基于分布式架構的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在廣東智慧水利的應用

王 亮

(廣東省防汛保障與農(nóng)村水利中心，廣州 510635)

近幾年，隨著信息化不斷向廣度、深度發(fā)展，以及國家實施大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、圖像識別等技術得到快速發(fā)展。廣東水利為進一步提升水利信息化水平，以發(fā)展數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的“互聯(lián)網(wǎng)+”產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)為抓手，積極推進智慧水利建設[1]。但目前廣東省智慧水利建設還存在全面感知不夠、全面互聯(lián)差距大、基礎平臺支撐不足、共享不充分、智能應用不夠等問題。而水利的主要管理對象江河湖泊和水利工程，及為防汛抗旱、水資源開發(fā)利用等建設的水利基礎設施的全面感知不足是制約我省智慧水利發(fā)展的根本原因。

為提升廣東省江河湖泊和水利工程的感知能力，解決水安全在線監(jiān)控，加強水安全隱患分析和防御，確保我省江河湖泊、水利工程安全監(jiān)管落實到位，水利行政主管部門需及時獲取我省重點江河湖泊、水利工程的水位和工程運行狀況等信息。在此背景下，本文設計了基于云平臺的廣東省大規(guī)模高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過前端監(jiān)控點實時采集我省重要江河湖泊、水利工程的水情、水生態(tài)環(huán)境等視頻圖像信息，并記錄重要堤防、閘壩的運行情況，用以全面提升水利管理部門對水資源監(jiān)管[2]、江河調度、工程運行[3]、應急處置的能力。

1 系統(tǒng)建設目標和設計原則

1.1 系統(tǒng)建設目標

在廣東省重要河流的交匯處和險工險段、水庫大壩、水閘、水文站等防汛關鍵區(qū)域、沿河人口密集區(qū)域新建高清視頻監(jiān)控點，并接入水利已建視頻監(jiān)控點，以及水文、氣象、海洋漁業(yè)等涉水部門的視頻資源，整合水利數(shù)據(jù)中心的水情、雨情、臺風等專題數(shù)據(jù)，利用省政務云平臺和共有云資源構建廣東水利視頻監(jiān)控綜合應用系統(tǒng)。全省各級水利部門可通過系統(tǒng)調用監(jiān)控點的視頻信號，實現(xiàn)對江河湖泊的水位、水利工程運行狀況的在線監(jiān)管，為水資源監(jiān)管、江河調度發(fā)揮重要的支撐保障作用。為此，系統(tǒng)應具備以下主要功能：

1) 監(jiān)控點在水利一張圖上集中展示

系統(tǒng)須實現(xiàn)所有視頻監(jiān)控資源基于全省水利一張電子地圖集中展示。所有監(jiān)控點在地圖上標注準確的位置，清晰展示各流域、行政區(qū)域的視頻監(jiān)控資源分布情況，實時顯示監(jiān)控點在線狀態(tài)，并能分區(qū)域可視化統(tǒng)計設備暢通率，監(jiān)控點點擊熱度等信息。

2) 監(jiān)控點遠程操控和視頻信號輪詢

為快速實現(xiàn)各監(jiān)控點的監(jiān)控視角和聚焦調整，系統(tǒng)中所有監(jiān)控點都須支持在顯示畫面上用鼠標拖曳的方式調整攝像頭的焦距、監(jiān)控方位、視角等參數(shù)，以實現(xiàn)快速監(jiān)控畫面拉近、調遠、定焦特點區(qū)域；系統(tǒng)須存儲各監(jiān)控點云臺移動軌跡，調用軌跡時攝像機會沿著記錄自動轉動。為方便各級用戶管理所轄區(qū)域內的監(jiān)控點，用戶可將經(jīng)常需要訪問的監(jiān)控點加入自動輪詢列表，點擊視頻輪詢功能后系統(tǒng)自動循環(huán)展示各監(jiān)控點圖像。

3) 水雨情預警信息與周邊監(jiān)控站點智能聯(lián)動

整合省廳數(shù)據(jù)中心水、雨情、臺風路徑等專題數(shù)據(jù)，當江河湖泊發(fā)生水位超過警戒水位的預警信息，或大雨、暴雨、臺風等預警信息，系統(tǒng)能自動查詢并顯示預警信息區(qū)域內的監(jiān)控視頻信號。

4) 水位分析、水中漂浮物識別等智能應用

監(jiān)控點需實時判別監(jiān)控區(qū)域內水面與河岸或大壩的交界處，判斷水位是否存在漫壩、超警戒水位等告警情況，并將識別出的告警信息主動發(fā)送給相關管理人員。監(jiān)控點需自動識別水體顏色特征，判別水質好壞，并主動將分析得到的水質變壞結果推送給所轄區(qū)域系統(tǒng)管理員。

