省級視頻監控統一平臺的設計與實現

楊曉旭，陳西海

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

隨著電力企業自動化建設和改造不斷發展與完善，電力企業為了提高勞動生產率，增加經濟效益，變電站開始實施“無人值班、少人值守”的運行管理模式，如何保證設備運行的安全性和可靠性成為首要的、關鍵的問題。隨著監控系統技術的飛速發展，數字圖像信息的交換已得到廣泛應用。變電站系統的四遙功能（遙控、遙信、遙測、遙感）已經無法滿足無人值守的要求，增加遠程視頻監控系統才能真正實現對無人值守變電站的現代化的科學管理和維護。通過圖像結合遠程和本地人員操作經驗的優勢，避免誤操作。通過圖像監視現場設備的運行狀況，起到預警和保護的作用。還可以配合其他系統（如變電站綜合自動化系統等）的工作。

當前，為了加強對重要變電站及無人值守變電站在安全生產、防盜保安、火警監控等方面的綜合管理水平，實現創一流的目標，越來越多的電力企業借助視頻監控監視變電站設備運行狀態以及現場情況，以減輕現場人員的勞動量和勞動強度，及時發現各種危險狀況，制止事故的發生。但由于變電站的地域分散性，各變電站的視頻監控系統都是分散、孤立的，沒有形成一個統一體，沒有實現集中運行、集中監控[1]。為了充分地發揮視頻監控的優越性，解決現有視頻監控系統的孤島現象，在現有的系統上建設一套可將各孤立的系統聯合起來，實現可控、可管、可維護的全省聯網綜合視頻監控平臺已成為當前電力企業迫切需求。

1 實現全省聯網存在問題和困難

1.1 地域分布廣且網絡構架復雜

電力行業變電站多數呈分散式分布，且很多地理位置處于人煙稀少的地方。網絡架構復雜，給視頻監控系統組網帶來了困難。傳統的模擬視頻監控系統組網方式通常只適合于小范圍的區域監控，系統的擴展能力差，而且無法形成有效的集中式報警聯動定制，系統的穩定性也無法得到保障。

1.2 圖像處理設備并發傳輸能力有限

視頻監控系統中主要使用嵌入式硬盤錄像機（DVR），進行圖像存儲處理，DVR具有對圖像、語音進行長時間錄像、錄音、遠程監視和控制的功能。目前，視頻監控客戶端主要采取直連的方式與DVR進行通信，而對于一臺DVR，其硬件資源有限，一個圖像通道只能同時支持少量（小于6路）的視頻監控客戶端同時訪問。由于視頻監控系統分散、孤立于各個變電站中，視頻監控客戶端使用數量較少，圖像設備同時支持視頻監控客戶端少的問題并不突出。如果實現全省聯網，視頻監控客戶端使用數量必然大大增加，特別是在發生緊急情況下，更多的視頻監控客戶端需要同時訪問同一通道。如何解決圖像設備不能滿足多個視頻監控客戶端同時訪問的問題已成為實現全省聯網的關鍵之一。

1.3 網絡流量大

1路CIF格式的圖像需占用約0.5 M的帶寬，1路D1格式的圖像需占用約1.5 M的帶寬，而各變電站只提供一路2M的帶寬，限制了變電站并發圖像流只能到達最多1路D1圖像或4路CIF圖像，因此2 M的帶寬制約變電站視頻監控業務的開展，形成了圖像流傳輸的瓶頸，無法滿足更多用戶的使用。隨著圖像技術的快速發展，網絡高清攝像機已成為未來主要產品，其對網絡性能的要求更高。要實現視頻監控的全省聯網，滿足更多用戶同時在線監視現場的情況。在不改變現有資源，盡量減少成本的前提下，解決圖像流傳輸瓶頸的問題成為實現全省聯網的又一個關鍵。

2 全省聯網的實現

2.1 系統總體框架

變電站視頻監控系統按省級、地區級、監控中心三級構建。將若干個無人值守變電站劃歸到一個監控中心下，多個監控中心接入地區及系統，多個地區級系統接入省級系統的多級分布式部署結構。分級結構如圖1所示。

圖1 全省聯網分級結構圖

監控中心負責基礎數據、設備信息維護，同時對本級客戶端進行服務，并通過數據同步方式同步到地區級和省級系統中。不同級別的系統管控不同的范圍，上層系統繼承下層系統可管控的監控點，監控中心只能管控接入到該監控中心的監控點，地區級系統可管控其所有下級監控中心的監控點，而省級系統可以管控所有的監控點。各級監控范圍如圖2所示。各級系統之間互不干擾，各自使用本級的資源。任一級系統出險故障不影響其他級系統的正常運行。

