水電站視頻智能技術研究

季 石 宇， 王 德 兵， 徐 涵

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

視頻監控作為保障水電站運行安全的主要功能，被廣泛應用在水電站各個運行系統之中，包括應用于工業電視系統、安防系統等[1]。近年來，隨著物聯網技術、大數據技術以及高速無線傳輸技術等的不斷發展，水電站內視頻監控系統逐漸由全場孤立式運行系統轉變為集中式、智能化的系統。視頻監控系統在水電站內應用領域不斷增多，應用場景也不斷擴展[2，3]。

水電站內智能視頻監控系統主要由前端攝像機、通信網絡、后端服務器等部分組成，能實現對全站的工業設備運行、作業安全、環境監測等狀態進行監控和視頻數據采集。同時，基于大數據、模式識別、機器學習等人工智能技術對采集到的視頻數據進行分析處理，從而達到對目標狀態的檢測和特性分析[4，5]。

雖然目前智能視頻監控系統應用較為成熟，但是由于水電站“無人值班、少人值守”的特性，在視頻功能需求、選型設計、組網方式等多個方面也有特殊要求[6]。筆者圍繞水電站生產運行狀態下的功能需求，提出智能視頻系統架構方式、通信組網的設計以及智能技術在水電站視頻監控系統中的應用方向。

1 智能視頻監控系統功能需求

(1)作業安全和安全帽識別具體需要具備的功能包括：①智能視頻監控系統能夠對人員進出工作區的權限進行判別，并對進出人員的信息數據記錄存檔，在利用人臉識別攝像機進行人臉抓拍的同時，能夠利用電站內所有的監控攝像機進行人員跨鏡身份識別，彌補人臉漏抓拍場景。②能夠識別作業過程中的違規行為，判斷人員在作業區的作業過程是否合規，及時發現違規情況，廣播提醒人員注意，保障人員安全。③能夠識別工作人員是否按照規定佩戴安全帽，保障人員安全，及時發現違規情況并廣播提醒人員注意。

(2)區域智能監管。電站內不同區域均有不同責任人負責直屬監管，因此能夠根據各個區域不同監管規則定期發送作業違規信息。工業電視系統對工作時間和非工作時間廠房內各區域分別進行重點布控，實現區域入侵偵測、越界偵測、進入區域偵測、離開區域偵測、徘徊偵測、物品遺留偵測和人員快速移動偵測等功能，以確認該區域內人員是否具備進入區域作業的許可授權。若判別為非法人員誤入區域，系統將自動推送作業違規信息至中控室。

對于特定高危險區域，則應采用電站內工業電視系統對其重點虛擬布控管理，在正常情況下高危險特定區域內的闖入人員，則觸發告警，對闖入人員以廣播的方式進行驅離。任何作業人員不能非法跨越區域，不能擅自擴大作業范圍，否則廠區內工業電視系統將對其全過程監管。

(3)缺陷診斷和熱成像在線測溫。利用熱成像雙光譜球型攝像機對主變、機組上風洞等進行溫度越限報警。同時輸出可見光和熱成像兩路視頻圖像，可通過集成在熱成像上的功能對監控區域進行分析。當有目標觸發規則時，可見光攝像機能夠跟蹤目標進行確認，具備雙光譜同屏顯示、溫度越限、溫差報警、溫度曲線呈現等分析功能，支持歷史溫度曲線呈現。當有需要時，可從數據庫中讀取某一熱成像攝像機在不同時間段的各測溫點、線、框溫度變化曲線，并自動組合成一個完整的曲線。

采用在線式紅外熱成像分析設備的健康狀態，利用紅外專家診斷系統發出報警信號，能提高生產效率，增加巡檢頻次。同時可以記錄設備的運行過程數據，通過數據累積提供預警。

紅外測溫軟件應具備溫度閾值超限告警、溫度趨勢分析與預警、溫度跳變報警、溫度曲線及報表生成與打印等功能。

(4)人臉識別。對于水電站中進出口區域和重要房間區域增加人臉識別攝像機，能夠與門禁聯動，通過人臉識別攝像機開啟門禁。人臉識別攝像機需要具備的功能包括：①支持人臉實時檢測抓拍并展現人臉相關詳情，支持實時黑名單比對報警并支持播放人臉關聯的視頻圖像。②支持人臉歷史檢索，即按時間、監控點、人員信息和目標人臉圖片等組合條件檢索檢測人臉歷史結果。支持結果排序并支持按相似度過濾。③支持管理人臉庫，即支持從圖片、錄像、實時圖像中挑選人臉圖片錄入人員庫，支持登記人員詳細信息，支持批量導入人員且支持人員分組。

(5)事后視頻快速檢索。事后視頻快速搜索功能是一組在視頻錄制當下就生成特征元數據的技術。元數據資料庫是視頻存儲能快速且準確分析的基礎。當需要事后搜索指定事件時，僅需在視頻存儲里輸入相關條件，如區域內移動、拌線、物體大小、物體顏色等，符合條件的視頻縮略圖便會 在數秒內顯示。

(6)水位數據監控。水電站需要在河道、閘門等區域設置水尺攝像機，水尺攝像機內置水尺讀取智能算法，系統可自動讀取標準水位尺，獲得水位數據，無需肉眼對拍攝到的圖像進行觀察。根據標桿上的刻度讀出當前的水位值，從而達到對壩前水位、壩后水位的精準監測。

