視頻水位識別技術在水庫淹沒區的應用設計

戴燁軍，郭召云，崔昊，馬晴

（北京市密云水庫管理處，北京 101512）

1 前言

水位是水文水資源管理中的重要監測參數之一，同時也是水利工程建筑設計、建設與管理中的重要依據之一[1]。水位測量工作的可實施性和測量精度，會對水資源優化配置方案、水庫防洪安全和發電效益、上級決策方向等產生直接影響[2]。

傳統水位量測主要有2種方法：一種是設置水尺并手動目測讀數，然后人工記錄水位值，此方法費時費力，尤其當環境比較惡劣時會對量測人員安全造成威脅；另一種是通過各類傳感器自動獲取表征水位的模擬量，并將其轉換為水位數據，從而進行量測[3]。水位傳感器分為浮子機械（光電）編碼式、壓力式、雷達式和超聲波式，它們各有優勢，但是不足也十分明顯。例如，浮子機械編碼式[4]結構可靠，價格低廉，適用于多種場合，然而需修建測井房且成本較高；壓力式[5]結構受到水質變化影響較大，需經常檢查和調節率定系數；超聲波式[6]水位傳感器放置在明渠流上，外部干擾較大，往往會給被測水位帶來漂移現象。

近年來，視頻水位識別技術發展迅速，在各類水庫和發電廠等場景的水位監測應用中日益普遍[7，8]。隨著視頻處理及互聯網技術的發展，人們能夠借助高速的數據處理能力來實現視頻采集、處理與存儲，借助數字圖像處理技術來實現視頻采集照片的目標區域提取、去噪及其他相關處理得到最終水位數據，并通過網絡流量通道回傳至遠程終端數據庫[9]。工作人員可以較為方便地將這些資料從數據庫中提取出來，再通過可靠的算法或者成熟的軟件加以分析和處理，從而為后續調控決策提供了可靠依據[10，11]。

當水庫持續高水位運行時，水庫周邊低洼地區村民房屋存在被淹沒的風險。為保障庫區群眾的生命財產安全，有必要在淹沒風險區建設水位高程標識樁，并在附近安裝視頻水位監測設備，實時監視淹沒區水位變化，掌握淹沒情況。按照設定的語音向附近村民進行預警、告警播報，警示村民淹沒趨勢，為村民安全轉移提供指引，同時將水位數據及監控視頻傳輸至水務局，實時反映淹沒情況，為防汛調度決策提供重要依據。

本文將對視頻水位識別技術在水庫淹沒區的應用設計進行具體介紹。

2 總體架構設計

2.1 系統架構

系統設計遵循先進性、安全可靠性、實用性、經濟性、靈活性與可擴展性及規范性和統一性原則，系統的總體架構如圖1所示。系統由前端的視頻水位監測站和后端中心站組成，前端視頻水位監測站包括超星光全光譜水利球機、拾音器、太陽能供電系統等，后端中心站包括服務器、工作站、專用軟件、網絡安全設備、矩陣控制器，解碼一體機等。

圖1 系統架構示意

2.2 數據分發邏輯

系統的數據分發邏輯如圖2所示，其中視頻水位監測站的數據具體分為以下2類。

圖2 數據分發邏輯

（1）水位監測數據。監測數據應做到一數一源，數據集中存儲、集中管理。因此，水位監測數據通過4G網絡直接上傳到市水務局上級平臺統一管理，中心站通過分享上級平臺的數據進行本地應用。

（2）帶有水位信息的監控視頻，通過4G網絡實時上傳到中心站，上級平臺也能通過國標接口調用實時監控及歷史錄像。

2.3 中心站網絡結構

中心站由總控管理服務器、視頻存儲服務器和信令網關服務器等設備組成，各服務器均接入機房內部網絡進行信息互通。中心站網絡結構的基本集成邏輯，如圖3所示。其中，核心服務器的作用如下。

圖3 中心站網絡結構

（1）總控管理服務器。用于部署安全監視預警管理中心站軟件，承擔前端設備管理、數據采集展示、視頻預覽回放等功能，是整個系統的核心管理軟件。

（2）視頻存儲服務器。用于視頻數據存儲的核心單元，主要負責視頻錄像存儲，具有智能管理功能，支持服務器定時錄像存儲、錄像回放、錄像下載、視頻抓拍、倍速播放控制等功能操作。

（3）信令網關服務器。用于視頻國標對接的核心單元，通過國標GB/T28181協議實現和上級平臺間的互聯對接，方便上級平臺調取，可實現平臺注冊、平臺校時、平臺設備目錄查詢、設備狀態查詢、音視頻實時預覽、云鏡控制、錄像回放、對講等功能。

為保證網絡安全，系統建立了網絡安全動態防護體系，使網絡具備集安全預警、監控、保護、響應為一體的整體網絡安全保障能力與協同防御能力，以應對網絡環境中的黑客攻擊、網絡病毒、蠕蟲、惡意軟件、違規訪問等多種安全威脅，保證計算機網絡平臺的安全可靠運行。

3 典型站點設計

3.1 安全監視預警站設備構成

視頻水位監測站的結構簡化示意參見圖4，具體包括：①不反光標準水尺、超星光全光譜水利球機、光伏系統、高保真戶外拾音器；②組合立桿及附件、組合立桿預制混凝土基礎；③配電箱及組件、避雷組件。設備采用立桿架設，結構簡單、安裝方便。根據現場環境，供電系統利用光伏供電，采用4G數據傳輸。

