電網(wǎng)全景展現(xiàn)系統(tǒng)中視頻展現(xiàn)單元的研究與實(shí)現(xiàn)

海南電網(wǎng)公司 鄭 楨 高 鵬 何啟遠(yuǎn)

國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院信息通信分公司 余 昇

1.引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、公安、金融證券、電信、電力等各個(gè)行業(yè)[2]。而現(xiàn)今電力行業(yè)中的視頻監(jiān)控系統(tǒng)往往只能對(duì)各自管轄的局部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，建設(shè)現(xiàn)狀比較凌亂，不能做到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、逐層匯集。隨著智能電網(wǎng)信息化各業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深化，各系統(tǒng)對(duì)視頻統(tǒng)一接入、集中展示和視頻聯(lián)動(dòng)的需求不斷增加。在此背景下，國(guó)家電網(wǎng)公司編制并印發(fā)《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)視頻監(jiān)控的功能、音視頻編碼格式、業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用及前端系統(tǒng)接入接口服務(wù)提出了明確的要求。一套遵照《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)和建設(shè)電網(wǎng)統(tǒng)一視頻監(jiān)視平臺(tái)十分必要。

2.電網(wǎng)“全球眼”系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海南省是臺(tái)風(fēng)多發(fā)省份，亟需加強(qiáng)平時(shí)的安全生產(chǎn)管理以及當(dāng)臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)，及時(shí)了解真實(shí)、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)情況，包括突發(fā)事件發(fā)生的原因及過(guò)程、突發(fā)事件對(duì)電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施造成的破壞等。為充分滿足海南國(guó)際旅游島“超穩(wěn)定”的供電需求，海南電網(wǎng)公司在全面落實(shí)強(qiáng)化安全管理要求的同時(shí)，積極響應(yīng)智能電網(wǎng)的總體要求，提出了建設(shè)以多視角，多維度展現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的電網(wǎng)全景展現(xiàn)運(yùn)行指揮系統(tǒng)。

在智能電網(wǎng)迅速發(fā)展的條件下，變電站“四遙”功能（遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)）得以充分體現(xiàn)，隨著無(wú)人值班管理模式的推廣，其中所涉及的數(shù)字式和簡(jiǎn)單圖形化的監(jiān)控已不能完全滿足對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控，人們?cè)絹?lái)越迫切希望能夠通過(guò)視頻圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備及周邊環(huán)境的監(jiān)視，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班環(huán)境下的安全防衛(wèi)。遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)“四遙”功能的進(jìn)一步補(bǔ)充－“遙視”，它能監(jiān)視并記錄變電站的安全以及設(shè)備的運(yùn)行情況，并提供事后分析事故的有關(guān)圖像資料。同時(shí)它還具有防火、防盜、等設(shè)備聯(lián)動(dòng)等功能。因此越來(lái)越多的電力局把遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)作為自動(dòng)化變電站管理的新手段。同時(shí)，各種通信媒介的鋪設(shè)和多媒體壓縮技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展為“五遙”－遙視提供了必要的前提條件和技術(shù)保證。電網(wǎng)全景展現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)架圖如下圖1所示。

3.視頻展現(xiàn)單元

3.1 視頻展現(xiàn)單元

視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)，能獨(dú)立完成視頻監(jiān)控相關(guān)業(yè)務(wù)，提供音視頻、數(shù)據(jù)、告警及狀態(tài)等信息遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲(chǔ)存、處理業(yè)務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)。不同區(qū)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成部分包括視頻監(jiān)控平臺(tái)、前端設(shè)備和應(yīng)用客戶端。平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)如下圖2所示。

視頻展現(xiàn)單元作為視頻平臺(tái)的模塊之一，根據(jù)海南電網(wǎng)全景展現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)視頻業(yè)務(wù)的需求，滿足用戶配置、用戶認(rèn)證、設(shè)備列表、實(shí)時(shí)音視頻瀏覽、音視頻解碼器要求、多畫(huà)面顯示、云鏡控制、視頻錄像、錄像查詢回放、信號(hào)聯(lián)動(dòng)、實(shí)時(shí)語(yǔ)音、抓圖、電子地圖、時(shí)間同步、移動(dòng)終端瀏覽等功能。

