一種指揮部技術系統可移動監控方法1

王青平 鄭 超 肖 健 林巖釗 張樹君

（福建省地震局，福州 350003）

引言

按照“福建及臺灣海峽三維地殼結構陸海聯合探測實驗（2016—2018）”的總體規劃方案，分三期在三個區域開展探測工作，予以查明福建及臺灣海峽主要斷裂帶的深部構造背景。2016、2017 年分別完成了第Ⅰ、Ⅱ區塊的探測工作（張藝峰等，2017；金震等，2018），2018年繼續在福建及臺灣海峽北部地區完成第Ⅲ區塊的三維陸海聯測探測工作，陸上利用移動式水庫氣槍震源系統在泉州龍門灘水庫、南平沙溪口水庫進行主動源激發；海上震源船在福州、莆田、泉州外海沿測線進行走航式和定點式氣槍主動源激發探測（見圖1）。陸海均布置地震儀，實現陸海雙向激發和雙向觀測。

2016、2017 年陸海聯測實驗期間，在廈門設立現場指揮部，搭建氣槍震源運動監控系統（陳超賢等，2017；王青平等，2019）、信號自動處理（林彬華等，2017；黃艷丹等，2017）、信號人工分析（陳惠芳等，2017）等多套技術系統，對陸域水庫定點激發、海域定點激發和走航式激發的激發效果進行評估，同時搭建2 套視頻會議系統，保障陸域水庫和海域震源船與指揮部音視頻互聯互通（林巖釗等，2016）。經過多年努力，現場指揮部技術系統的信息化和自動化水平得到顯著提升（肖健等，2017；張樹君等，2018）。但技術人員需到現場指揮部才能看到系統的運行狀態；陸域水庫和海域震源船的科技人員無法快速掌握氣槍激發效果；行業專家需蒞臨現場指揮部才能對氣槍激發效果進行綜合評估。亟需一套能在移動終端上對現有指揮部技術系統進行遠程監控的系統。

圖1 2016-2018 年陸海聯測工作區示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the Land-sea joint survey work area in 2016—2018

本文以實際需求為導向，在原有指揮調度系統的基礎上，通過多套IP 視頻流轉換器和一套網絡硬盤錄像機，利用視頻編碼器將指揮部技術系統的輸出視頻信號轉換為ONVIF 協議的標準視頻流，通過局域網接入硬盤錄像機，最終在移動終端上安裝硬盤錄像機客戶端，進而實現對指揮部技術系統的可移動監控。

1 視頻監控系統

1.1 視頻信號

視頻信號的組成和存儲方式可分為模擬視頻和數字視頻，模擬視頻即由連續的模擬信號組成視頻圖像，傳統電視、錄像帶上的畫面通常以模擬視頻的形式出現，計算機輸出的VGA視頻為典型的模擬視頻信號。模擬視頻監控以其技術的成熟性與系統的穩定性，在國內外監控領域占據一席之地，但因其在視頻清晰度、視頻傳輸距離等方面存在限制，影響其應用范圍與發展（張海燕，2013）。隨著數字視頻處理與計算機技術的發展，數字視頻信號的發展如火如荼，以高清畫質、方便性、易擴展性等優勢已成為未來發展趨勢。計算機輸出的DVI、HDMI 視頻為典型的數字視頻信號。

1.2 視頻監控

視頻監控通常由前端視頻采集設備、傳輸系統、控制設備、監控顯示和數據存儲等組成（王金等，2015）。視頻采集設備通常為紅外高速球機、紅外一體機、激光夜視儀、高清網絡攝像機等；傳輸系統由同軸電纜、網線或視頻光端機與光纜等組成；控制設備主要由視頻矩陣切換器、視頻拼接器和控制鍵盤等組成；顯示單元主要為監視器或電視墻等，負責顯示控制設備調度的視頻信號；數據存儲主要為硬盤錄像機，常見的有錄制模擬視頻的模擬硬盤錄像機（Digital Video Recorder，簡稱DVR）、錄制數字視頻的網絡硬盤錄像機（Network Video Recorder，簡稱NVR）及DVR 與NVR 的混合體XVR。

1.3 陸海聯測指揮部視頻信號

陸海聯測指揮部監控包括技術系統輸出的VGA 視頻、HDMI 視頻及指揮部現場監控視頻，涉及模擬視頻和數字視頻，信號種類多樣，如表1 所示。

表1 陸海聯測指揮部技術系統視頻信號 Table 1 Video signal of land-sea joint survey command

傳統的DVR 硬盤錄像機只能錄制指揮部現場監控BNC 視頻，而其他技術系統輸出的VGA 和HDMI 視頻無法直接錄制，雖可利用VGA 轉BNC 轉換器或HDMI 轉BNC 轉換器將視頻信號統一轉成BNC，但轉換后的BNC 模擬視頻較原始信號的清晰度差距較大（見圖2）。因此，傳統DVR 硬盤錄像機無法滿足地震波波形等精細化顯示的實際需求。

