關于百萬千瓦級核電站可視化電廠系統的應用研究

李大偉

【摘 要】當前高清數字化視頻監控系統以及智能化科技的快速發展，對電廠視頻監控系統的設計與應用的要求明顯提升。論文通過分析國內首個百萬千瓦級核電站對高清視頻監控系統的應用經驗，對可視化系統在電廠智能化應用方面的價值意義進行了分析。

【Abstract】With the rapid development of high-definition digital video monitoring system and intelligent technology， the requirements for the design and application of video monitoring system in power plants have been significantly improved. This paper analyzes the application experience of high-definition video monitoring system in the first domestic nuclear power plant with a million kilowatts， and analyzes the value and significance of the visualization system in the intelligent application of the power plants.

【關鍵詞】視頻監控;可視化;網絡化架構;數字化高清;多電廠互聯

【Keywords】video monitoring; visualization; networked architecture; digital high-definition; multi-power plant interconnection

【中圖分類號】TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0139-03

1 引言

隨著科技水平的快速發展，數字化智能技術產品成為當今社會主流，軟硬件成本也不斷在下降。在視頻監控領域，網絡高清產品于幾年前已體現出超越傳統模擬技術設備的條件。出于對未來智能化智慧應用的考慮，核電行業提出了可視化電廠的概念，期望建設網絡架構下的智能化前端信息采集系統平臺。初步實現實時監測現場作業區域的安全狀態與作業人員的安全行為，感知現場作業;實時監視重要設備與廠房的狀態，感知現場數據與條件;實時輔助監視火情，對火警執行復核，感知現場異常;實時監控輻射防護邊界，控制邊界完整;配合其他電子化工作優化內容的實現，從而實現電廠對集中管控、降本增效、群堆管理、運行安全等方面運營水平提升的需求。大亞灣核電基地是首個啟動可視化電廠系統設計與實施的百萬千瓦級核電站群。

核電站對視頻監控系統的使用，在目的與需求上較其他行業存在比較明顯的差異，導致其軟件功能開發需求較為特殊，需要與核電站日常與大修生產運行、輻射監管、核安全法規管控、系統設備設計等級與安裝規范等掛接，大部分功能均為定制研發。本文以視頻監控系統在大亞灣核電基地可視化電廠系統建設當中的應用研究為題，在分析電廠對視頻監控實際需求與國內外視頻監控系統的發展現狀的基礎上，提出對電廠視頻監控的總體設計方案，闡述管理與技術相互承接的思路方案，最終實現對生產過程進行監控管理，發現生產過程中的問題，進而改善管理規則，提高企業生產效能，保障安全。

2 研究背景

視頻監控技術經歷了四個主要發展階段：第一階段是模擬視頻監控系統，其核心是矩陣計算，但傳輸范圍比較小，距離短，沒有遠程訪問的能力;第二階段是半數字化監控系統，它是以硬盤錄像為基礎，使用計算機的多媒體監控技術，音視頻采集的質量較高，存儲形式也以數字形式存儲，處理信息的能力大大提高;第三階段是全數字視頻監控系統，它是基于網絡和 Web 服務器的遠程視頻監控系統，在遠距離就可對設備進行控制與訪問，與傳統監控系統比較，全數字視頻監控系統具有監控畫面清晰、存儲時間長、可以遠程預覽以及在網絡上實現音視頻的傳輸、壓縮、解碼、存儲、播放和錄播等功能等優勢，大大改變了視頻監控的新模式;第四階段是智能視頻監控系統，調用各種算法，可以對目標進行定位、鎖定、跟蹤，并具有人臉識別、入侵檢測、智能分析、火災檢測等功能。視頻監控發展如圖1所示。

在2014年前后，核電站視頻監控系統還主要應用于安防場景，設備基于模擬攝像技術，處于第2代產品向第3代過渡時期，高清數字化產品雖已出現，但尚未實現成熟的大批量工業應用，整體成本過高，難以實現大范圍應用。但很快的，高清數字化視頻監控的全產業鏈技術均開始成熟，具備了多場景應用的條件，第3代視頻技術已全面到來，同時受到大數據、物聯網等新技術火熱發展的影響，第4代技術已出現雛形，各個子系統的互聯互通成為了可能。在此時技術、經濟及社會快速發展的大環境下，電力、交通運輸、公安、銀行等行業作為主要用戶群體，都開始了視頻監控系統在各自領域的開發與應用。