圖2 各級監控范圍示意圖

2.2 視音頻流轉發

視音頻流轉發是當客戶端請求圖像流數據時，由轉發服務器從DVR獲取視音頻流數據，然后轉發傳送給多個客戶端。不同級的客戶端由其所在級的視音頻轉發服務器提供數據[2]。視音頻流轉發傳輸方式如圖3所示。

圖3 視音頻流轉發示意圖

由圖3可以看出，同級的多個客戶端同時訪問DVR的同一通道時，轉發服務器和DVR只建立一條鏈路來獲取視音頻數據，然后由轉發服務器將視音頻流數據分發給各客戶端。對于三級構架的視頻監控系統而言，同時連接DVR同一通道的最多鏈路只有3條，從而有效解決了視音頻處理設備并發傳輸能力有限的問題。同時采用視音頻轉發服務的方法亦解決了不同網段傳輸視音頻流的問題，從而最大限度地保護用戶原始網絡方面的投資。根據不同的網絡環境和用戶要求，轉發服務器可采用單播、組播、廣播等不同的轉發方式，以適應不同網絡架構，同時盡量少地占用網絡資源。由于采用了多級分布式部署，客戶端請求的圖像數據是由其所在級的轉發服務器來處理的。因此可對視音頻流數據進行有效的分流，由多臺轉發服務器共同承擔傳輸任務，可有效地減輕網絡傳輸壓力，解決了由于網絡帶寬資源有限而圖像流數據占用網絡資源大的問題。

2.3 負載均衡

負載均衡是建立在現有網絡結構之上，它提供了一種廉價有效透明的方法擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性[3]。

對于一臺轉發服務器而言，其處理數據的能力也是有限的，為了能更快地響應客戶端的請求，更穩定地傳輸高質量的圖像流數據，對于監控中心，其需要設立的轉發服務器的數量要根據管控的監控點和用戶數量來確定。如果某一監控中心設立了多臺轉發服務器，則不指定某一轉發服務器管控的范圍，而是根據當前客戶端請求量來動態分配。在多臺轉發服務器間采用自動分配（Auto Mode）軟負載均衡處理，以避免某一轉發服務器因為轉發任務過重而帶來的響應慢、數據丟失甚至服務器宕機等問題。

2.4 工程數據同步

區域級乃至省級視頻監控聯網面臨的一個重大問題就是工程數據的維護，在電力系統，變電站分布廣泛，而且每年新建以及改造的變電站眾多。以往在下級監控中心增加的監控點信息，必須同步在上級系統中重新錄入，漏錄、錯錄的概率非常大。為解決這一問題，作為多級監控系統，必須實現自下而上的數據同步功能，否則就會造成工程數據的多次錄入與維護，給各級運行和維護人員帶來巨大的工作量。為實現上級系統的免維護功能，設計和開發了工程數據同步系統，從而實現了在下級系統中進行工程數據的維護時，自動同步推送到上級系統，上級系統自動同步后，會提示運維人員確認同步的信息，并自動重新刷新內存中的實時工程數據，從而減輕了省級、市級的工程維護量。

該方法利用了分布式數據庫的觸發同步技術，系統在部署時首先定義好多級系統的上下級關系，下級系統需要同步推送的上級系統的具體數據信息，多個上級系統需要預先定義好優先級。當下級監控中心的工程數據更新、修改、刪除時，同步程序會緩存這些信息，同時根據預先定義好的規則，實時同步到上級系統的商用數據庫，同時更新上級系統的內存數據庫。當上下級網絡中斷或上級系統停運時，同步系統會不斷查詢上級系統的運行狀態，并把中斷期間的所有更新、修改、刪除的工程數據進行存儲，當上級系統恢復運行后，下級系統會自動把所有需要同步地數據及時的更新到上級系統中，從而實現了上級系統的免維護功能。

3 結束語

本文提出了采用多級分布式部署、圖像流轉發、負載均衡等方法實現電力視頻監控系統的全省聯網。利用本文提出的設計方案，開發了應用于區域性視頻監控的聯網的管理系統，并成功應用于河北省南部電網的全省變電站視頻監控系統互聯等多個大聯網監控中心。河北省南部電網轄6個市、一個超高壓局、一個風電管理中心；轄區裝設有視頻監控的變電站共610個，需要接入的攝像機為6200個。自全省變電站視頻監控系統聯網工程投運以來，實現了河北省南部電網所轄變電站視頻監控系統的統一聯網，統一監視，統一管理，良好的系統架構、簡單的功能操作、豐富的人機界面以及良好的用戶體驗得到了用戶的充分認可。

[1]郭麗紅，楊 潔，郝慧珍.電力遠程視頻監控系統的設計與實現[J].南京工程學院學報，2006(3):11.

[2]姜 琴，王 林，馬 勇.基于P2P技術的流媒體轉發服務器的設計與實現[J].計算機系統應用，2008，04(9)：24-27.

[3]王 琴.基于負載均衡的網格工作流調度算法的研究[D].廈門：廈門大學，2009.