視頻及閘門監(jiān)控在沂沭泗局直管水閘中的應用

楊殿亮，鐘 華

視頻及閘門監(jiān)控在沂沭泗局直管水閘中的應用

楊殿亮，鐘 華

（沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221009；廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516001）

沂沭泗局利用統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議組建成的三級防汛計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和現(xiàn)代化信息通信數(shù)字微波專用網(wǎng)，為流媒體的傳輸提供了基礎平臺，建成了具有數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化相結(jié)合的水閘監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)直管水閘的遠程實時視頻監(jiān)控和閘門控制監(jiān)測，為各級防汛部門提供實時和直觀的汛情、工情圖像信息。

水閘；遠程；監(jiān)控；組網(wǎng)

1 概述

淮委沂沭泗水利管理局是淮委在沂沭泗河水系的水利管理機構，其中直管大中型水閘18座。通過病險閘除險加固改造工程和沂沭泗局直管重點工程監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)工程的實施，基本實現(xiàn)了水閘的現(xiàn)地視頻監(jiān)控，為水閘的安全可靠運行、水利設施的防損防盜等提供了充分的保障措施，也極大地豐富了管理手段，同時也提高了防洪調(diào)度的水平。

由于各個水閘監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)分期分批次陸續(xù)建設，時間跨度長達十余年，缺乏統(tǒng)一的技術標準，目前的架構異常復雜，部署、安裝、維護困難，標準化和可擴展性差，管理難度大，且信息共享難。

沂沭泗局已組建了以數(shù)字微波傳輸、程控交換為主，輔以光纖電路、無線接入、智能復用設備、計算機網(wǎng)絡等多種信息通信手段相結(jié)合的現(xiàn)代化信息通信專用網(wǎng)，能夠為流媒體的傳輸提供必要的帶寬，沂沭泗局利用統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議已經(jīng)組建成局機關、直屬局、基層局三級網(wǎng)絡互聯(lián)的防汛計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，這些都為沂沭泗局直管水閘監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)提供了堅實的基礎。沂沭泗水利管理局充分利用現(xiàn)有的資源，在直管水閘范圍內(nèi)，組建一個集遠程視頻監(jiān)視與閘門控制監(jiān)測于一體的水閘監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

2 閘門監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

由于水閘地理位置比較分散，直管水閘分屬于三個直屬管理局管轄，服從于分級管理原則，便于將來監(jiān)控系統(tǒng)的擴充，選擇分布式組網(wǎng)方式組建沂沭泗局直管水閘監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控的區(qū)域范圍和所屬二級管理單位分級，形成上級監(jiān)控中心作為一級平臺，下級單位為二級平臺，成輻射狀的水閘監(jiān)控系統(tǒng)。分布式的網(wǎng)絡結(jié)構使得系統(tǒng)可以承受較大的負擔，不但可以容納多路的視頻流，而且可處理多用戶并發(fā)訪問請求，為系統(tǒng)平臺的擴展提供了保障。

水閘監(jiān)控系統(tǒng)從水閘監(jiān)視信息和閘門控制監(jiān)測信息的采集、視頻流信息共享、網(wǎng)絡帶寬占用率及網(wǎng)絡管理等方面綜合考慮，利用已建沂沭泗信息通信專用網(wǎng)提供的網(wǎng)絡信道，依靠三級網(wǎng)絡互聯(lián)的防汛計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)組建遠程水閘監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務網(wǎng)。

各個主要直管水閘視頻監(jiān)視點前端選用具有MPEG-4壓縮方式、嵌入式結(jié)構和高性能DSP芯片的硬件編碼器設備完成圖像分解和光電信號轉(zhuǎn)換。視頻信號通過編碼器被壓縮編碼后轉(zhuǎn)換為基于IP的MPEG-4碼流，與控制信號一起傳送到IP網(wǎng)絡，網(wǎng)絡協(xié)議采用國際標準的TCP/IP協(xié)議。水閘監(jiān)控系統(tǒng)通過視頻服務器把監(jiān)控圖像傳送至防汛計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)上任何需要的節(jié)點和向上連接的淮委的網(wǎng)絡節(jié)點上。

各個主要直管水閘閘門控制監(jiān)測前端在不改變原有的閘門控制網(wǎng)絡系統(tǒng)基礎上，利用現(xiàn)地閘門自動化控制系統(tǒng)，通過增加工業(yè)控制計算機、計算機與現(xiàn)地PLC之間的數(shù)據(jù)接口組件，將閘門的開度、閘門荷重、閘門操作狀態(tài)等工情信息通過網(wǎng)絡交換機傳送到沂沭泗水利管理局監(jiān)控平臺實時數(shù)據(jù)庫，供水閘監(jiān)控中心管理平臺軟件調(diào)用。

3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成

直管水閘監(jiān)視系統(tǒng)都在現(xiàn)地“孤島”式獨立運行，直屬局、沂沭泗局無法對直管水閘視頻監(jiān)視信息統(tǒng)一顯示，前端信號采集設備也無法統(tǒng)一進行管理和維護。