除了安防，核電站的生產區是其核心區域和重點監控區域，關系著電廠的安全穩定和經濟運行，對其運營業績有著直接的影響，故需要布置全面的視頻監控設備，實現可視化電廠的需求。同時，國內核電基地建設全面開展，群堆模式下的運營管理需要充分考慮，因此，網絡化架構的視頻監控系統才能滿足高級人員遠程技術支持的視頻使用要求。

3 國內外視頻監控產品現狀

目前，有兩種監控方式是智能視頻系統所采用的，一種是基于硬件的，一種是基于軟件的。硬件形式以國外產品為主，軟件形式則以國內產品為主。硬件形式的優點主要是分擔了后臺軟件處理的負擔，但可執行的功能受限明顯，二次開發升級難度大，而軟件形式則是集中承擔了全部的分析任務，后臺服務器壓力大，容易造成卡頓等問題，但功能升級更為簡易，無需不斷升級前端硬件。依據現有經驗，國內目前處于創新領先的階段，功能開發定制需求較強，基于軟件技術形式的智能視頻系統更加符合國內使用需要。

歐美嚴格完善的質保控制體系，使得其軟硬件視頻監控設備主要在穩定性上占有絕對優勢，使用時成熟可靠。國外知名硬件廠商有：Bosch、安訊士Axis、威智倫Avigilon等，軟件管理平臺有：Genetec、Bosch等。

國內知名硬件廠商為：海康威視、大華等，軟件管理平臺為：東方網力、宇視科技、商湯科技等。依據使用經驗，國內硬件產品如海康威視，其設備型號制定對用戶不夠友好，采購過程可能存在潛在影響，而軟件平臺方面，則受到國內大量開發應用的利好，整體開發設計水平較為理想。

4 視頻監控系統總體設計

4.1 視頻監控系統結構

以核電基地為單位，每個基地均通過獨立內網組建生產大區內的可視化電廠平臺。各內網通過上級管理大區網絡（如辦公局域網），在滿足信息安全管理要求的條件下形成互通，為授權用戶提供實時的圖像信息。

對于大亞灣可視化系統，采用基于PoE供電的網絡高清攝像設備，各區域分布交換機進行聯網，形成現場接入層。系統中心通過萬兆交換機將全部視頻信息匯總管理、分配及存儲。

4.1.1 視頻采集終端

主要采用1080P的球型一體化攝像機，以及720P/1080P的槍式固定攝像機，配合使用水下攝像機、紅外攝像機等設備。根據大亞灣核電基地內3個百萬千瓦核電站的可視化系統應用經驗，每個電站（含2個獨立機組以及公用系統）安裝布置400臺左右的視頻終端，可基本覆蓋生產監控需求。

此外，基于無線網絡技術的個人便攜式視頻設備、車載視頻設備、機器人動態視頻等，也可根據使用場景補充使用。同時結合會議室系統的接入，可以實現專家遠程支持與診斷功能。目前5G網絡技術已經基本成熟，其傳輸帶寬上的提升更加符合高清視頻數據傳輸的需求，有效避免系統瓶頸。

4.1.2 視頻主控中心

視頻監控主控中心布置了各類服務器與存儲陣列，是可視化系統的核心。

此中心需要較為專業化的房間環境，如通風散熱、防靜電與干擾、振動等。其中根據實際使用情況，存儲環節較為容易出現故障，其主要原因為磁盤陣列內硬盤較多，振動增強引起。目前，存儲技術已升級至“云端”，存儲安全性得到了進一步提升，但隨著設備應用數量越來越大，需要提前在設計階段規劃好機房空間與設備分布，提升主控中心設備的運行穩定性。

