江玉才 ，余 陽 ，瞿楊繼 ，陶青川 ，鮑 江

(1. 重慶市水利信息中心，重慶 404100；2. 四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064 ）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷進步、信息技術的迅猛發(fā)展和水利事業(yè)的全面推進，水利信息化逐步深入，目前已成為水利現(xiàn)代化的技術支撐和重要推動力量。水利圖像視頻監(jiān)控[1]作為水利信息化的重要內(nèi)容，在水利水資源管理方面發(fā)揮著重要作用。目前水利圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用數(shù)字視頻處理編碼技術，對水雨情、工災情等現(xiàn)場進行圖像視頻采集錄像與傳輸存儲，這類系統(tǒng)存在一個主要問題：“重硬件采集”、“輕數(shù)據(jù)處理”，無法發(fā)揮圖像視頻信息的內(nèi)在價值[2-3]。監(jiān)控系統(tǒng)的分析判斷主要依靠人工完成，存在漏報誤報率較高、反應不及時、智能化程度不高等問題，導致圖像視頻信息無法真正發(fā)揮使用價值。同時，水利圖像視頻監(jiān)控存在較多的野外水資源管理對象，傳統(tǒng)的圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信存在較大的限制。鑒于此，提出一種水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用 3G 網(wǎng)絡[4]改善野外視頻監(jiān)控的通信，利用圖像處理、人工智能等技術建立圖像視頻特征與水文水資源實時數(shù)據(jù)及水利工程運行狀況的關系與數(shù)學模型，通過智能計算較準確得到水雨情實時數(shù)據(jù)，同時對水利工程運行的異常情況進行自動分析判斷與報警。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構與設計

監(jiān)控系統(tǒng)由前端和中心監(jiān)控 2 部分構成，前端部分安裝在需要監(jiān)控的水資源管理對象現(xiàn)場（取水口、水源地、水功能區(qū)、排污口等），中心部分安裝在水資源管理部門的機房，兩者通過 3G 無線網(wǎng)絡進行通信連接，結(jié)構如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

1.1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構

1.1.1 前端部分

系統(tǒng)前端部分由供電、無線通信、視頻采集及智能視頻處理等模塊組成，同時，配置一些必要的防雷、防雨雪等輔助設備。其中，供電模塊根據(jù)水資源監(jiān)控點處的實際情況分成 2 類，一類直接采用市電作為供電來源，另一類則采用太陽能作為供電來源；無線通信模塊要求能夠支持 CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA 幾種網(wǎng)絡通信方式；視頻采集模塊采用帶云臺的網(wǎng)絡數(shù)字攝像機，輸出數(shù)字視頻圖像并通過網(wǎng)絡傳輸；智能視頻處理模塊采用嵌入式工業(yè)控制計算機作為分析設備，并配以智能分析軟件，該模塊是視頻監(jiān)控的重點，實現(xiàn)對水資源關鍵信息的自動智能分析，并完成與中心段的信息交互。

1.1.2 中心部分

系統(tǒng)中心部分由部署在水資源管理部門機房的服務器及安裝在其上的分析軟件組成，主要完成對多個前端部分的管理，接收前端信息，查看、存儲視頻圖像并實現(xiàn)對視頻圖像的處理。

1.2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.2.1 前端部分設計

1）供電模塊。設計供電模塊時，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟性，一般直接采用市電作為供電來源。如果部分野外水資源點比較偏僻，沒有相應的電力基礎設施，系統(tǒng)采用太陽能供電；當水資源點附近有市電基礎設施時，則采用市電作為用電來源。

針對采用市電作為用電來源的前端部分，電源供電方式應采用 TN-S 制式。當電壓波動超出 3%～5% 的范圍時，采用穩(wěn)壓電源裝置，穩(wěn)壓裝置的標稱功率不得小于系統(tǒng)使用功率的 1.5 倍。

對于采用太陽能供電模塊[5]的部分，太陽能供電模塊由蓄電池組、控制器組及太陽能光伏板等器件組成。需根據(jù)實際工作時的用電功率、時間需求，以及水資源點處的日照時間、陰雨天數(shù)等情況，合理設計太陽能供電模塊。由于野外環(huán)境的影響，蓄電池組需要具有安全可靠、比能量高、內(nèi)阻小、自放電率低、充電接受能力強、循環(huán)壽命長、密封反應效率高等特點，蓄電池容量需要考慮陰雨天情況下的供電需求。太陽能光伏板由多塊單晶硅太陽電池串聯(lián)構成，采集功率需要滿足前端所有用電模塊的功率需求，以及用電和日照時間的影響。

