視頻監控在偏遠水利工程管理的應用

楊 凱，郭振霆，楊 甜，馬海銘

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

隨著社會信息化程度的不斷提升，水利工程、河道、航運等領域的相關信息化控制以及安全監控系統變得尤為重要。水利部部長鄂竟平2019 年1 月15 日在全國水利工作會議上表示，下一步水利工作的重心將轉到“水利工程補短板、水利行業強監管”上來，這是當前和今后一個時期水利改革發展的總基調。將堅持以問題為導向，以整改為目標，以問責為抓手，從法制、體制、機制入手，建立一整套務實高效管用的監管體系，從根本上讓水利行業監管“強起來”，形成水利行業齊心協力、同頻共振的監管格局[1]。水利行業重點工作將轉移到江河湖泊、水利工程、水資源、水土保持等重點部位的監管上來。傳統的定期巡查可實現有效監管，但也存在消耗人力、財力、車輛等問題，并且無法做到全天24 h 不間斷監管。偏遠水利工程及重點區域河道的視頻監控系統部署，可實現對汛情、險情、災情、水污染、水土保持、船只運行狀態等情況進行視頻實時監控，及時發現可能出現的風險點，以采取有效預警措施保障人民生命財產安全。本文以天津市濱海新區入海河口區域為例，該區域是海河流域河流入海重要咽喉通道，地理位置十分重要，必須保護好、維護好，充分發揮其蓄水、通航保水、防潮、排澇等各項功能，通過部署智慧視頻監控系統，以便更加有效地掌控管轄范圍內的各種動態，保證工程設施及管理范圍安全等。

1 工程基礎情況分析

天津濱海新區是環渤海經濟圈的中心區域，是雄安新區的海上門戶。近年來，由于沿海經濟不斷發展，沿海區域出現很多違法碼頭、違章建筑侵占河道，非法盜土、取土，嚴重影響河道泄洪排澇[2]。而入海河口由于地域較廣、地形條件較復雜，人工巡查一次需要的時間長、附屬條件多，現有的人力、物力存在困難，急需在所轄范圍合理布設視頻監控點位，利用有效的科技手段對重點工程和堤防進行實時監控，可以及時有效發現水事違法案件，及時發現違法行為的動向，開展調查取證，彌補巡查隊伍人員少、執法力量不足，可以及時發現和預防違法行為的發生，震懾和減少不法行為，預防水事矛盾發生，確保社會穩定。

2 視頻監控關鍵點及技術難點

2.1 系統功能性

（1）安全監管自動化。解決人工觀測在惡劣條件下，現場監控數據采集不及時問題。

（2）數據統一集中管理。實現跨區域視頻圖像的集中監控管理。

（3）專用數據傳輸鏈路。利用無線網絡，實現視頻圖像穩定傳輸。

（4）系統功能可擴展。在實現視頻監控基礎上，可進一步拓展開發水文采集傳輸功能、水質監測傳輸功能。

2.2 技術難點

（1）點位分散、位置偏僻，監控區域無法布置光纖鏈路。

（2）傳輸距離遠，視頻數據高帶寬，采集設備數據要求實時傳輸。

（3）布設監控點較為分散，視頻數據存儲應進行多級備份。

（4）偏遠區域無法布設供電線纜，電源系統應配備太陽能供電和風力供電進行補充。

（5）環境潮濕，部分環境有鹽霧，設備要具備相應防護功能。

3 視頻監控設計方案

3.1 信息采集系統

信息采集系統布設在水利工程、河道、航道的重點部位，主要用于前端的視頻、圖像采集，由高清紅外視頻攝像機、云臺、光纖收發器、穩壓電源、支架等組成。系統對工程關鍵部位采用“球式+槍式”結合的采集方式，即采用球式負責拍攝全景畫面、槍式負責拍攝重點部位畫面相結合的方式，對關鍵部位進行不間斷拍攝。

3.2 組網傳輸模式

根據傳輸距離和傳輸數據大小，在匯聚點周邊5 km 范圍內采用敷設光纖、供電電纜將信息匯聚到中心機房內；超過5 km 以上的采用無線組網，將信息匯聚到中心機房內；將有線匯集點、無線匯集點以及數據存儲中心、顯示控制等設備接入同一交換機中，形成視頻系統局域網絡，實現信息互傳共享。無線組網方式選擇“無線網橋+運營商”方式進行傳輸，無線網橋在每個信息采集點位布設傳輸天線用于發射采集信號，在中心節點布設信號接收天線完成數據的上下行傳輸；同時，使用運營商傳輸作為備份鏈路，當無線網橋設備出現故障或者因天氣因素網絡傳輸不穩定時，切換至運營商模式傳輸，確保不間斷傳輸數據。

3.3 信息存儲系統

信息存儲系統采用“本地+數據中心”雙重備份方式，其中圖像數據存儲在監控攝像機安裝的大容量存儲卡，定時進行圖像采集，自動進行擦除；視頻畫面通過無線網絡進行回傳，在數據存儲中心進行不間斷保存。這樣可實現信息數據的異地多重備份，確保不間斷視頻圖像采集。前端攝像機選用200 萬像素的高清紅外設備，碼流設置在6～8 Mbps范圍內，24 h不間斷錄像，視頻影像資料保存不少于30 d。