圖4 視頻水位監測站的結構簡化示意

3.2 水尺布設

于水位高程標識樁一側貼敷適合視頻水尺識別的不反光標準水尺。設備安裝設計，如圖5所示。

圖5 設備安裝設計

3.3 現場警示

可設置站點兩級水位的預警和告警，分別對應不同的語音內容。內置揚聲器，可實現喊話及自定義語音播報。可設置電子圍欄，進行聲、光、激光指示驅離。

3.3.1 水位預警、告警

可依據不同水位，分別設置兩級水位的預警和告警語音。預警水位有利于密切關注水情，可以及時做好疏散動員及各項防范措施準備，以便撤離。告警水位有利于及時按照疏散轉移要求出具對策，以便在預定時間內安全撤離。

3.3.2 現場喊話、對講

安全監視預警管理中心站可利用超星光全光譜水利球機內置揚聲器，對現場進行喊話，考慮到現場環境噪聲，聲音辨識度可達10～20 m。增配高保真戶外拾音器，實現現場對講，提升現場信息發布能力。

3.3.3 電子圍欄

為了保護水源地安全、避免污染，有必要在淹沒區設置電子圍欄。考慮到夜間紅外補光距離，電子圍欄半徑設置為180 m，當有人闖入電子圍欄時，播報預先錄制的驅離語音并伴隨白燈閃爍，闖入者離開后終止。如果白燈、語音驅離無效，會追加綠色激光直接照射，實現直接驅離的效果，激光功率15 mW，符合國家標準，且有程序控制避開頭部照射。

4 安全監視預警管理中心站設計

4.1 存儲容量計算及互聯網帶寬

4.1.1 網絡存儲能力計算

中心站需滿足視頻水位監測站監控視頻存儲要求，按每站每天需21G計算存儲空間。

4.1.2 互聯網專線

中心站同時需滿足視頻水位監測站的視頻接入，應按每站2 Mbite/s的碼率配置互聯網帶寬。

4.2 安全監視預警管理專用軟件

水庫庫區安全監視預警管理專用軟件具備視頻瀏覽、前端控制、錄像查看、事件管理、存檔管理、報警聯動、權限管理、警戒管理等監控功能，有效提升了水庫精細化管理能力和洪水風險管控能力，對水源地水質安全、人員安全提供更加有效的保證。

視頻監控預覽界面集成各類視頻瀏覽管理操作：①可根據點位信息查看視頻圖像，并進行電子放大、音頻預覽、全屏顯示、3D控制、視頻上墻等操作；②可同步監聽前端設備采集的聲音，并與現場進行語音對講和廣播；③可實現客戶端之間對講；④支持GIS界面自由圈定測站，批量向現場發布告警信息、喊話，方便可視化操作和直觀的調度指揮；⑤可以多屏、分屏顯示視頻預覽、錄像回放和電子地圖，監控預覽時可快速調取監控點在地圖上的位置信息；⑥支持視頻圖像組輪巡、視圖組輪巡、跨服務器圖像輪巡；⑦可查看錄像存儲系統的運行狀態；⑧可實時查看和統計系統中設備的在線狀態和通道的報警狀態，及其他監控系統常備功能；⑨可從上級平臺同步水位監測數據進行數據跟蹤、閾值報警、趨勢分析等本地應用。

4.3 核心服務器配置

4.3.1 總控管理服務器

用于部署水庫庫區安全監視預警管理軟件，承擔前端設備管理、數據采集展示和視頻預覽回放等功能。

4.3.2 信令網關服務器

用于視頻國標對接的核心單元，通過國標GB/T28181協議[12]實現和上級平臺間的互聯對接，方便上級平臺調取，可實現平臺注冊、平臺校時、平臺設備目錄查詢、設備狀態查詢、音視頻實時預覽、云鏡控制、錄像回放、對講等功能。

4.3.3 網絡存儲服務器

用于視頻數據存儲的核心單元，主要負責視頻錄像存儲，具有RAID管理功能，支持服務器定時錄像存儲、錄像回放、錄像下載、視頻抓拍、倍速播放控制等功能操作。

4.4 視頻管理工作站

需在下述部門部署視頻管理工作站，以滿足高性能監控視頻調用的工作要求。

（1）汛期防汛指揮調度部門，需要通過工作站隨時掌握水位上漲對庫區村莊的淹沒情況，作為防汛調度的重要參考依據。

（2）科技工作部門，需要通過工作站掌握預警相關設備設施的運行狀態。

（3）庫區管理部門，需要通過工作站實時掌握庫區周邊水位上漲淹沒村莊情況。

（4）會商中心是各種重大會商決策的會場，經常需要調用類似安全監視視頻等各種視頻監控資源，并與市水務局會商。

4.5 監控上墻

防汛指揮調度部門需要隨時掌握庫區水情及各重點區域的現場實景，因此需要將庫區安全監視視頻進行上墻投屏。

會商中心是各種重大會商決策的會場，經常需要隨時調用安全監視視頻等各種視頻監控資源，因此需要進行監控上墻應用。

庫區管理部門需要實時掌握庫區周邊水位上漲淹沒村莊情況，需對庫區安全監視視頻進行展示和管理，因此需要進行監控上墻應用。

5 結語

視頻水位識別技術兼顧了水位的監測、現場實景的監控及水源地的驅離保護。相較其他監測技術只能滿足單一需求，一臺視頻水位監測設備能同時滿足多項需求，具有一機多效的綜合應用優勢，非常適合在水庫進行水位監測應用，尤其是在淹沒區進行水位警戒、水源地保護、為防汛指揮調度提供實景依據的綜合應用。