1.2 系統(tǒng)設計原則

系統(tǒng)在平臺架構、智能視頻分析功能方面應能持續(xù)迭代升級，保證系統(tǒng)在建成后一段時間內不會因技術落后而大規(guī)模調整；展示界面清晰、操作簡潔，以便于用戶管理和維護；系統(tǒng)的軟硬件配置應充分考慮系統(tǒng)的升級、擴展、維護問題，須具有標準接口，還要提供開放的軟件接口，用以對外共享平臺數(shù)據(jù)；系統(tǒng)軟件平臺應采用嚴格的授權訪問策略，確保系統(tǒng)安全可靠運行。

2 系統(tǒng)架構和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)需實現(xiàn)不少于5 000路高清視頻監(jiān)控點的接入，并整合接入水利、水文等部門現(xiàn)有的500多路非高清視頻監(jiān)控資源，同時支持監(jiān)控視頻圖像的智能分析，支持多終端、大并發(fā)量的視頻圖像調用，滿足系統(tǒng)在線熱備的需求。

系統(tǒng)設計方案為分別在互聯(lián)網(wǎng)公有云平臺和政務外網(wǎng)云平臺部署兩套應用系統(tǒng)[4-5]。部署于公有云平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)本次新建高清視頻信號的接入和存儲，可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)終端和微信小程序訪問；部署于省水利政務外網(wǎng)云平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)省水利已建視頻監(jiān)控點視頻資源的接入，及水利內網(wǎng)終端訪問。省政務云平臺和公網(wǎng)云平臺之間通過3Gpbs光纖通信專線連通，可實現(xiàn)兩個平臺接入的不同視頻信號快速互相傳輸和數(shù)據(jù)同步。在不同網(wǎng)絡的云平臺上部署兩套系統(tǒng)除了能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也有效避免省水利廳通信網(wǎng)絡和服務器資源的大幅升級改造。當其中一個平臺系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，還可以通過另一個平臺訪問系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)在線熱備需求[6-7]。系統(tǒng)整體技術架構如圖1所示。

圖1 廣東水利視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術架構示意

2.2 系統(tǒng)核心部分實現(xiàn)

2.2.1新建高清視頻監(jiān)控點設計

由于本次新建的高清視頻監(jiān)控點分布在全省江河湖泊附近，大多數(shù)都位于較偏僻的野外環(huán)境，每個監(jiān)控點需要監(jiān)控的范圍廣，監(jiān)控設備易受雷電、水面反射、雨衰等惡劣環(huán)境影響，還需滿足24 h不間斷的監(jiān)控需求，因此，新建視頻監(jiān)控點選用超低照度高清球型攝像頭，可實現(xiàn)夜間不間斷監(jiān)控。為滿足1 080 p高清視頻信號實時穩(wěn)定傳輸?shù)男枨?，并有效降低系統(tǒng)建設成本和后期通信網(wǎng)絡運維難度，前端視頻監(jiān)控信號通過租用運營商帶寬不低于10 Mbps的光纖網(wǎng)絡傳輸?shù)焦性破脚_上實時顯示和存儲[8]。

前端高清視頻監(jiān)控點的結構示意如圖2所示。監(jiān)控點主要由高清網(wǎng)絡球型攝像頭、光纖傳輸設備、硬盤錄像機、供電線路、通信線路、防雷接地等組成。高清網(wǎng)絡攝像頭輸出信號使用國標六類網(wǎng)線與光纖傳輸設備連接，通過光纖通信網(wǎng)絡將視頻圖像信號傳送到公有云平臺處理和存儲。為有效防止受到雷擊而引起電器設備損壞，本方案須在立桿頂部安裝一支避雷針，避雷針與電阻值小于4 Ω的地網(wǎng)相連。為防止通信網(wǎng)絡中斷后前段視頻圖像缺失，方案為每個視頻監(jiān)控點配置了1臺存儲容量為3 TB的硬盤錄像機，在監(jiān)控點本地存儲1個月的高清視頻圖像數(shù)據(jù)作為云平臺存儲數(shù)據(jù)的備份。

圖2 前端視頻監(jiān)控點的結構示意

2.2.2系統(tǒng)虛擬化平臺設計

系統(tǒng)須滿足大量高清和非標清視頻信號的實時顯示、存儲、分析和控制，這些功能需要占用足夠多的計算和存儲資源，對系統(tǒng)的運行環(huán)境要求很高。因此，為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，將系統(tǒng)同時部署在公有云和省水利私有云平臺上，采用J2EE跨平臺技術，在同一云平臺上通過虛擬化技術將大量異構的服務器和存儲設備構建成統(tǒng)一的資源池[9]，為大規(guī)模高清視頻監(jiān)控提供可擴展的海量存儲資源和超強計算能力[10]，以保障其中1臺主機出故障后能夠快速漂移到集群中的其他主機運行。

