視頻水位識(shí)別技術(shù)在水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

戴燁軍，郭召云，崔昊，馬晴

（北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512）

1 前言

水位是水文水資源管理中的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，同時(shí)也是水利工程建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理中的重要依據(jù)之一[1]。水位測(cè)量工作的可實(shí)施性和測(cè)量精度，會(huì)對(duì)水資源優(yōu)化配置方案、水庫(kù)防洪安全和發(fā)電效益、上級(jí)決策方向等產(chǎn)生直接影響[2]。

傳統(tǒng)水位量測(cè)主要有2種方法：一種是設(shè)置水尺并手動(dòng)目測(cè)讀數(shù)，然后人工記錄水位值，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其當(dāng)環(huán)境比較惡劣時(shí)會(huì)對(duì)量測(cè)人員安全造成威脅；另一種是通過(guò)各類傳感器自動(dòng)獲取表征水位的模擬量，并將其轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行量測(cè)[3]。水位傳感器分為浮子機(jī)械（光電）編碼式、壓力式、雷達(dá)式和超聲波式，它們各有優(yōu)勢(shì)，但是不足也十分明顯。例如，浮子機(jī)械編碼式[4]結(jié)構(gòu)可靠，價(jià)格低廉，適用于多種場(chǎng)合，然而需修建測(cè)井房且成本較高；壓力式[5]結(jié)構(gòu)受到水質(zhì)變化影響較大，需經(jīng)常檢查和調(diào)節(jié)率定系數(shù)；超聲波式[6]水位傳感器放置在明渠流上，外部干擾較大，往往會(huì)給被測(cè)水位帶來(lái)漂移現(xiàn)象。

近年來(lái)，視頻水位識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，在各類水庫(kù)和發(fā)電廠等場(chǎng)景的水位監(jiān)測(cè)應(yīng)用中日益普遍[7，8]。隨著視頻處理及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們能夠借助高速的數(shù)據(jù)處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻采集、處理與存儲(chǔ)，借助數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻采集照片的目標(biāo)區(qū)域提取、去噪及其他相關(guān)處理得到最終水位數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流量通道回傳至遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。工作人員可以較為方便地將這些資料從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出來(lái)，再通過(guò)可靠的算法或者成熟的軟件加以分析和處理，從而為后續(xù)調(diào)控決策提供了可靠依據(jù)[10，11]。

當(dāng)水庫(kù)持續(xù)高水位運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)周邊低洼地區(qū)村民房屋存在被淹沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)。為保障庫(kù)區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)建設(shè)水位高程標(biāo)識(shí)樁，并在附近安裝視頻水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)視淹沒(méi)區(qū)水位變化，掌握淹沒(méi)情況。按照設(shè)定的語(yǔ)音向附近村民進(jìn)行預(yù)警、告警播報(bào)，警示村民淹沒(méi)趨勢(shì)，為村民安全轉(zhuǎn)移提供指引，同時(shí)將水位數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻傳輸至水務(wù)局，實(shí)時(shí)反映淹沒(méi)情況，為防汛調(diào)度決策提供重要依據(jù)。

本文將對(duì)視頻水位識(shí)別技術(shù)在水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行具體介紹。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循先進(jìn)性、安全可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性與可擴(kuò)展性及規(guī)范性和統(tǒng)一性原則，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由前端的視頻水位監(jiān)測(cè)站和后端中心站組成，前端視頻水位監(jiān)測(cè)站包括超星光全光譜水利球機(jī)、拾音器、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等，后端中心站包括服務(wù)器、工作站、專用軟件、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、矩陣控制器，解碼一體機(jī)等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.2 數(shù)據(jù)分發(fā)邏輯

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)邏輯如圖2所示，其中視頻水位監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)具體分為以下2類。

圖2 數(shù)據(jù)分發(fā)邏輯

（1）水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)做到一數(shù)一源，數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、集中管理。因此，水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)直接上傳到市水務(wù)局上級(jí)平臺(tái)統(tǒng)一管理，中心站通過(guò)分享上級(jí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地應(yīng)用。

（2）帶有水位信息的監(jiān)控視頻，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到中心站，上級(jí)平臺(tái)也能通過(guò)國(guó)標(biāo)接口調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史錄像。

2.3 中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中心站由總控管理服務(wù)器、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器和信令網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等設(shè)備組成，各服務(wù)器均接入機(jī)房?jī)?nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息互通。中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本集成邏輯，如圖3所示。其中，核心服務(wù)器的作用如下。

圖3 中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）總控管理服務(wù)器。用于部署安全監(jiān)視預(yù)警管理中心站軟件，承擔(dān)前端設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集展示、視頻預(yù)覽回放等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心管理軟件。

（2）視頻存儲(chǔ)服務(wù)器。用于視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心單元，主要負(fù)責(zé)視頻錄像存儲(chǔ)，具有智能管理功能，支持服務(wù)器定時(shí)錄像存儲(chǔ)、錄像回放、錄像下載、視頻抓拍、倍速播放控制等功能操作。