2）無線通信模塊。系統(tǒng)采用 3G 網(wǎng)絡完成前端和中心部分之間的通信。第 3 代移動通信系統(tǒng)是一種能夠提供多種類型、高質(zhì)量多媒體業(yè)務的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力。3G服務能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百 kbit/s 以上，在準靜止條件下能達到 2 Mbit/s 的速率[6]。國內(nèi)主要有 CDMA2000，WCDMA，TDSCDMA 3 種標準，對應的覆蓋范圍和信號強度也各有不同，因此，無線通信模塊在設計上需要能夠支持這幾種通信方式。

根據(jù)實際監(jiān)控需要，無線通信模塊主要性能要求如下：a）內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，針對 3G 網(wǎng)絡優(yōu)化；b）提供 3G 無線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能，透明數(shù)據(jù)傳輸，為用戶的數(shù)據(jù)設備提供雙向大容量數(shù)據(jù)傳輸；c）自動撥號連接，上電自動撥號上網(wǎng)，連接網(wǎng)絡，實時監(jiān)測網(wǎng)絡連接情況，具有掉線自動重撥功能；d）支持中心為固定或動態(tài) IP；e）EMC 抗干擾設計，適合電磁惡劣環(huán)境應用，支持 VPN 連接，保證安全的圖像視頻傳輸。

3）視頻采集模塊。視頻采集模塊包括高清數(shù)字彩色監(jiān)控攝像機和云臺，彩色監(jiān)控攝像機的主要功能是將現(xiàn)場監(jiān)控視頻圖像輸出；云臺則通過帶動彩色監(jiān)控攝像機水平與俯仰的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)更大范圍的監(jiān)控，以及對目標的實時跟蹤。

根據(jù)水利行業(yè)管理要求，攝像機應具有高倍變焦功能，清晰度要達到 130 萬像素以上，能夠?qū)F(xiàn)場幾十至 300 多 m 范圍的圖像清晰地采集和傳輸，同時具有紅外成像功能。支持全天侯（24 h）監(jiān)控，夜間自動彩轉(zhuǎn)黑，并自動開啟紅外燈照射；云臺由精密步進電機驅(qū)動，運行平穩(wěn)，反應靈敏；360° 旋轉(zhuǎn)角度，水平旋轉(zhuǎn)速度達到 12°/s；具有斷電記憶恢復功能；具有至少 64 個預置位任意存貯；支持 2 點之間左右掃描；支持 360° 掃描；支持看守位功能。

4）智能視頻處理模塊。完成對采集的視頻圖像的智能分析，并完成與中心監(jiān)控端的交互。野外環(huán)境條件比較惡劣，系統(tǒng)應具有高穩(wěn)定性、可靠性和安全性，系統(tǒng)采用嵌入式工業(yè)控制計算機作為分析設備，并配以智能分析軟件。

系統(tǒng)采用的嵌入式工控機的處理器、內(nèi)存、磁盤等技術指標應符合以下要求：處理器為雙核結(jié)構，主頻 ≥1.6 GHz，內(nèi)存 ≥ 2 GB，磁盤空間≥300 GB；具備看門狗；至少 2 個 RJ45 網(wǎng)絡接口；至少 2 個 USB 接口；至少 2 個串口；應用環(huán)境溫度設計為 -10～60℃；能抗沖擊和震動；電源采用DC 220V；在出現(xiàn)斷電、死機、電源波動等情況時，具有自動恢復功能；整機質(zhì)量＜4.5 kg；可靠性指標滿足 MTBF≥30000 h。

智能分析軟件對視頻采集模塊采集到的視頻圖像進行分析，主要完成以下功能：

a）圖像增強功能。對低質(zhì)量圖像進行增強處理，改善圖像視覺效果。

b）智能監(jiān)控分析功能。包括穿越警戒線檢測、進入離開入侵區(qū)域檢測、重要水利設施搬移、視頻異常檢測等功能。

c）水利視頻專業(yè)分析功能。包括水位監(jiān)測、水面漂浮物觀測、流速監(jiān)測、含沙量與水色和天氣分析等功能。

d）視頻錄像存儲與告警功能。可對實時視頻信息進行自動連續(xù)錄像存儲，或根據(jù)設定的事件、時間、地點等條件進行存儲。支持對視頻信號異常（如移動偵測、遮擋、強光照射、模糊等）和智能視頻分析等告警信息的處理，同時在系統(tǒng)中存儲告警信息，并向中心轉(zhuǎn)發(fā)。支持告警信息自動觸發(fā)對視頻信息的記錄。