平臺所有構件及子平臺采用分布式無狀態(tài)設計，選用面向服務的SOA組件作為底層核心支撐模塊，以確保系統(tǒng)具備高性能并發(fā)訪問能力，并可根據(jù)外部訪問數(shù)量橫向擴展，降低單個應用實例的負載壓力，提升應用系統(tǒng)的吞吐能力、穩(wěn)定性和擴展性。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲訪問節(jié)點采用分布式集群方式，既保證數(shù)據(jù)的容錯容災能力，又能提升數(shù)據(jù)訪問速度。平臺各功能模塊采用服務化分布式部署及調用方式，以確保部分服務節(jié)點出現(xiàn)故障后不影響整個應用系統(tǒng)的正常使用。 平臺安全與監(jiān)控服務能對系統(tǒng)內部運行的所有服務和外部用戶訪問進行自動化日志跟蹤和運維數(shù)據(jù)收集分析，以保障運維人員能實時、準確獲取整個平臺的運行情況，并及時解決問題。系統(tǒng)云平臺邏輯架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)云平臺邏輯架構示意

2.2.3系統(tǒng)展示平臺

系統(tǒng)展示平臺需實現(xiàn)不同網(wǎng)絡終端訪問、多監(jiān)控點視頻信號同時顯示、水雨情預警信息視頻聯(lián)動、站點快捷查詢、云臺控制、錄像回放、抓拍、用戶權限管理等功能。因此，系統(tǒng)基于B/S技術架構，顯示界面基于WebGIS電子地圖，利用WMS標準地圖服務，在底圖上疊加水利河流湖泊和水利工程等數(shù)據(jù)，并錄入所有監(jiān)控點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。主界面基于水利“一張圖”同時顯示所有監(jiān)控點的分布情況，可實現(xiàn)地圖的放大、縮小、移動、定位等操作[11-12]。

為方便用戶快速查詢流域、市、縣行政區(qū)域已接入的視頻資源，展示平臺通過構建不同的視頻圖層，支持視頻監(jiān)控點名稱、經(jīng)緯度、行政區(qū)域多維度的模糊檢索和定位。針對不同流域的水利管理部門，展示平臺綜合采用廣東水系流域分布數(shù)據(jù)，與GIS地理信息系統(tǒng)相結合，在地圖上清晰地展示廣東省各水系流域的分布情況，實現(xiàn)在一張圖上直觀查看各水系流域的視頻監(jiān)控點分布，實現(xiàn)流域專題性的實景視頻監(jiān)控。

同時，系統(tǒng)整合接入水庫水雨情數(shù)據(jù)，在地圖上展示重點水庫、江河的水位情況，當出現(xiàn)水位、雨情預警時，系統(tǒng)自動推送預警范圍內的攝像頭列表，并可一鍵查看。

3 系統(tǒng)測試

目前，廣東水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)已完成600多路新建的高清視頻監(jiān)控點接入，整合接入省水文、氣象、海洋漁業(yè)以及地市水務局等部門已建視頻監(jiān)控點700多路。在水利一張圖上可實時顯示監(jiān)控點的位置，及設備在線、離線狀態(tài)信息，并統(tǒng)計在線、離線監(jiān)控點的總數(shù)。用戶單擊在線監(jiān)控點可查看該點實時視頻信號，視頻顯示窗口支持1、4、9、16分屏顯示，系統(tǒng)主界面顯示4路視頻信號效果如圖4所示。每個顯示窗口可單獨放大、全屏、縮小，遠程云臺控制，視頻畫面上右鍵可實現(xiàn)視頻關閉、碼流切換、本地錄像、錄像回放、抓圖、局部放大、進入全屏等操作。實現(xiàn)了監(jiān)控點名稱、行政區(qū)域、流域監(jiān)控點、不同行業(yè)監(jiān)控站點等多種檢索方式，可方便用戶快速在地圖上定位需要查看的監(jiān)控點。

為便于各單位系統(tǒng)管理員高效的管理和維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析，基于“運維一張圖”展現(xiàn)監(jiān)控點的點擊查詢情況、監(jiān)控點運行狀況(暢通率、故障處理、報警)，對故障易發(fā)生的視頻點進行統(tǒng)計分析，并及時將故障點統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)統(tǒng)計各區(qū)域監(jiān)控點訪問情況，分析熱點視頻區(qū)域的分布，為后期系統(tǒng)規(guī)劃及擴容提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 系統(tǒng)主界面顯示4路視頻信號效果

4 結語

廣東水利視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)基于水利“一張圖”開發(fā)，充分運用大數(shù)據(jù)、云計算等新技術，實現(xiàn)了全省共1 300多路水利、水文、氣象、海事等部門視頻監(jiān)控信號的接入、存儲和智能分析，通過視頻圖像可實時獲取我省重要江河湖泊的水位信息，并記錄重要堤防、閘壩的運行情況，顯著提升了廣東省水安全在線監(jiān)管、水資源監(jiān)管、江河調度、工程運行、應急處置能力。