（3）信令網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。用于視頻國(guó)標(biāo)對(duì)接的核心單元，通過(guò)國(guó)標(biāo)GB/T28181協(xié)議實(shí)現(xiàn)和上級(jí)平臺(tái)間的互聯(lián)對(duì)接，方便上級(jí)平臺(tái)調(diào)取，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)注冊(cè)、平臺(tái)校時(shí)、平臺(tái)設(shè)備目錄查詢、設(shè)備狀態(tài)查詢、音視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽、云鏡控制、錄像回放、對(duì)講等功能。

為保證網(wǎng)絡(luò)安全，系統(tǒng)建立了網(wǎng)絡(luò)安全動(dòng)態(tài)防護(hù)體系，使網(wǎng)絡(luò)具備集安全預(yù)警、監(jiān)控、保護(hù)、響應(yīng)為一體的整體網(wǎng)絡(luò)安全保障能力與協(xié)同防御能力，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的黑客攻擊、網(wǎng)絡(luò)病毒、蠕蟲、惡意軟件、違規(guī)訪問(wèn)等多種安全威脅，保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的安全可靠運(yùn)行。

3 典型站點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 安全監(jiān)視預(yù)警站設(shè)備構(gòu)成

視頻水位監(jiān)測(cè)站的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意參見(jiàn)圖4，具體包括：①不反光標(biāo)準(zhǔn)水尺、超星光全光譜水利球機(jī)、光伏系統(tǒng)、高保真戶外拾音器；②組合立桿及附件、組合立桿預(yù)制混凝土基礎(chǔ)；③配電箱及組件、避雷組件。設(shè)備采用立桿架設(shè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，供電系統(tǒng)利用光伏供電，采用4G數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 視頻水位監(jiān)測(cè)站的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意

3.2 水尺布設(shè)

于水位高程標(biāo)識(shí)樁一側(cè)貼敷適合視頻水尺識(shí)別的不反光標(biāo)準(zhǔn)水尺。設(shè)備安裝設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 設(shè)備安裝設(shè)計(jì)

3.3 現(xiàn)場(chǎng)警示

可設(shè)置站點(diǎn)兩級(jí)水位的預(yù)警和告警，分別對(duì)應(yīng)不同的語(yǔ)音內(nèi)容。內(nèi)置揚(yáng)聲器，可實(shí)現(xiàn)喊話及自定義語(yǔ)音播報(bào)?？稍O(shè)置電子圍欄，進(jìn)行聲、光、激光指示驅(qū)離。

3.3.1 水位預(yù)警、告警

可依據(jù)不同水位，分別設(shè)置兩級(jí)水位的預(yù)警和告警語(yǔ)音。預(yù)警水位有利于密切關(guān)注水情，可以及時(shí)做好疏散動(dòng)員及各項(xiàng)防范措施準(zhǔn)備，以便撤離。告警水位有利于及時(shí)按照疏散轉(zhuǎn)移要求出具對(duì)策，以便在預(yù)定時(shí)間內(nèi)安全撤離。

3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)喊話、對(duì)講

安全監(jiān)視預(yù)警管理中心站可利用超星光全光譜水利球機(jī)內(nèi)置揚(yáng)聲器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喊話，考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲，聲音辨識(shí)度可達(dá)10～20 m。增配高保真戶外拾音器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)講，提升現(xiàn)場(chǎng)信息發(fā)布能力。

3.3.3 電子圍欄

為了保護(hù)水源地安全、避免污染，有必要在淹沒(méi)區(qū)設(shè)置電子圍欄?？紤]到夜間紅外補(bǔ)光距離，電子圍欄半徑設(shè)置為180 m，當(dāng)有人闖入電子圍欄時(shí)，播報(bào)預(yù)先錄制的驅(qū)離語(yǔ)音并伴隨白燈閃爍，闖入者離開后終止。如果白燈、語(yǔ)音驅(qū)離無(wú)效，會(huì)追加綠色激光直接照射，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)離的效果，激光功率15 mW，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且有程序控制避開頭部照射。

4 安全監(jiān)視預(yù)警管理中心站設(shè)計(jì)

4.1 存儲(chǔ)容量計(jì)算及互聯(lián)網(wǎng)帶寬

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)能力計(jì)算

中心站需滿足視頻水位監(jiān)測(cè)站監(jiān)控視頻存儲(chǔ)要求，按每站每天需21G計(jì)算存儲(chǔ)空間。

4.1.2 互聯(lián)網(wǎng)專線

中心站同時(shí)需滿足視頻水位監(jiān)測(cè)站的視頻接入，應(yīng)按每站2 Mbite/s的碼率配置互聯(lián)網(wǎng)帶寬。

4.2 安全監(jiān)視預(yù)警管理專用軟件

水庫(kù)庫(kù)區(qū)安全監(jiān)視預(yù)警管理專用軟件具備視頻瀏覽、前端控制、錄像查看、事件管理、存檔管理、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、權(quán)限管理、警戒管理等監(jiān)控功能，有效提升了水庫(kù)精細(xì)化管理能力和洪水風(fēng)險(xiǎn)管控能力，對(duì)水源地水質(zhì)安全、人員安全提供更加有效的保證。

