍存在一些薄弱環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是對(duì)于重要的水利工程缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控管理，尤其是一些跨區(qū)域河流，監(jiān)控點(diǎn)位相對(duì)比較分散、單點(diǎn)監(jiān)控范圍小、攝像頭之間缺乏關(guān)聯(lián)互動(dòng)、監(jiān)控畫面無(wú)法兼顧整體與局部，缺乏制高點(diǎn)的視頻監(jiān)控單位統(tǒng)領(lǐng)全局；

二是對(duì)于重要的水域缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控管理，尤其是一些跨區(qū)域河流，監(jiān)控系統(tǒng)各自獨(dú)立，達(dá)不到有效監(jiān)控的目的；

三是一些水利設(shè)施的閘門、泄洪道、泄洪洞等，常年處于無(wú)人值守狀態(tài)，需要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，保證其安全；

四是水文監(jiān)測(cè)設(shè)施，僅僅只能提供數(shù)據(jù)信息，發(fā)生情況時(shí)，缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直觀的了解；

五是許多水利設(shè)施地處位置偏僻，在白天無(wú)人和夜晚的時(shí)候，需要對(duì)其周邊進(jìn)行監(jiān)控，防止人為的破壞；

六是視頻監(jiān)控以“被動(dòng)監(jiān)控”為主，需要值班人員時(shí)刻監(jiān)控，大多數(shù)時(shí)間只適用于事件追溯的視頻查閱，不能在發(fā)生險(xiǎn)情的第一時(shí)間發(fā)生報(bào)警聯(lián)動(dòng)，以便相關(guān)人員采取對(duì)應(yīng)措施。

建設(shè)的必要性

針對(duì)當(dāng)前水利監(jiān)測(cè)手段不足和信息化水平相對(duì)滯后的問(wèn)題，需要通過(guò)頂層設(shè)計(jì)優(yōu)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，建設(shè)AR實(shí)景可視化綜合應(yīng)用優(yōu)化水利信息化系統(tǒng)。

一是需采用超高清AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)，對(duì)重要點(diǎn)位的上下游水域進(jìn)行實(shí)時(shí)緊密監(jiān)控，對(duì)水利樞紐、水道、航道及周邊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全范圍覆蓋，24小時(shí)全天候精準(zhǔn)捕捉水上活動(dòng)，滿足惡劣條件下的監(jiān)控需求；

二是遵循“水清、岸綠、河暢、景美”的江河湖庫(kù)管理要求，要在極其重要的點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)水域情況全覆蓋的監(jiān)控目標(biāo)；

三是需要實(shí)現(xiàn)事件入侵檢測(cè)功能，當(dāng)有大型垃圾漂浮物、可疑船只、非法采砂船等進(jìn)入監(jiān)控畫面時(shí)，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)安全防范、設(shè)備預(yù)警等功能，精準(zhǔn)捕捉異常情況，并上報(bào)監(jiān)控中心；

四是原有的二維電子地圖相對(duì)落后，無(wú)法直觀體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，需要對(duì)監(jiān)控范圍、監(jiān)測(cè)轄區(qū)構(gòu)造一張實(shí)景地圖，實(shí)現(xiàn)全體系監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)景可視化，在一張實(shí)景圖中可以預(yù)覽全體系的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以掌控全局[1]；

五是需要打造一套AR實(shí)景可視化水域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用業(yè)界最先進(jìn)的AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)景視頻上靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)簽，以畫中畫聯(lián)動(dòng)功能隨時(shí)隨地查看監(jiān)控區(qū)域低點(diǎn)視頻，高低點(diǎn)圖像之間可隨時(shí)無(wú)縫切換，使監(jiān)控體驗(yàn)更加直觀；

六是水利AR實(shí)景可視化系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)還可以減少人為清理垃圾的投入、降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約政府資金和社會(huì)投入。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)分層結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一的接口服務(wù)，可以有效地降低系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜度。根據(jù)分層的設(shè)計(jì)理念，可將系統(tǒng)分為以下4個(gè)層次：采集層、接入層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