視頻展現(xiàn)單元可分為CS和BS兩種模式。CS模式之傳統(tǒng)的應(yīng)用客戶端，用戶安裝程序后，運(yùn)行客戶端程序即可瀏覽視頻；用戶不僅可通過(guò)C/S，還可以通過(guò)B/S模式接入系統(tǒng)。用戶打開(kāi)瀏覽器輸入相應(yīng)URL即可訪問(wèn)視頻瀏覽頁(yè)面，通過(guò)OCX集成方式完成海南全景展現(xiàn)系統(tǒng)視頻功能。

表1

圖1 電網(wǎng)全景展現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖2 全景展現(xiàn)系統(tǒng)視頻平臺(tái)架構(gòu)

圖3 應(yīng)用客戶端分層設(shè)計(jì)

圖4 視頻解碼庫(kù)結(jié)構(gòu)

圖5 視頻調(diào)閱程序流程

圖6 CS客戶端運(yùn)行界面

圖7 綜合展示界面

3.2 視頻展現(xiàn)單元分層設(shè)計(jì)

應(yīng)用客戶端模塊框架按照分層設(shè)計(jì)。如圖3所示，分為通信層和應(yīng)用層。通信層與視頻統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行信令及媒體數(shù)據(jù)的交互，其通信接口符合國(guó)家電網(wǎng)視頻規(guī)范A接口標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為業(yè)務(wù)層提供服務(wù)支撐。控件的業(yè)務(wù)層承載了業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)視頻統(tǒng)業(yè)務(wù)的需求，包括音視頻、控制、系統(tǒng)功能、歷史視頻、資源獲取5個(gè)模塊。

3.2.1 通信層

通信層作為應(yīng)用客戶端的最底層，負(fù)責(zé)與視頻平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，其中包括通信接口模塊、RTPRTCP模塊、HTTP模塊、RTSP模塊。

通信接口模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)TCP通信報(bào)文的收發(fā)控制以及對(duì)請(qǐng)求命令對(duì)象和通信報(bào)文的序列化和反序列化；HTTP通信模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)HTTP通信報(bào)文的收發(fā)控制以及對(duì)請(qǐng)求命令對(duì)象和通信報(bào)文的序列化和反序列化，主要用于和音視頻業(yè)務(wù)相關(guān)性不高的業(yè)務(wù)，如資源獲取、系統(tǒng)功能等；RTP/RTCP傳輸模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)RTP/RTCP數(shù)據(jù)報(bào)文的收發(fā)控制以及對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的序列化和反序列化，用于音視頻數(shù)據(jù)的傳輸；RTSP通信模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)媒體會(huì)話的建立、修改、刪除控制以及對(duì)RTSP通信報(bào)文的序列化和反序列化，主要用于遠(yuǎn)程錄像回放業(yè)務(wù)。

3.2.2 音視頻解碼層

音視頻解碼層實(shí)現(xiàn)對(duì)音視頻數(shù)據(jù)的解碼。應(yīng)用客戶端接收到音視頻數(shù)據(jù)流后，首先由通信層接收，再由音視頻解碼層解碼顯示于播放窗口或播放。

應(yīng)用客戶端通過(guò)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)解碼庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。標(biāo)準(zhǔn)解碼庫(kù)對(duì)應(yīng)用客戶端提供標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)接口，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（.dll文件）的形式提供給應(yīng)用客戶端。其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

如圖4所示，由于統(tǒng)一視頻平臺(tái)需要接入各電網(wǎng)公司及其下屬單位的視的頻數(shù)據(jù)，而各下屬單位的輸出視頻流編碼格式并不統(tǒng)一，包括各廠商自定義的編碼格式及H.264編碼格式。所以需要對(duì)各廠家提供的視頻解碼庫(kù)及H.264解碼進(jìn)行再次封裝[3]，并對(duì)應(yīng)用客戶端的業(yè)務(wù)層提供統(tǒng)一解碼接口。由于整個(gè)視頻系統(tǒng)采用軟解碼的形式，且應(yīng)用客戶端在WINDOWS系統(tǒng)VC環(huán)境下開(kāi)發(fā)，所以接口全部由C語(yǔ)言函數(shù)的形式提供。