圖2 原始計算機VGA 信號和轉換后的BNC 信號 Fig.2 Comparison of original computer VGA and converted BNC signal

而主流的NVR 硬盤錄像機無法直接接入VGA、HDMI 和BNC 信號。若使VGA、HDMI視頻信號接入NVR 硬盤錄像機，需通過統一的協議將VGA 或HDMI 視頻信號轉成可接入NVR 硬盤錄像機的轉換設備。

1.4 ONVIF 協議

2008 年5 月，由安訊士聯合博世及索尼公司宣布攜手共同成立國際開放型網絡視頻產品標準網絡接口開發論壇，取名為ONVIF(Open Network Video Interface Forum)，并以公開、開放的原則共同制定開放性行業標準，目標是在世界范圍內推動不同廠商視頻監控產品的相互兼容（鄧凱等，2016）。ONVIF 標準為網絡視頻設備之間的信息交換定義通用協議，包括裝置搜尋、實時視頻、音頻、元數據和控制信息等。目前，ONVIF 已擁有近500 家會員，主要來自基于IP 的監控產品市場，涵蓋制造商、軟件開發商、系統集成商、終端用戶和咨詢公司等，國內攝像頭廠商海康威視和大華也已加入，作為ONVIF 成員，其產品完全支持ONVIF協議。

ONVIF 基于互聯網思想，設備管理和控制部分所定義的接口均以Web services 的形式提供，采用基于XML 的WSDL 描述。服務端與客戶端的數據交互采用SOAP 協議，ONVIF中的其他部分如音視頻流則通過RTP/RTSP 協議進行。其優勢在于為網絡視頻設備之間的信息交換定義通用協議，遵循ONVIF 標準的產品間兼容性更強，其協議族完備，支持廠商數量多，市場成熟度和占有率高（張園等，2018）。

傳統的視頻監控系統包括中心管理單元(Center Manager Unit，CMU)、監控前端單元（Prefocus Unit，PU）和客戶端單元（Client Unit，CU）。其中PU 負責在CMU 控制下使用攝像機采集視頻流、使用麥克風采集音頻流、使用控制口采集報警信息、對攝像機云臺鏡頭進行控制等；CU 負責將PU 采集到的視頻流、音頻流、報警信息提交給監控用戶，并根據用戶要求操作PU 設備的云臺等。

傳統視頻監控系統流程如圖3 所示。PU 設備上線后向CMU 注冊，建立連接后，CMU與PU 進行指令交互，獲取相應的配置參數；CU 設備上線后，也向CMU 注冊，建立連接后，CMU 與CU 進行指令交互，傳輸設備列表；最后CU 向PU 請求實時數據流。

使用ONVIF 協議后，視頻監控系統流程為（見圖4）：PU 上線后，向CMU 發送Hello消息，CMU 需要搜尋設備時，向PU 發送Probe 消息，CMU 與PU 進行指令交互，獲取相應的配置參數；CU 上線向CMU 注冊，建立連接后，CMU 與CU 進行指令交互，傳輸設備列表；最后在CMU 的協調下，CU 向PU 請求實時數據流。使用ONVIF 協議PU 與CMU 的交互方式發生了變化，CMU 不再與PU 保持長連接。

圖3 傳統視頻監控系統流程 Fig.3 Process of traditional video surveillance system

圖4 使用ONVIF 協議的視頻監控系統流程 Fig.4 Process of video surveillance system with ONVIF

由于采用WSDL+XML 模式，使ONVIF 規范的后續擴展較順利。不同廠商提供的產品均可通過統一的“語言”進行交流，方便了系統的集成；終端用戶和集成用戶不被某些設備的固有解決方案所束縛，大大降低了開發成本。

2 系統設計

2.1 系統框架

圖5 指揮部技術系統可移動監控系統架構 Fig.5 Architecture diagram of mobile monitoring system of Command technical system

系統由硬件支撐層、信息資源層、服務產品層和用戶應用層組成。其中硬件支撐層主要由視頻分配器、視頻編碼器、硬盤錄像機及網絡設備等組成，為系統提供運行支撐的基礎平臺；信息資源層是指揮部技術系統產出的各類信號源，包括VGA 視頻源、HDMI 視頻源和監控視頻源；服務產品層是系統的核心，主要包括視頻錄制、現場監控和可移動監控服務；用戶應用層是系統功能的集中體現，為指揮部技術系統提供實時視頻錄制服務，為現場指揮人員提供現場監控服務，為不在指揮部的技術人員和行業專家提供可移動監控。