各基層局監(jiān)控管理系統(tǒng)有的利用模擬視頻矩陣系統(tǒng)對前端視頻采集設備進行控制，這種方式下遠程用戶根本無法進行云臺旋轉(zhuǎn)、攝像機焦的控制，如二級壩樞紐二、三閘和彭家道口分洪閘等。有的利用模擬光端機、矩陣等設備完成圖像信息的采集、傳輸、顯示和控制，利用數(shù)字錄像機完成編解碼和存儲，并且所遵循的標準不一致，如韓莊樞紐韓莊節(jié)制閘，嶂山閘、宿遷節(jié)制閘等。因而察看直管水閘的視頻監(jiān)視信息困難，運用復雜繁瑣。并且融合模、數(shù)兩套完全異構的平臺，導致整個監(jiān)控系統(tǒng)的架構異常復雜，部署、安裝、維護困難，標準化和可擴展性差，管理難度大，無法適應監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的需要。

根據(jù)實際情況，充分利用現(xiàn)有資源，對模擬視頻矩陣系統(tǒng)進行更換視頻信號采集、傳輸、壓縮存儲設備。其余的則采用從視頻信號采集入手的方式，增加視頻編碼器的方式，完成模擬視頻監(jiān)視信號的數(shù)字采集、MPEG4壓縮，使視頻監(jiān)視信息完全實現(xiàn)數(shù)字化，再通過嵌入式硬盤錄像機將壓縮的視頻點的視頻信號通過TCP/IP網(wǎng)絡傳輸給所屬中心的中心系統(tǒng)管理服務器。從而建設完善沂沭泗直管水閘監(jiān)視系統(tǒng)，使之成為信息豐富、圖像效果清晰、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、管理維護便捷的現(xiàn)代水利工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

整個水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)由前端系統(tǒng)設備，網(wǎng)絡傳輸及監(jiān)控中心系統(tǒng)設備三個部分組成。

前端設備：主要由攝像機、編碼器、硬盤錄像機等設備組成。其核心設備是攝像機，主要負責現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)的采集，對現(xiàn)場外圍設備進行控制，達到收集水閘監(jiān)視現(xiàn)場數(shù)據(jù)的目的。編碼器主要完成數(shù)字化處理和錄像部分，是監(jiān)視系統(tǒng)的現(xiàn)場核心，它完成模擬視頻監(jiān)視信號的數(shù)字采集、MPEG4壓縮、網(wǎng)絡傳輸以及輔助設備（如云臺、矩陣等）的控制、監(jiān)視數(shù)據(jù)記錄和檢索、硬盤錄像等功能。其中移動圖像采集設備是一套可獨立運行的嵌入式系統(tǒng)，通過與單路視頻服務器連接，采用標準視頻圖像壓縮技術利用公網(wǎng)無線通信傳輸網(wǎng)絡，將視頻流通過無線方式傳送給遠端的沂沭泗監(jiān)控中心視頻服務器，用戶通過訪問沂沭泗監(jiān)控中心服務器調(diào)取實時監(jiān)控圖像。

網(wǎng)絡傳輸：利用已建的沂沭泗防汛計算機網(wǎng)絡進行視頻圖像的傳輸，通道采用光纖數(shù)字電路和數(shù)字微波電路混合方式，沂沭泗局到三個直屬局的網(wǎng)絡主通道帶寬為100M、10M、20M，備用通道帶寬為8M，直屬局到所屬基層局網(wǎng)絡帶寬為2～8M不等。嵌入或PC式硬盤錄像機將壓縮的視頻點的音視頻信號通過TCP/IP局域網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和沂沭泗防汛計算機網(wǎng)絡等IP網(wǎng)絡傳輸給所屬中心的中心系統(tǒng)管理服務器。

監(jiān)控中心：沂沭泗監(jiān)控中心平臺是整個系統(tǒng)的核心，需要用戶接入認證、系統(tǒng)設備管理、視頻監(jiān)視控制以及流媒體分發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。網(wǎng)絡錄像單元用于實現(xiàn)網(wǎng)絡媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化錄像、存儲、檢索、回放以及管理。監(jiān)控中心設置視頻服務器和認證服務器，并安裝相應的服務管理軟件和應用支撐平臺，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和集中管理。

4 閘門控制監(jiān)測系統(tǒng)組成

利用現(xiàn)有的水閘前端智能采集設備，不改變原有的系統(tǒng)結(jié)構，通過增加工業(yè)控制計算機，完善現(xiàn)地通信網(wǎng)絡，利用沂沭泗水利管理局統(tǒng)一規(guī)劃設置的IP訪問地址，在沂沭泗水利管理局搭建工情數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)庫服務器，韓莊樞紐、二級壩樞紐、道口樞紐、大官莊樞紐、嶂山節(jié)制閘、宿遷節(jié)制閘各管理局搭建工情數(shù)據(jù)采集終端，增加計算機與現(xiàn)地PLC之間的數(shù)據(jù)接口組件，將閘門開度、閘門荷重、閘門操作狀態(tài)等工情信息，通過網(wǎng)絡交換機傳送到沂沭泗水利管理局監(jiān)控平臺實時數(shù)據(jù)庫中，供水閘監(jiān)控中心管理平臺軟件使用；淮委、沂沭泗水利管理局機關、沂沭泗直屬局及基層局通過客戶端查看各閘水工情信息。