采集層

采集層是整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息的主要來(lái)源，通過(guò)網(wǎng)關(guān)引擎，以網(wǎng)關(guān)集群的形式存在，接收獲取信息上送至采集層，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合。網(wǎng)關(guān)引擎支持MySQL、Oracle、SQLServer、DB2、MongoDB等多種關(guān)系型及非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)接入，支持Ehcache、Memcache、Redis等緩存接入，支持RabbitMQ、ZeroMQ、ActiveMQ、Kafka、Apache Qpid等消息總線接入，支持TCP、UDP等服務(wù)接入，支 持WebSocket、WebService、HTTP Restful等 接口接入，支持NVR、IPC等攝像頭接入，IPC提供SDK及28181兩種接入方式。通過(guò)上述豐富對(duì)接方式，可輕松實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)系統(tǒng)信息獲取，獲取后轉(zhuǎn)換成采集層可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提供給采集層，本系統(tǒng)接入兩大類信息，一類是視頻信息，包括AR攝像頭、非AR攝像頭（網(wǎng)絡(luò)攝像頭、NVR接入的模擬攝像頭）；另一類是接入人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、警情等系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)信息，以獲取的人、車、事件等非視頻業(yè)務(wù)信息。

接入層

接入層是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，為數(shù)據(jù)層提供自帶負(fù)載均衡及分布式的數(shù)據(jù)接入服務(wù)集群。采集層通過(guò)請(qǐng)求Token進(jìn)行數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)，通過(guò)認(rèn)證的請(qǐng)求進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，對(duì)于非認(rèn)證的直接拒絕訪問(wèn)，并記錄為黑名單。通過(guò)認(rèn)證的請(qǐng)求會(huì)將數(shù)據(jù)送入標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，標(biāo)準(zhǔn)模塊根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則處理后及時(shí)發(fā)布到系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線供其他訂閱的服務(wù)使用。采集層數(shù)據(jù)接入服務(wù)集群，通過(guò)搭建Nginx服務(wù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，通過(guò)對(duì)服務(wù)進(jìn)行無(wú)狀態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多服務(wù)分布式部署，從而為數(shù)據(jù)層提供多系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)接入。

服務(wù)層

平臺(tái)的服務(wù)層包含視頻標(biāo)簽管理服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、發(fā)布服務(wù)，為上層應(yīng)用提供服務(wù)支撐。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

應(yīng)用層

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的水利立體監(jiān)控指揮系統(tǒng)是一個(gè)綜合運(yùn)用多種創(chuàng)新大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的展示層應(yīng)用程序，基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)環(huán)境支撐，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將各種動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化、扁平化地疊加到全局監(jiān)控的視頻畫面上，從而真實(shí)還原重點(diǎn)水利場(chǎng)所的人、車、船、事件等大數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)景視頻地圖、報(bào)警自動(dòng)推送、可視化應(yīng)急預(yù)案、實(shí)景巡視檢查等應(yīng)用。

AR實(shí)景可視化系統(tǒng)建設(shè)

采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，通過(guò)融合各種前端感知數(shù)據(jù)和多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以標(biāo)簽的形式實(shí)現(xiàn)各類靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、簡(jiǎn)單、復(fù)合、實(shí)時(shí)等數(shù)據(jù)在實(shí)景視頻上基于精確坐標(biāo)位置的疊加[2]，實(shí)現(xiàn)視頻資源的便捷使用、各種報(bào)警源的及時(shí)查看、巡查人員及時(shí)調(diào)用和監(jiān)控區(qū)域的高低點(diǎn)攝像頭相互聯(lián)動(dòng)和統(tǒng)一管理，為指揮決策人員提供更加實(shí)用和靈活變化的一體化信息展示。

