王從明 孔凡富
沂沭泗直管水閘IP監(jiān)控方案
王從明 孔凡富
沂沭泗流域地處我國南北氣候過渡地帶,降水年內(nèi)分布不均,主要河道源短流急、峰高量大,洪水陡漲陡落,洪水預(yù)見期短、傳播快,流域各主要河湖又相互聯(lián)通,在洪水調(diào)度過程中,各水閘調(diào)度相互連動、互相制約,迫切需要建立一個集遠(yuǎn)程監(jiān)視與集中控制于一體的視頻監(jiān)控系統(tǒng),利用現(xiàn)代化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),實現(xiàn)直管水閘遠(yuǎn)程實時監(jiān)控,便于對全流域洪水的集中管理和統(tǒng)一調(diào)度,發(fā)揮防洪、排澇、蓄水、灌溉、航運等綜合效益。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)采取模、數(shù)結(jié)合的方案,利用模擬光端機(jī)、矩陣等設(shè)備完成圖像信息的采集、傳輸、顯示和控制,利用數(shù)字錄像機(jī)進(jìn)行編解碼和存儲。雖然每個系統(tǒng)在各自樞紐范圍內(nèi)的獨立應(yīng)用中,基本滿足了基層用戶的一般需求,并發(fā)揮了應(yīng)有的作用,但是大部分視頻監(jiān)控信息無法傳輸?shù)揭抒疸艟?。由于使用模、?shù)兩套完全異構(gòu)的平臺,導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)異常復(fù)雜,部署、安裝、維護(hù)困難,標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展性差,管理難度大,很難進(jìn)行大規(guī)模部署,無法適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模和范圍越來越大的需要。
20世紀(jì)以來,視頻監(jiān)控模式大致經(jīng)歷了三個階段,即20世紀(jì)70年代發(fā)展的模擬視頻監(jiān)控模式(VCR)、20世紀(jì)70年代發(fā)展的數(shù)字視頻監(jiān)控模式(DVR)和本世紀(jì)初發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控模式(IP監(jiān)控)。
VCR監(jiān)控系統(tǒng)通常由攝像機(jī)、探測器、云臺等前端設(shè)備和傳輸系統(tǒng)、主控顯示記錄設(shè)備三大部分組成。前端攝像機(jī)獲取的視頻信號、監(jiān)聽探測器獲取的聲音信號、報警探測器發(fā)出的報警信號、主控設(shè)備向前端設(shè)備傳送的控制信號以及供電電源等,通過傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳送。主控系統(tǒng)對前端系統(tǒng)傳送回來的視頻信號、聲音信號和報警信號進(jìn)行處理、顯示和傳送。
DVR監(jiān)控系統(tǒng)是以數(shù)字視頻處理技術(shù)為核心,綜合計算機(jī)多媒體、局域網(wǎng)、數(shù)字壓縮、現(xiàn)代控制技術(shù)和人工智能合成技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng),它將監(jiān)控系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、語音、圖像的合成,并與先進(jìn)的管理系統(tǒng)融為一體。DVR系統(tǒng)一般由攝像機(jī)、探測器、云臺等前端設(shè)備和傳輸系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)(DVR)等部分構(gòu)成,具有多畫面處理、錄像、回放、矩陣控制、探測報警、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?。前端設(shè)備傳送回來的視頻信息、聲音信息和報警信息輸入DVR,由DVR從多路輸入信息中選取若干路模擬信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息,完成信息的采集、瀏覽、存儲、操作和傳輸。
與VCR系統(tǒng)相比,DVR系統(tǒng)減少了大量設(shè)備和配置,提供了更好的圖像質(zhì)量,并可在聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)上實現(xiàn)圖像監(jiān)視與回放,具有VCR系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點,自DVR技術(shù)推廣應(yīng)用以來,已取代VCR技術(shù)成為主流的視頻監(jiān)控技術(shù)。
IP監(jiān)控以DVR技術(shù)為基礎(chǔ),通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),完成數(shù)字視頻監(jiān)控信號的采集、傳輸、瀏覽、存儲和操作。由于節(jié)省了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的布線和線路維護(hù)等大量費用,IP監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本大大降低。IP監(jiān)控一般由攝像機(jī)、探測器、云臺等前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和集中管理系統(tǒng)等構(gòu)成,同樣具有多畫面處理、錄像、回放、矩陣控制、探測報警、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?。前端設(shè)備一般采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),或模擬攝像機(jī)與視頻服務(wù)器(DVS)組合,直接接入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