工情數(shù)據(jù)采集終端采用工業(yè)控制計算機，安裝數(shù)據(jù)接口組件及相應的操作系統(tǒng)軟件，配置雙以太網(wǎng)卡，通過對雙以太網(wǎng)卡IP地址的不同設置來訪問現(xiàn)地PLC，完成各個樞紐的閘門開度、荷重及閘門操作狀態(tài)等工情信息的收集，并實時上傳到沂沭泗水利管理局工情服務器實時數(shù)據(jù)庫中，供監(jiān)控中心管理平臺軟件調(diào)用。其中一個網(wǎng)卡設置現(xiàn)場局域網(wǎng)絡IP地址，訪問現(xiàn)地網(wǎng)絡，不更改現(xiàn)有的現(xiàn)地網(wǎng)絡結(jié)構，另一個網(wǎng)卡設置沂沭泗水利管理局統(tǒng)一規(guī)劃的網(wǎng)絡IP地址，連接沂沭泗水利管理局網(wǎng)絡。

淮委客戶機通過租用的數(shù)字電路、沂沭泗水利管理局本地客戶機通過本地網(wǎng)絡、沂沭泗水利管理局直屬水利管理局客戶機通過光纖或微波網(wǎng)絡訪問沂沭泗水利管理局監(jiān)控中心管理平臺軟件。

閘門控制監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡連接如圖1所示。

圖1 閘門控制監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡連接圖

5 系統(tǒng)功能

5.1 實時監(jiān)視

可以在客戶端的電視墻上或者通過WEB方式登錄監(jiān)控中心視頻管理服務器實現(xiàn)單畫面和多種多畫面模式的實時監(jiān)視，可實現(xiàn)對監(jiān)控點攝像機的遠程控制。圖像可疊加監(jiān)控點名稱、日期/時間等字幕信息。

5.2 流媒體服務

流媒體服務包括：流媒體服務器軟件、視頻存儲服務器及錄像服務器軟件、設備管理器軟件三部分。

流媒體服務器軟件安裝在視頻服務器內(nèi)，主要實現(xiàn)硬盤錄像機實時視頻流的轉(zhuǎn)發(fā)、控制信息轉(zhuǎn)發(fā)、錄像資料的轉(zhuǎn)發(fā)。在進行網(wǎng)絡視頻轉(zhuǎn)發(fā)時，可以平衡網(wǎng)絡視頻負載。用戶通過訪問流媒體服務器提取經(jīng)流媒體服務器轉(zhuǎn)發(fā)后的前端硬盤錄像機所需實時視頻流，并發(fā)送PTZ進行設備控制。

視頻存儲服務器及錄像服務器軟件主要實現(xiàn)視頻流的存儲管理。

設備管理軟件可對硬盤錄像機和解碼器進行管理，包括畫面分組、輪跳等功能。

5.3 全景三維實體視圖

提供彭道口分洪閘、劉道口節(jié)制閘、新沭河節(jié)制閘、人民勝利堰節(jié)制閘、嶂山閘、二級壩一閘、二級壩二閘、二級壩三閘、韓莊節(jié)制閘、宿遷節(jié)制閘等十個閘、控制室及啟閉機房的三維立體感覺的實景360度全方位圖像。

5.4 閘門控制監(jiān)測服務

對彭道口分洪閘、劉道口節(jié)制閘、新沭河節(jié)制閘、人民勝利堰節(jié)制閘、嶂山閘、二級壩一閘、二級壩二閘、二級壩三閘、韓莊節(jié)制閘、宿遷節(jié)制閘等十個閘的閘門的實時運行進行監(jiān)控，具備對閘門運行調(diào)度指令、工作狀態(tài)、水位、流量等有關信息的傳輸、存儲、查詢、數(shù)據(jù)庫設計及有關管理等功能，為用戶提供各類報表及圖形，并在三維地圖上顯示各站當前的工情等值線、等值面信息。

6 結(jié)語

沂沭泗直管水閘視頻監(jiān)控系統(tǒng)融合了視頻編碼技術、網(wǎng)絡傳輸技術、數(shù)據(jù)庫技術、流媒體技術和嵌入式技術的綜合應用系統(tǒng)。系統(tǒng)架構有利于系統(tǒng)集成、擴容，充分整合現(xiàn)有監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)，進行了異構壞境下的新舊信息資源的融合和高效利用，起到利舊整合、節(jié)約資源、減少投資的目的。采用先進的網(wǎng)絡視頻高清圖像技術和雙以太網(wǎng)卡橋接技術，保證視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，具有良好的可伸縮性，簡化、統(tǒng)一的安全模型。由于高清視頻監(jiān)控點所占帶寬較大，在實際應用過程中，受直屬局到基層局網(wǎng)絡帶寬的影響，沂沭泗局本部最多能夠同時觀看4路實時的圖像。

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TV698

B

1008-1305（2017）05-0112-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.035

2017-08-11

楊殿亮（1972年—），男，高級工程師。