基于4G 移動通信的電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)

宗廣樂

（張家口市廉政教育基地，河北 張家口 075000）

0 引 言

4G移動通信可以快速及時傳遞大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和視頻圖片，及時發(fā)現(xiàn)電源運(yùn)行的實(shí)際情況，并為電源系統(tǒng)的維護(hù)和檢修提供數(shù)據(jù)支持，確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯可采用控制端順利完成。在具體應(yīng)用過程中，各大控制端主要集中在分布式控制系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)自監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對電源運(yùn)行情況和參數(shù)全面監(jiān)控，為控制中心提供數(shù)據(jù)支持并及時做出響應(yīng)，確保電力系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備都可以正常運(yùn)行。

1 電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)對4G移動通信技術(shù)的需求分析

通過在電源設(shè)備附近加裝攝像頭的方法來采集原始視頻數(shù)據(jù)，再通過壓縮編碼、視頻編碼、數(shù)據(jù)封裝處理，通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂乒芾矸?wù)器上，完成視頻數(shù)據(jù)包的接收和解碼，從而實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控。

電力企業(yè)需要滿足維護(hù)調(diào)度人員對現(xiàn)場運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，作為維護(hù)和調(diào)度數(shù)據(jù)的設(shè)備。但是，通常情況下，視頻信息可以作為電源運(yùn)行和參數(shù)調(diào)整的主要形式。多數(shù)情況下，操作人員可以保存管理相關(guān)信息。但是，視頻、圖片、數(shù)據(jù)的大量存儲會增加監(jiān)控終端的存儲費(fèi)用。所以，需要在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立通信的前提下，實(shí)現(xiàn)視頻的遠(yuǎn)程傳輸，從而降低現(xiàn)場信息保存而產(chǎn)生的費(fèi)用。然而，電力系統(tǒng)的管理和運(yùn)行比較復(fù)雜，工作量較大。為提升工作效率，電源視頻監(jiān)控的傳輸方式不但要求監(jiān)控人員和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立通信，還要便于視頻信息的傳輸。

2 電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

一套完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)共由三部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和應(yīng)用控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要起過渡作用，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和應(yīng)用控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的及時傳遞和通信，并把底層采集的數(shù)據(jù)和信息及時傳遞給控制層。

具體應(yīng)用過程中，電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最底層由多個傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成。通過傳感器可直接獲得電源在運(yùn)行時的各項(xiàng)參數(shù)，主要通過ZigBee或者WiFi底層組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的及時傳輸。和4G移動網(wǎng)絡(luò)相比，這些底層組網(wǎng)協(xié)議的傳輸距離是有限的。因此，應(yīng)用時需要考慮兼容能耗和傳輸成本是否滿足實(shí)際需求。

前端采集和傳輸主要負(fù)責(zé)整個電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集，是整個控制系統(tǒng)運(yùn)行中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的主要來源。因此，為確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，不僅要傳輸視頻圖像，還對電源運(yùn)行的溫度、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行傳輸[1]。不僅需要安裝紅外攝像頭，還要裝配溫度傳感器、濕度傳感器等。當(dāng)圖像信息受到外界干擾不能準(zhǔn)確反映電源運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)時，通過一系列系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)值信息，就可以實(shí)現(xiàn)傳輸。具體運(yùn)行情況，如圖1所示。

圖1 前端數(shù)據(jù)采集和編碼

從圖1可以看出，前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，顯示單元是最重要的部分。運(yùn)行質(zhì)量直接決定了數(shù)據(jù)采集的及時性和準(zhǔn)確性，既需要負(fù)責(zé)對上報各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行解碼分析，也需要根據(jù)控制終端的運(yùn)行情況進(jìn)行及時反饋?？刂平K端主要采用C/S框架，網(wǎng)關(guān)設(shè)計上則采用Cortex-A8為處理器，大大降低了功率的無故損耗，能良好地適應(yīng)各種復(fù)雜多變的處理環(huán)境。