視頻監(jiān)控預(yù)覽界面集成各類視頻瀏覽管理操作：①可根據(jù)點(diǎn)位信息查看視頻圖像，并進(jìn)行電子放大、音頻預(yù)覽、全屏顯示、3D控制、視頻上墻等操作；②可同步監(jiān)聽(tīng)前端設(shè)備采集的聲音，并與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)講和廣播；③可實(shí)現(xiàn)客戶端之間對(duì)講；④支持GIS界面自由圈定測(cè)站，批量向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布告警信息、喊話，方便可視化操作和直觀的調(diào)度指揮；⑤可以多屏、分屏顯示視頻預(yù)覽、錄像回放和電子地圖，監(jiān)控預(yù)覽時(shí)可快速調(diào)取監(jiān)控點(diǎn)在地圖上的位置信息；⑥支持視頻圖像組輪巡、視圖組輪巡、跨服務(wù)器圖像輪巡；⑦可查看錄像存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；⑧可實(shí)時(shí)查看和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)備的在線狀態(tài)和通道的報(bào)警狀態(tài)，及其他監(jiān)控系統(tǒng)常備功能；⑨可從上級(jí)平臺(tái)同步水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤、閾值報(bào)警、趨勢(shì)分析等本地應(yīng)用。

4.3 核心服務(wù)器配置

4.3.1 總控管理服務(wù)器

用于部署水庫(kù)庫(kù)區(qū)安全監(jiān)視預(yù)警管理軟件，承擔(dān)前端設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集展示和視頻預(yù)覽回放等功能。

4.3.2 信令網(wǎng)關(guān)服務(wù)器

用于視頻國(guó)標(biāo)對(duì)接的核心單元，通過(guò)國(guó)標(biāo)GB/T28181協(xié)議[12]實(shí)現(xiàn)和上級(jí)平臺(tái)間的互聯(lián)對(duì)接，方便上級(jí)平臺(tái)調(diào)取，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)注冊(cè)、平臺(tái)校時(shí)、平臺(tái)設(shè)備目錄查詢、設(shè)備狀態(tài)查詢、音視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽、云鏡控制、錄像回放、對(duì)講等功能。

4.3.3 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器

用于視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心單元，主要負(fù)責(zé)視頻錄像存儲(chǔ)，具有RAID管理功能，支持服務(wù)器定時(shí)錄像存儲(chǔ)、錄像回放、錄像下載、視頻抓拍、倍速播放控制等功能操作。

4.4 視頻管理工作站

需在下述部門部署視頻管理工作站，以滿足高性能監(jiān)控視頻調(diào)用的工作要求。

（1）汛期防汛指揮調(diào)度部門，需要通過(guò)工作站隨時(shí)掌握水位上漲對(duì)庫(kù)區(qū)村莊的淹沒(méi)情況，作為防汛調(diào)度的重要參考依據(jù)。

（2）科技工作部門，需要通過(guò)工作站掌握預(yù)警相關(guān)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）庫(kù)區(qū)管理部門，需要通過(guò)工作站實(shí)時(shí)掌握庫(kù)區(qū)周邊水位上漲淹沒(méi)村莊情況。

（4）會(huì)商中心是各種重大會(huì)商決策的會(huì)場(chǎng)，經(jīng)常需要調(diào)用類似安全監(jiān)視視頻等各種視頻監(jiān)控資源，并與市水務(wù)局會(huì)商。

4.5 監(jiān)控上墻

防汛指揮調(diào)度部門需要隨時(shí)掌握庫(kù)區(qū)水情及各重點(diǎn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，因此需要將庫(kù)區(qū)安全監(jiān)視視頻進(jìn)行上墻投屏。

會(huì)商中心是各種重大會(huì)商決策的會(huì)場(chǎng)，經(jīng)常需要隨時(shí)調(diào)用安全監(jiān)視視頻等各種視頻監(jiān)控資源，因此需要進(jìn)行監(jiān)控上墻應(yīng)用。

庫(kù)區(qū)管理部門需要實(shí)時(shí)掌握庫(kù)區(qū)周邊水位上漲淹沒(méi)村莊情況，需對(duì)庫(kù)區(qū)安全監(jiān)視視頻進(jìn)行展示和管理，因此需要進(jìn)行監(jiān)控上墻應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

視頻水位識(shí)別技術(shù)兼顧了水位的監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景的監(jiān)控及水源地的驅(qū)離保護(hù)。相較其他監(jiān)測(cè)技術(shù)只能滿足單一需求，一臺(tái)視頻水位監(jiān)測(cè)設(shè)備能同時(shí)滿足多項(xiàng)需求，具有一機(jī)多效的綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，非常適合在水庫(kù)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)應(yīng)用，尤其是在淹沒(méi)區(qū)進(jìn)行水位警戒、水源地保護(hù)、為防汛指揮調(diào)度提供實(shí)景依據(jù)的綜合應(yīng)用。