2.2 系統流程

圖6 所示為指揮部技術系統可移動監控系統流程。通過VGA 或HDMI 視頻ONVIF 轉換器，將技術系統輸出的VGA 和HDMI 視頻信號轉換成ONVIF 標準視頻流，與監控視頻數據流一起匯入混合硬盤錄像機，進行視頻錄制，同時在現場的PC 和不在現場的可移動終端上提供監控服務。

圖6 指揮部技術系統可移動監控系統數據流程 Fig.6 Data flow chart of mobile monitoring system of Command technical system

本文提出的指揮部技術系統移動監控具有如下特點：

（1）輸入信號兼容性強：系統輸入的視頻信號為指揮部技術系統輸出的計算機視頻信號，主要為HDMI 或VGA 信號，均可通過相應的HDMI 或VGA 視頻編碼器轉換成標準ONVIF協議的視頻流接入混合硬盤錄像機，這些輸入的計算機HDMI 或VGA 信號均可在移動監控終端上進行監控顯示，輸入信號兼容性強。

（2）快速部署擴展性好：只需將視頻編碼器接入硬盤錄像機所在局域網的交換機，即可實現信號的接入，無需復雜布線，安裝簡單。指揮部新增技術系統時，只需將新增的視頻編碼器接入局域網即可，可擴展性好。

（3）移動終端通用性好：使用者無需二次開發，直接使用硬盤錄像機自帶的移動客戶端軟件即可實時查看指揮部技術系統輸出的計算機視頻信號。移動客戶端軟件既支持Windows平臺，又支持Android 平臺，還支持iOS 平臺，通用性好。

（4）多維度視頻查看：移動客戶端軟件既可實現單個技術系統畫面的查看，也可實現多個技術系統畫面的分屏查看；既可實現技術系統實時畫面的查看，又可對歷史畫面進行查看。

3 系統實現

3.1 重要組成部件

指揮部技術系統可移動監控系統重要組成部件如表2 所示。

表2 指揮部技術系統可移動監控系統重要組成部件 Table2 Important components of mobile monitoring system of command technical system

3.2 設備連接

指揮部技術系統設備連接如圖7 所示。各技術系統的計算機輸出視頻信號經視頻分配器一分為二，一路信號送到視頻矩陣，經調度后在指揮部顯示幕上進行顯示，并利用監控攝像機對顯示幕進行拍攝；另一路信號通過ONVIR 轉換器轉成ONVIF 標準視頻流，與現場監控攝像機實時視頻流一起接入混合硬盤錄像機。指揮部的技術人員可通過局域網，利用瀏覽器登錄硬盤錄像機管理界面，實時查看各技術系統；在外的技術人員、行業專家可通過互聯網，利用移動終端客戶端軟件，實時查看各技術系統運行界面。

圖7 指揮部技術系統設備連接 Fig.7 Device connection diagram of command technical system

3.3 系統實現與應用

2018 年福建及臺灣海峽地殼深部構造陸海聯測實驗中，華為M5 平板上顯示的各指揮部技術系統截圖如圖8 所示，此次共接入8 路視頻信號：1 路模擬信號（監控攝像頭拍攝的指揮部全景畫面）、1 路HDMI 高清信號（圖8 右上角第2 個信號源，數據自動處理系統）和6路VGA 視頻信號。

圖8 在華為終端上顯示的指揮部技術系統 Fig.8 Command technology system displayed on Huawei terminal

4 結語

本文提出一種基于ONVIF 協議的指揮部技術系統可移動監控解決方案，利用視頻編碼器將指揮部技術系統的輸出信號轉換成ONVIF 協議的標準視頻流，通過局域網接入硬盤錄像機，最終在移動終端上安裝硬盤錄像機客戶端，進而實現對指揮部技術系統的可移動監控，提升指揮部技術系統監控和管理水平，在2018 年福建及臺灣海峽地殼深部構造陸海聯測實驗中得到應用，獲得良好的效果。

在實際災害應急救援過程中，指揮部技術系統可移動監控方法可為應急指揮與輔助決策人員，特別是前方決策人員提供各類技術系統信息，便于采取高效準確的救援措施，提高災害處置能力，最大限度地減輕災害造成的人員傷亡和經濟損失。

致謝 審稿專家提出了寶貴意見，編輯部老師在成文過程中給予了一定的幫助，在此一并表示感謝！