AR實(shí)景可視化系統(tǒng)與水利現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水量、工情、水位、水質(zhì)、雨量、工情況、水利應(yīng)急人員等智能感知設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)對(duì)接[3]，獲取監(jiān)控視頻、報(bào)警信息等資源數(shù)據(jù)，在視頻中自動(dòng)添加上述資源部署位置的標(biāo)簽，增加其屬性、鏈接，自動(dòng)獲取系統(tǒng)輸出的對(duì)比信息和報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)、河流、閘站、堤壩等視頻監(jiān)控資源的統(tǒng)一管理和應(yīng)用。

AR實(shí)景可視化系統(tǒng)主要提供以下七大功能：視頻監(jiān)控基礎(chǔ)功能、GIS地圖應(yīng)用、視頻展示、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、告警管理、錄像管理。

視頻監(jiān)控基礎(chǔ)功能

平臺(tái)提供攝像機(jī)的視頻瀏覽和遠(yuǎn)程控制功能，可以自適應(yīng)傳統(tǒng)標(biāo)清視頻和數(shù)字高清視頻的解碼顯示，支持多畫面組合顯示及視頻任務(wù)，并通過(guò)對(duì)攝像機(jī)的云臺(tái)、鏡頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，調(diào)整監(jiān)控視角和范圍?？蛻舳丝蛇x擇單次抓圖或單路錄像的功能。能夠按照指定設(shè)備、通道、時(shí)間、報(bào)警信息等要素檢索聯(lián)網(wǎng)設(shè)備歷史圖像資料并回放和下載，回放支持正常播放、快速播放、慢速播放、畫面暫停、圖像抓拍、縮放顯示等。錄像回放是通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)記錄或者人工手動(dòng)記錄各攝像頭的視頻，存為錄像文件，包含前端錄像、中心錄像、客戶端錄像以及告警錄像等。用戶可以用文件檢索，直接點(diǎn)擊列表樹上有錄像的設(shè)備來(lái)查找錄像，并可以進(jìn)行播放、設(shè)置錄像標(biāo)簽、進(jìn)行錄像下載、同步回放及切片回放等操作。

GIS地圖應(yīng)用

電子地圖功能支持ArcGis地圖引擎，通過(guò)系統(tǒng)中地圖來(lái)查看各地情況，可以在地圖上查看攝像頭位置，打開(kāi)實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)多攝像頭視頻輪巡播放等。該應(yīng)用同時(shí)支持地圖基本功能，如測(cè)距、測(cè)面積、打印、截圖、拉框搜索、標(biāo)注、圖層切換、鷹眼、熱點(diǎn)排名、警力、碼流上墻等功能[4]，支持治安監(jiān)控點(diǎn)、卡口多種元素添加及分層展示。

視頻展示

電視墻支持各通道畫面在電視墻的選路切換以及云臺(tái)控制。當(dāng)視頻監(jiān)控發(fā)展到數(shù)字制式時(shí)，數(shù)字視頻需要先經(jīng)過(guò)解碼還原為模擬信號(hào)，才能輸出到電視墻的監(jiān)視器或DLP屏顯示。該功能不僅可提供實(shí)時(shí)視頻和錄像視頻上墻，支持電視墻預(yù)案配置，能夠定時(shí)啟動(dòng)預(yù)案和手動(dòng)啟動(dòng)預(yù)案，同時(shí)還支持圖像質(zhì)量、預(yù)置位、巡航軌跡的設(shè)置。

設(shè)備管理

平臺(tái)支持設(shè)備資源的添加與管理，包括監(jiān)控前端IP攝像機(jī)、存儲(chǔ)NVR、報(bào)警設(shè)備和平臺(tái)其他控制管理設(shè)備等，添加設(shè)備需要選擇設(shè)備類型、設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)廠家、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、購(gòu)買日期、保修期限等信息，可以在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)所有的前端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)配置，修改設(shè)備的參數(shù)、通道的參數(shù)等，可設(shè)置的內(nèi)容取決于設(shè)備廠商SDK的支持。為保證所添加的服務(wù)器已經(jīng)正確安裝，可以在程序中查看服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)支持對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行獨(dú)占性控制的鎖定及解鎖功能，鎖定和解鎖方式也可設(shè)定，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)管理