可視化系統的視頻數據，涉及電站重要生產信息，數據控制應從嚴管理。

4.1.3 視頻管理軟件

由于視頻監控軟件功能需要大量定制開發，推薦采用在其他行業視頻應用領域已積累足夠經驗的國內軟件平臺。大亞灣可視化系統由于起步較早，使用了當時業界排名第一的Genetec，其功能成熟穩定，但均為涉及收費的授權管理，進行功能擴展時需要不斷采購權限，對項目開展與管理影響較為嚴重，且在涉及創新性功能開發時，由于其軟件升版開發成本較高，國外廠家響應較慢，甚至出現因中美貿易摩擦，廠家拒絕提供進一步授權服務的情況，越來越難以滿足項目應用需要。

同時，考慮到群堆管理需求，應關注視頻監控軟件具備物聯網應用能力，更加適合在外網部分的應用，方便將各子系統在上游網絡進行整合。例如，在無紙化作業模式下，將流程與現場設備信息電子化后，集中在物聯網平臺進行管理與利用。

4.2 系統網絡架構

三個電站分別組建了一套全數字網絡化的視頻監控系統，同時，為了能通過該系統統一監視三個電站的狀態，項目采用星型連接和分層的結構，通過光纜將三電站互連，從而實現統一監控、統一管理，并且該系統可連接到上級網絡，實現視頻信息的全網應用。

每廠的核心交換區域由1臺萬兆交換機組成，負責匯聚PoE交換機上傳的數據。交換機的端口工作模式為TRUNK模式。每臺交換機上將1080P、720P和存儲服務器的管理劃分不同的VLAN，網關都指向核心交換機，以便后期的維護和管理。

4.3 存儲模式

為了避免一個月高清錄像要求導致的超高存儲容量，需采取合理的錄像策略，既能保障不會“漏錄”重要畫面，又能最大程度地降低存儲容量是構建一個高效，完善的存儲系統所必須要考慮的。

4.3.1 保證圖像清晰度的“抽幀”存儲

對于錄像而言，清晰度的重要性是遠遠高于連續性的。所以降低錄像存儲容量最直接的一個辦法就是降低圖像存儲的“幀率”。正常情況下，連續視頻是 25 幀/秒，但錄像服務支持“抽幀”存儲，幀率多級可選，且可以針對某個攝像機或者編碼器獨立設置存儲幀率。

4.3.2 按時間段存儲

錄像服務支持指定時間段內進行存儲。時間段的起始點和終止點可精確到秒。

4.3.3 “事件”觸發存儲

可設定特定觸發條件來觸發存儲。

4.4 終端設備信號長距離傳輸

PoE形式下網絡信號傳輸，理論上未使用網絡延長器時傳輸距離為100m，使用延長器時增長至300m。保障信號質量的前提下，實測無延長器安全傳輸距離為80m，使用延長器時安全傳輸距離為200m。超過200m距離的，需使用網絡光端機，中間通過光纖傳送信號。

4.5 工作站顯示授權管理

由于可視化系統供不同用戶使用，工作站需顯示內容各不相同，故采用不同等級的賬號/密碼進行分類管理授權，為各個用戶提供不同的工作站顯示范圍。

5 結語

可視化電廠系統，是電站智能化的前端基礎應用，其猶如電站智能化系統的一雙眼睛，用于獲取電站的各類基礎數據，為其分析提供依據。電站運營管理人員，也需要可視化系統提供的實時信息，提高對設備問題的響應與處理速度，進而提升電站管理質量。

本文以大亞灣核電基地內三電站可視化電廠系統建設經驗為例，分析了互聯視頻監控系統設計建設的關注要點，為今后可視化系統建設提供借鑒。且通過對現有可視化系統功能的分析，可以看到視頻監控系統在未來還會有較大的擴展應用的空間，智能化管理具有非常強大的可塑性。隨著科技的進步與經濟的發展，無線網絡技術也會廣泛應用，有線與無線結合的數據傳輸速度也會加快，那么以往不便于安裝監控的位置，采用無線技術會加速電站監控的全覆蓋、無死角，進一步在電廠數字化建設中發揮強有力的作用。