3.2.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用客戶端上層業(yè)務(wù)，由通信層和音視頻解碼層提供接口。業(yè)務(wù)層用于將視頻系統(tǒng)的業(yè)務(wù)展現(xiàn)給用戶，所以又可稱作業(yè)務(wù)展現(xiàn)層。業(yè)務(wù)層可分為音視頻功能、系統(tǒng)功能、資源獲取、歷史視頻回放、控制功能幾大模塊?？梢詽M足操作者多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求。

3.3 程序流程設(shè)計(jì)

本節(jié)以最具典型意義的視頻調(diào)閱業(yè)務(wù)為例，闡述應(yīng)用客戶端的功能實(shí)現(xiàn)流程[1]。

調(diào)閱實(shí)時(shí)視頻包含信令接口和媒體流接口，信令基于TCP協(xié)議，媒體傳輸采用RTP/RTCP。

視頻信令采用自定義協(xié)議，數(shù)據(jù)報(bào)文采用自定義結(jié)構(gòu)，包括報(bào)文表示、報(bào)文類型、消息體、報(bào)文結(jié)束表示組成。

視頻數(shù)據(jù)采用RTP打包傳輸時(shí)，考慮每個(gè)傳輸分組不大于MTU，采用了編碼器層支持（ITU-T H.264的multi-slice技術(shù)）技術(shù)和RTP層的分片機(jī)制（IETF RFC 3984定義的FU-A技術(shù)）[5]。

結(jié)束會(huì)話宜由用戶發(fā)起，也可由支持由被調(diào)閱的系統(tǒng)結(jié)束會(huì)話（如網(wǎng)絡(luò)資源不足等原因）。視頻調(diào)閱業(yè)務(wù)流程圖如圖5所示。

視頻調(diào)閱業(yè)務(wù)信令由TCP協(xié)議完成，實(shí)時(shí)視頻流通過(guò)RTP/RTCP協(xié)議傳輸。應(yīng)用客戶端發(fā)起視頻請(qǐng)求的數(shù)據(jù)定義如下：TCP消息以C++結(jié)構(gòu)體形式定義，調(diào)用TCP協(xié)議動(dòng)態(tài)庫(kù)提供的函數(shù)接口發(fā)送，如表1。

3.4 視頻展現(xiàn)單元運(yùn)行結(jié)果

應(yīng)用客戶端軟件應(yīng)用WINDOWS系統(tǒng)的VC2008作為編碼工具，C++作為編程語(yǔ)言。實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)統(tǒng)一視頻的應(yīng)用客戶端部分。包括音視頻調(diào)閱、歷史視頻回放、控制等功能，運(yùn)行結(jié)果如圖6、7所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)整個(gè)電網(wǎng)統(tǒng)一視頻平臺(tái)做了介紹和概括，其次通過(guò)模塊設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)、消息內(nèi)容設(shè)計(jì)幾個(gè)層面詳細(xì)闡述了視頻平臺(tái)中的應(yīng)用客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用客戶端軟件已經(jīng)成功運(yùn)行于生產(chǎn)環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定。下一步的研究主要集中在視頻業(yè)務(wù)的高級(jí)應(yīng)用上，挖掘電力行業(yè)對(duì)視頻業(yè)務(wù)的特有需求研究并實(shí)現(xiàn)實(shí)更加多樣化的功能。

[1]電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口,第一部分:技術(shù)要求[S].Q/GDW 517.1-2010.

[2]江潮,蘇祥芳.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J],武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,46(5):608-612.

[3]樓劍,虞露.新一代的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)-H.264[J].當(dāng)代通信,2003(5):29-32.

[4]王紅熳,鄒華.SIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2000,23(4):74-78.

[5]Rosenberg J,Schulzrinne H,Camanilo G.SIP:Session initiation protocol.Internet RFC 3261,2002.

[6]Schulzrinne H,Rosenberg J.The session initiation protocol:Internet-Centric signaling.IEEE Communications Magazine,2000:134-141.

[7]沈國(guó)輝,佘東香,孫湃等.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)研究及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2009.Vol33.No17.

[8]王慶紅.電力系統(tǒng)可視化技術(shù)及其在南方電網(wǎng)的應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)研究,2006,2(3):40-44.

[9]Research Reports International.Understanding the smart grid,RRI00026[R].2007.

[10]The National Energy Technology Laboratory.Modern grid bene fi ts.Pitt sburgh,PA,USA:NETL,2007.