與DVR系統(tǒng)相比,IP監(jiān)控的前端設(shè)備直接連入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),即插即看,減少了大量的模擬同軸電纜,節(jié)省了布線建網(wǎng)的成本,成本優(yōu)勢很明顯。由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、DVS等前端設(shè)備都是嵌入式設(shè)備,能夠適應(yīng)惡劣條件,因此,IP監(jiān)控的穩(wěn)定性和可靠性很高。另外,IP監(jiān)控基于開放、標(biāo)準(zhǔn)的IP技術(shù),只要增加網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)或DVS等前端設(shè)備,就可以對系統(tǒng)輕松進(jìn)行升級擴(kuò)容。
由于沂沭泗直管水閘分布地域廣,基層管理單位分散,現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)難以實現(xiàn)集中和統(tǒng)一運用,隨著直管工程統(tǒng)一管理和合理調(diào)度的需求不斷增加,沂沭泗直管水閘監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足可管理性、可靠性、易用性、可擴(kuò)展性、業(yè)務(wù)融合、高兼容性等特點。
沂沭泗直管水閘IP監(jiān)控系統(tǒng)由各監(jiān)控站和監(jiān)控中心兩部分組成,監(jiān)控站和監(jiān)控中心通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。每個基層局分別建設(shè)一個監(jiān)控站,負(fù)責(zé)收集本基層局管理的直管水閘視頻信息,進(jìn)行編碼、存儲,并連接計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。沂沭泗局建設(shè)監(jiān)控中心,負(fù)責(zé)對全局所有的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理,并通過各監(jiān)控站收集監(jiān)控信息實現(xiàn)對所有直管工程集中監(jiān)控。
(1)監(jiān)控站。監(jiān)控站設(shè)施由攝像機(jī)、監(jiān)聽設(shè)備、對講設(shè)備、報警設(shè)備、編解碼器和電視墻等組成,其中攝像機(jī)、監(jiān)聽設(shè)備、對講設(shè)備、編碼器和報警探頭是IP監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備。攝像機(jī)等前端設(shè)備通過編碼器,將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,并連接到網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控站安裝電視墻設(shè)備,通過解碼器連接網(wǎng)絡(luò),通過電視墻軟件控制視頻信息的切換,實現(xiàn)矩陣功能。
監(jiān)控站的編解碼器與沂沭泗局計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,并連接監(jiān)控中心。當(dāng)監(jiān)控站到監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠,允許監(jiān)控中心集中存儲時,監(jiān)控站可配置DVS編碼器;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬有限,無法在監(jiān)控中心集中存儲時,采用支持前端存儲的DVR編碼器。
(2)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心安裝視頻管理服務(wù)器,統(tǒng)一管理全局所有的監(jiān)控設(shè)備,負(fù)責(zé)視頻監(jiān)控的調(diào)度、設(shè)備配置、設(shè)備?;睢⒋鎯芾砗陀脩魴?quán)限認(rèn)證信息的管理,并將報警信息、云鏡控制、解碼器輸出控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)前端設(shè)備。視頻管理服務(wù)器支持沂沭泗流域GIS電子地圖,并在地圖上標(biāo)注攝像機(jī)的具體布置。監(jiān)控中心安裝電視墻設(shè)備,通過解碼器和電視墻軟件控制視頻信息的切換,實現(xiàn)矩陣功能。
(3)用戶訪問。沂沭泗局的用戶訪問監(jiān)控信息有兩種方法:一是通過電視墻設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控功能,由電視墻軟件進(jìn)行切換和控制;二是通過WEB方式登錄監(jiān)控中心的視頻管理服務(wù)器,在授權(quán)范圍內(nèi)實現(xiàn)監(jiān)控功能,通過客戶端瀏覽器進(jìn)行切換和控制。各直屬局和基層局的WEB用戶直接從監(jiān)控站編碼器獲取視頻信息,而沂沭泗局的WEB用戶通過視頻管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)視頻信息,可以有效避免從網(wǎng)絡(luò)帶寬較低的廣域網(wǎng)上傳輸不必要的視頻信息,減輕網(wǎng)絡(luò)壓力,從而間接保證監(jiān)控信息的實時性。
對比現(xiàn)有的水閘現(xiàn)地視頻監(jiān)控系統(tǒng),IP監(jiān)控方案方案具有以下特點和優(yōu)勢:
(1)統(tǒng)一的監(jiān)控平臺。IP監(jiān)控系統(tǒng)通過將編解碼器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻管理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)相互融和,優(yōu)化了監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu),提高系統(tǒng)的整體效能、可靠性,可以有效滿足沂沭泗局對直管水閘實施集中監(jiān)控的需求。