3 4G移動通信在電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 組法算法設(shè)計

和3G移動通信網(wǎng)絡(luò)相比，4G移動通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)高清圖像的快速傳輸，且不會出現(xiàn)信息失真。圖像的清晰度、質(zhì)量等基本不會發(fā)生明顯丟失，傳輸速度超過2Mb/s。在電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用時，可提供150 Mb/s的高質(zhì)量圖像傳輸服務(wù)。同時，還能實(shí)現(xiàn)三維圖像的高速傳輸。通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能連接來自不同終端、不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)，可提供無線服務(wù)。只要有互聯(lián)網(wǎng)的地方，都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳輸[2]。

4G移動通信在電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，通信層中可以選擇4層移動通信為主要載體，主要作用是“承上啟下”，即承接上次控制層和連接底層數(shù)據(jù)采集層，屬于過渡的中間層。在具體應(yīng)用時，它主要負(fù)責(zé)兩方面工作：一是均衡電源視頻監(jiān)控的通信負(fù)載，二是實(shí)時監(jiān)測電源運(yùn)行中發(fā)生的異常情況。通過4G通信組網(wǎng)算法可劃分為多個通信簇，其由多個通信節(jié)點(diǎn)共同組成。具體應(yīng)用過程中，系統(tǒng)中每個通信節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)直接連接。在選擇通信主體時，要嚴(yán)格遵循就近原則，具體計算公式為：

其中，d表示電源視頻監(jiān)控中每個通信簇之間的實(shí)際距離，nt表示系統(tǒng)中所選擇的通信主體，ni表示通信簇中通信節(jié)點(diǎn)，M表示通信節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。式（1）中，通信主體的主要作用是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和通信簇中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互?；?G移動通信的電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通信簇中只需要設(shè)置一個通信主體就可滿足實(shí)際需求。在具體應(yīng)用中，可適當(dāng)增加數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來滿足數(shù)據(jù)存儲的需求，緩沖區(qū)設(shè)置大小的計算公式為：

其中，s表示緩沖區(qū)的總體設(shè)計大小，πt表示兩次通信時間間隔，π—b表示通信數(shù)據(jù)量的大小。在具體應(yīng)用中，通信主體可以從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用數(shù)據(jù)[3]。

3.2 數(shù)據(jù)通信層的設(shè)計

數(shù)據(jù)通信層主要通過分布式方法進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)所在的具體地理位置合理劃分通信簇，使通信主體和應(yīng)用層交互節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)時刻在規(guī)定范圍中。通信主體根據(jù)監(jiān)控的實(shí)際情況把發(fā)生異常的節(jié)點(diǎn)提供給上層進(jìn)行反饋。電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，如果通信主體發(fā)生故障或者異常，通信簇中的節(jié)點(diǎn)會自動重新選擇新的通信主體。

3.3 仿真應(yīng)用分析

仿真平臺可采用Matlab平臺，模擬100個ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。單次傳輸大小為10bit，每次傳輸間隔為10s；設(shè)定10個地區(qū)構(gòu)建10個通信簇，每個通信簇平均分為10個通信節(jié)點(diǎn)。主要對3G、4G兩種通信在電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的平均時延、平均通信丟失率進(jìn)行全面對比分析，具體對比結(jié)果如表1、表2所示。

表1 平均時延在3G和4G移動通信中的指標(biāo)對比

表2 平均通信丟失率在3G和4G移動通信中的指標(biāo)對比

表1、表2分別按照10倍的比例調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和信息傳輸量?？梢姡?G移動通信在時延和通信丟失率上表現(xiàn)明顯差于4G移動通信。在傳輸數(shù)據(jù)量較小時，差異并不明顯；隨著數(shù)據(jù)傳輸量的增加，時延和通信丟失率隨之增加。從表1、表2可以看出，4G移動通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸大流量數(shù)據(jù)時具有明顯優(yōu)勢，值得大范圍推廣應(yīng)用[4]。

4 結(jié) 論

綜上所述，結(jié)合理論實(shí)踐，探究了基于4G移動通信的電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，基于4G的移動通信網(wǎng)絡(luò)，只要在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)電源視頻監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)的及時傳輸。數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和處理是電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重中之重，合理應(yīng)用4G移動通信網(wǎng)絡(luò)，可大幅提升電源視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)我國電力事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。