視頻設(shè)置?？稍O(shè)置網(wǎng)絡(luò)客戶端訪問(wèn)的視頻流參數(shù)，設(shè)置為主碼流或子碼流。主碼流即相對(duì)碼流值圖像清晰度較高的碼流，相對(duì)應(yīng)的帶寬要求也較高；子碼流即相對(duì)碼流值清晰度較低，但對(duì)帶寬要求也較低。

級(jí)聯(lián)設(shè)置。在多個(gè)平臺(tái)構(gòu)造的環(huán)境中，需要系統(tǒng)級(jí)聯(lián)時(shí)，可在級(jí)聯(lián)設(shè)置功能中指定上下級(jí)別關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)，其具體功能如下：一是注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)。平臺(tái)間具有自動(dòng)注冊(cè)功能，在兩個(gè)互聯(lián)平臺(tái)上各自對(duì)任一設(shè)備進(jìn)行添加/修改，兩個(gè)平臺(tái)能夠互相發(fā)現(xiàn)；二是心跳功能。兩個(gè)互聯(lián)平臺(tái)上能夠相互感知到對(duì)方平臺(tái)上的授權(quán)設(shè)備狀態(tài)信息；三是云臺(tái)控制。兩個(gè)互聯(lián)模式的平臺(tái)在權(quán)限設(shè)置允許的條件下，能夠控制對(duì)方的云臺(tái)；四是實(shí)時(shí)監(jiān)控。上級(jí)平臺(tái)在權(quán)限設(shè)置允許的條件下，能夠?qū)ο录?jí)平臺(tái)攝像頭的實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行訪問(wèn)；五是錄像調(diào)閱。上級(jí)平臺(tái)在權(quán)限設(shè)置允許的條件下，能對(duì)下級(jí)平臺(tái)的錄像資料進(jìn)行查看、下載；六是用戶管理。上級(jí)平臺(tái)能夠檢索到下級(jí)平臺(tái)的用戶信息。

告警管理

系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)中各種告警信息自動(dòng)處理并保存，并能夠通過(guò)預(yù)案設(shè)置，對(duì)告警作出聯(lián)動(dòng)（碼流上送客戶端、平臺(tái)自動(dòng)錄像、碼流上墻、告警上送客戶端、地圖聯(lián)動(dòng)）。

錄像管理

錄像管理，用來(lái)管理存儲(chǔ)的錄像，包括對(duì)前端設(shè)備的錄像計(jì)劃配置，集中存儲(chǔ)的錄像計(jì)劃配置。對(duì)于錄像存儲(chǔ)位置的配置，可預(yù)先配置錄像存儲(chǔ)方式、碼流類型及存儲(chǔ)的位置，選擇錄像的存儲(chǔ)盤，進(jìn)行預(yù)分配。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建設(shè)水利AR實(shí)景可視化系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)實(shí)景化、多層次、多功能、反應(yīng)迅速、信息共享的智能可視化體系[5]，可為日常管理和應(yīng)急救災(zāi)提供有別于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的獨(dú)特視角。系統(tǒng)依托現(xiàn)有水利信息基礎(chǔ)實(shí)施實(shí)現(xiàn)透徹感知，運(yùn)用新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感知對(duì)象和各級(jí)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通，深度整合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)，對(duì)各類調(diào)控、管理對(duì)象和服務(wù)對(duì)象行為現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別、模擬、預(yù)測(cè)預(yù)判和快速響應(yīng)，將有利于指揮中心隨時(shí)掌握水利重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域動(dòng)態(tài)情況、從容處理各類復(fù)雜突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)水利監(jiān)管更高效、社會(huì)管理更精準(zhǔn)、調(diào)度運(yùn)行更科學(xué)、應(yīng)急處置更快捷。