(2)先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)。IP監(jiān)控遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet架構(gòu),實現(xiàn)控制與交換相分離,由網(wǎng)絡(luò)來承載存儲流和實時流等業(yè)務(wù)流,由視頻管理服務(wù)器處理控制流,適合監(jiān)控系統(tǒng)大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用??刂?、編解碼、存儲等環(huán)節(jié)全部采用國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實現(xiàn),便于互連互通,整體架構(gòu)開放設(shè)計,便于新技術(shù)新業(yè)務(wù)的引入及融和。
(3)高清實時的圖像質(zhì)量。編碼器采用符合MPEG2/MPEG4/H.264等國際標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮技術(shù),可提供FULLD1高清晰圖像分辨率,編碼帶寬最高可達(dá)4M(MPEG4/H.264)~8M(MPEG2),在帶寬有保障的前提下,對于大動態(tài)圖像,更高的碼流支持可以提供更多的圖像細(xì)節(jié)和高清圖像質(zhì)量。
(4)高實時性。IP監(jiān)控可以在相關(guān)軟件的管理控制下,由前端編碼器將視頻監(jiān)控信息編碼后,直接通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后端解碼器解碼并輸出到電視墻顯示,從而避免了實時視頻流必須通過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)而存在的性能瓶頸、視頻和控制延遲等缺點,具備低于300毫秒的實時性能。
(5)專業(yè)可靠的海量存儲。IP監(jiān)控支持網(wǎng)絡(luò)存儲和本地存儲兩種存儲模式。當(dāng)實施集中存儲時,監(jiān)控中心可配備專業(yè)可靠的海量存儲系統(tǒng),集中存儲監(jiān)控信息,專業(yè)的存儲系統(tǒng)支持各種RAID保護(hù)技術(shù),支持硬盤熱備份和在線維護(hù),任何一個硬盤損壞不會丟失數(shù)據(jù),支持電源冗余,這些都是傳統(tǒng)DVR不具備的。
(6)視頻分發(fā)機(jī)制。IP監(jiān)控的視頻管理服務(wù)器支持WEB用戶通過視頻管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)和直接從編碼器獲取視頻信息兩種方式,根據(jù)沂沭泗局計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬狀況,各直屬局和基層局的用戶可以直接從編碼器獲取視頻信息,沂沭泗局的用戶可以通過視頻管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)視頻信息,有效避免網(wǎng)絡(luò)帶寬較低的廣域網(wǎng)上傳輸不必要的視頻信息,減輕網(wǎng)絡(luò)壓力,有效保證監(jiān)控信息的實時性。
(7)靈活高效的訪問方式。在監(jiān)控站和監(jiān)控中心,專業(yè)的監(jiān)控用戶通過電視墻進(jìn)行高清監(jiān)控,并通過網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)等機(jī)制,提高監(jiān)控信息傳輸?shù)膬?yōu)先級,保證監(jiān)控信息的實時性。而其他普通用戶,可以通過WEB方式,通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)靈活的進(jìn)行一般監(jiān)控。
(8)可靠性。IP監(jiān)控的前端設(shè)備均采用嵌入式設(shè)備,充分滿足高風(fēng)險等級場所的高可靠性監(jiān)控需求,平均無故障間隔時間、工作溫度范圍、防雷、防靜電、防潮、防霉等戶外防護(hù)等級較高,同時避免了采用通用軟件而帶來的防病毒、防攻擊等網(wǎng)絡(luò)安全問題,大大提高了產(chǎn)品的可靠性。
(9)業(yè)務(wù)融合。監(jiān)控系統(tǒng)作為沂沭泗局水利信息系統(tǒng)之一,要求能夠與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行融合,如GIS、防汛調(diào)度系統(tǒng)等。IP監(jiān)控的視頻管理服務(wù)器可以支持沂沭泗流域內(nèi)GIS電子地圖,并在地圖上標(biāo)注攝像機(jī)的具體布置,向視頻應(yīng)用客戶端提供GIS電子地圖服務(wù)。
本文在現(xiàn)場調(diào)研和查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,對沂沭泗直管水閘視頻監(jiān)控的現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行了總結(jié)。文章在對VCR、DVR和IP監(jiān)控等三代視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行綜述和分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合沂沭泗局的具體需求和實際情況,提出了沂沭泗直管水閘IP監(jiān)控方案,并在統(tǒng)一管理、專業(yè)存儲、高可靠性等方面對方案特點和優(yōu)點進(jìn)行了總結(jié)
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