2 智能視頻監控系統設計

2.1 智能視頻監控系統結構設計

電站智能視頻監控電視系統采用全數字分區方案，系統共分為中心級和區域級。系統主要由中心網絡設備、區域網絡設備和前端設備組成，智能視頻監控系統結構設計見圖1。

圖1 智能視頻監控系統結構設計

系統建立在自建的智能視頻監控系統網絡平臺上，該平臺采用高速以太網，為星型網結構，采用TCP/IP協議。該系統的視頻管理服務器將兼作該局域網的網絡管理服務器。

中心網絡交換機與區域網絡交換機之間采用光纜或網線連接，網絡傳輸速率為1 Gbps。對于網絡交換機之間傳輸距離小于100 m的采用六類屏蔽網線直接連接，超過100 m的距離則采用4芯單模鎧裝光纜連接。

2.2 智能視頻監控系統點位設計

為實現水電站視頻監控系統智能化的功能，需要依據電站的機電設備合理地布置攝像機。水電站不同區域不僅設置的攝像機種類不同，布點設置的高度和水平角度也存在差別。為實現作業安全和安全帽識別功能，攝像機需布置在重要的出入口、人員作業區域，并且能夠清晰地拍攝出人臉等部位。一般攝像機的水平角度設置在10°～20°，攝像機設置高度與人體高度接近，并使用高分辨率攝像機清晰地捕捉人臉等圖像。

區域智能監管的實現是通過視頻圖譜解析技術和虛擬電子圍欄技術實現對水電站不同安全防范區域標注處理。為能夠清晰地映射所需防范區域的畫面，一般采用高清攝像機，并且設置高度在3 m左右，可以清晰地捕捉到人體運動軌跡。

3 智能視頻監控系統設備選型

3.1 智能網絡攝像機選型

水電站的視頻監控系統一般要實現永臨結合，因此，考慮水電站的現實環境，攝像機的選型依據以下原則。

(1)需要具備較高分辨率，并且為能夠適應水電站光線較差的情形，攝像機應該具備紅外補光或者星光級感光成像的功能。

(2)在水電站建設階段就結合水電站機電設備、運維人員活動范圍規劃全站的攝像機點位布置，攝像機部署相對固定，并不需要采用可以靈活部署的帶無線傳輸模塊的攝像機。

(3)可以動態調整采集參數，包括亮度和飽和度等。根據攝像機選型原則，水電站中智能網絡攝像機的選擇根據水電站機電布置和功能需求選擇最為適合的前端攝像機。如在環境較差的大型洞室內布置高倍星光級攝像機，在主變等需要監測主變溫度的房間內布置熱成像測溫攝像機等。智能視頻系統設計過程中部分水電站攝像機功能需求和選型見表1。

表1 水電站攝像機功能需求和選型

3.2 圖像存儲服務器選型

由于水電站中存在開關站、中控室、地下廠房等多個區域，不同區域之間空間跨度較大，一般視頻圖像存儲服務器都分別布置在各個區域內，并通過水電站廠內通信系統實現不同區域視頻數據的通信。存儲服務器存儲容量應滿足所有視頻輸入24 h全天候錄像(以CIF、JPEG或MPEG-4、H265/H264等格式)存儲并能滿足網絡攝像機圖像信息要求在24 h全天候錄像情況下保存30 d的需求。

3.3 智能服務器選型

智能服務器需要具備人臉管理、人臉比對、人臉以圖搜圖、人臉檢索等功能。具備接入、存儲、轉發速率達到400 Mbps、320 Mbps、96 Mbps。整個智能服務器采用模塊化設計，至少支持30路人臉識別(1 080 P視頻流)或圖片流比對報警照片160張/s；能夠支持30萬張人臉樣本數和50個名單庫；支持2 000萬條人臉歷史抓拍庫以及1 000萬條周界防范告警；支持聯動錄像、抓圖、日志、蜂鳴、預置點、本地報警輸出、IPC報警輸出、門禁、語音播報等。

3.4 交換機選型

水電站內交換機包括中心交換機和區域交換機，中心交換機需要采用智能型快速工業級以太網交換機，以構成10 Gbps以太網，傳輸速率10 Gbps。各節點計算機應使用光口或RJ45電口直接連到交換機上。中心交換機一般布置于水電站各個區域節點之中，如中控室、地下廠房、開關站等區域。區域交換機采用工業級網管型快速工業級以太網交換機和工業級網管型千兆以太網交換機，以構成10-100 Mbps自適交換式工業以太網和10-100-1 000 Mbps，傳輸速率100 Mbps和1 000 Mbps。

中心交換機和區域交換機的背板交換速率和包轉發率根據交換機接口數量確定。假設交換機內接入一臺攝像機，則對于區域交換機至少需要2個1 000M端口和個100M端口，區域交換機的背板交換速率和包轉發率為：

C≥2×(2×1 000+X×100)

P≥2×(2×1.488+X×0.1488)

3.5 大屏顯示器選型

在智能視頻監控系統中，視頻的解碼與圖像顯示是最終的環節，最終所有的視頻信息會匯集到大屏顯示系統中，從而展示給用戶。目前在水電站中，一般會在中控室內放置大屏顯示系統，可以實現整屏畫面任意分割、開窗漫游等拼控功能，主要有兩種類型: LCD、LED 平板顯示單元拼接系統和DLP、激光等投影顯示系統。目前大型水電站中一般采用LED顯示屏，大型顯示屏支持單畫面、四畫面、九畫面、十六畫面及大小組合畫面顯示方式。利用安裝在各點的攝像機，對所有監控區域內的設備進行實時監視。可以根據攝像機焦距的變化(變焦攝像機)顯示大小不同的畫面。

4 結 語

隨著智能化技術的不斷發展，水電站對智能化技術尤其是視頻智能化技術提出了更多的要求，因此筆者以水電站視頻智能化功能需求為基礎，提出了水電站智能視頻系統的設計方法和設備選型原則，從而最大限度地發揮水電站智能化技術的效能。