3.4 遠端風光互補供電系統

據塘沽氣象站統計，濱海新區4 月風力最強，平均風速為5.5～6.1 m/s，5 月份日照最長約262.27 h，年日照時數約為2 600～3 000 h[3]。而且風速較為穩定，風力資源適合進行風力發電，可以作為備份供電手段。風光互補供電系統結構如圖1 所示，安裝風力發電機和太陽能電池板，通過風力控制器和光伏控制器實現對蓄電池充電；蓄電池通過直流配電屏輸出12 V 或24 V 對通信設備、監控設備進行供電，如接入設備為220 V 高壓電，需增加逆變器。當蓄電池容量不足20%時，系統切斷直流配電，待充電完成后恢復供電，以保護蓄電池壽命。系統的特點是白天通過太陽能發電，弱光條件下通過風力進行發電，選取專用鉛酸蓄電池（組），保障攝像機及網絡設備全天穩定供電。

圖1 風光互補供電系統結構

4 視頻監控設計實施

4.1 地基基礎

濱海新區由退海成陸形成，地勢平緩，海拔較低，洼地較多，大部分區域為鹽堿地，工程區域為海陸交互相松散沉積地層[5]。根據視頻監控桿地基各土層的性狀，結合工程區有關勘察資料，分析視頻監控桿地基土特性，依據《建筑地基基礎設計規范》《巖土工程技術規范》要求，綜合給出視頻監控桿地基各土層地基參數建議值，詳見表1。

表1 地質參數建議值

視頻監控桿建筑荷載相對較低，從淺層地基土性狀看，②層粉質黏土工程地質性狀較好，可作為視頻監控桿構筑物的淺基礎持力層。施工時，應加強驗槽及釬探，遇有不良下臥土層予以清除換填或補強處理。

4.2 監控桿設計

沿海區域風力及氣象變化情況較為復雜，為了保障風光互補供電系統設備的供電效率和無線組網信號收發效率，既要增加監控桿的高度，又要保證監控支架結構穩定，在設計中關鍵要考慮的是設備與監控桿的連接。太陽能電池板與監控桿的連接設計采用抱箍加螺栓桿方式連接。采用掛桿不銹鋼配電柜放置網絡及配電設備的方式，增強監控桿的抗風性能。采用蓄電池地埋方式，減輕監控桿承重力。綜合考慮空間、設備布放、重心、散熱等問題，配電柜采用推拉卡槽式遮片設計解決系統的防雨、散熱、保溫等問題，保證風光互補供電系統的全天候安全可靠運行。

4.3 風光互補控制器設計安裝[6]

風力發電控制器是專門為風力發電設計的智能型控制器，實現對蓄電池的充電。當蓄電池電力充足時，自動切斷風機停止充電；當電力下降時，恢復風機開始充電。防護等級達到IP67 以上，在外殼保護完好的情況下，能完全保護內部電路不受灰塵入侵；在浸入不超過1 m 深的水下時，能給予內部零件不低于30 min的防護時間，可以在外部環境惡劣，濕度較大的戶外安全使用。

太陽能智能充電控制器是專門為太陽能發電設計的智能控制器，實現對蓄電池充電的自動控制。首先將控制器連接蓄電池，可自動識別12 V 或24 V電壓，第二步連接太陽能板，第三步連接負載。負載使用能量必須低于蓄電池總能量，通過控制器的充電算法，定期對蓄電池進行均衡充電，提高使用壽命。風光互補供電系統控制器連接，如圖2所示。

圖2 風光互補供電系統控制器連接

圖3 電源+網絡二合一防雷器接線

4.4 避雷設施設計

避雷采用網絡+電源二合一防雷器，集電源防雷器、視頻線路防雷器于一體，主要用于監控系統前端高清網絡攝像機的防雷保護，安裝于防水箱內，串聯在電源線及網線中，滿足設備使用需求，同時能有效吸收泄放電源線及網線中電磁干擾、脈沖等線路浪涌，保護監控設備免受雷電侵害。電源+網絡二合一防雷器采用電源網絡綜合多級防雷方案，為差模共模全保護，傳輸性能優越，插損極低。電源+網絡二合一防雷器[7]有3種電壓即12、24、220 V，3種電壓的選擇是根據現場防雷器實際安裝位置的電源線路電壓來確定的，本方案選取24 V 供電方式，如圖3所示。

5 小結

本文將“無線網橋+運營商”進行鏈路組網，視頻遠端采用風光互補進行供電，應用于入海河口的水利相關工程視頻監控系統中，可實現視頻圖像的24 h不間斷采集，有效解決布線困難的問題。同時，無線組網大大降低了建設施工成本，可推廣至偏遠區域水利工程監控管理中。在使用中，系統存在無線通信鏈路隨天氣條件影響造成視頻信號波動或者卡頓、冬季低溫天氣蓄電池性能指標下降等問題，有待進一步解決。系統還可以根據使用需求，基于人工智能手段增加行人隨行監控、突發事件緊急預警等功能，以提高視頻資源使用效率。