e）與中心平臺通信功能。支持控制信息、分析結(jié)果與告警信息的實時傳輸，支持視頻錄像的遠程回放，支持遠程系統(tǒng)參數(shù)設置。

1.2.2 中心部分設計

中心部分由智能視頻圖像分析平臺軟件與運行環(huán)境 2 部分組成，實現(xiàn)設備、用戶、視頻信息的管理功能。軟件主要由以下 3 部分構成：

1）管理服務模塊。實現(xiàn)對系統(tǒng)前端部分的設備信息、工作狀況集中管理，能夠設置前端設備的相關參數(shù)，完成前端分析、告警及截圖錄像等信息的記錄和查詢，通過數(shù)據(jù)庫完成對設備檔案、賬戶權限及運行參數(shù)的管理。

2）視頻播放模塊。能夠根據(jù)管理服務模塊的信息連接前端設備，獲取前端視頻采集模塊的流媒體數(shù)據(jù)并進行實時播放，支持單畫面（包括全屏）和多畫面模式的切換瀏覽，能夠遠程對前端攝像機云臺進行控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對前端部分傳回的視頻圖像的播放。

3）視頻圖像處理模塊。針對視頻播放模塊中獲取的視頻圖像，進行實時的圖像增強；對霧天、低照度、夜晚等圖像的效果進行改善；能夠手動完成遠程圖像抓取、視頻錄??；根據(jù)設定的條件對前端實時視頻信息進行自動連續(xù)存儲。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖 2 所示，在前端監(jiān)控部分，供電模塊為其它幾個模塊供電，視頻采集模塊通過網(wǎng)絡數(shù)字攝像機捕獲監(jiān)視點處的視頻圖像，并將數(shù)字視頻圖像傳輸給智能視頻處理模塊，智能視頻處理模塊對傳輸進來的視頻圖像進行存儲并進行相關圖像處理，獲取監(jiān)視水資源點的水位、水色、天氣、水流速度等相關信息，對水利設備損壞、移動、區(qū)域非法進入等進行實時監(jiān)控，對違規(guī)情況進行告警、自動截圖和錄像，通過無線通信模塊，將智能視頻處理模塊的水位等分析數(shù)據(jù)、告警信息及截圖和錄像傳輸回中心監(jiān)控部分，中心監(jiān)控部分在接收到前端傳回的數(shù)據(jù)后，通過管理服務模塊進行管理。由于視頻數(shù)據(jù)量較大，2 個監(jiān)控部分只進行相關數(shù)據(jù)的交互，但在前端出現(xiàn)告警信息，水位和水色出現(xiàn)異常，以及處于特殊管理時期時，中心部分的視頻播放模塊可以通過無線通信模塊與前端的視頻采集模塊進行遠程連接，前端的視頻采集模塊將數(shù)字視頻圖像傳回中心顯示，并根據(jù)需要對視頻圖像進行存儲，通過中心的視頻圖像處理模塊對傳回的視頻圖像進行相關圖像處理。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

2.2 前端智能視頻處理模塊原理

智能視頻處理模塊是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，完成對視頻圖像的智能分析，并將結(jié)果傳回中心監(jiān)控端，既能實現(xiàn)長時間實時監(jiān)控的目的，又能避免長時間傳視頻帶來的高額通信費用，工作流程如圖 3 所示。

對于獲取的視頻圖像，首先根據(jù)條件判斷是否需要對視頻圖像進行增強，可采用直方圖均衡、Retinex 算法[7]、ACE 算法[8]等非物理模型方法對視頻圖像進行增強；然后，智能視頻處理模塊根據(jù)設定的場景規(guī)則對圖像進行處理。根據(jù)圖像中水體和岸上區(qū)域紋理的差異，分析出水岸分界線[9]，采用虛擬水尺的方式，將圖像水位轉(zhuǎn)換為實際的海拔高度[10]；對水體區(qū)域采用聚類、訓練的方式，自動判斷水體顏色[11]；采用對多幀圖像清晰度、紋理等特征的分析，判斷監(jiān)控點處的天氣情況；采用大尺度粒子圖像測速的原理[12]，結(jié)合攝像機標定的方式測出水流速度。并通過水位、水色等信息和相應的水文水資源數(shù)據(jù)（含沙量、水質(zhì)、流量等）的關系與數(shù)學模型，分析水文相關參數(shù)。此外，處理模塊還采用高斯[13]、碼書等背景模型結(jié)合其他圖像處理的方式檢測出視頻圖像中的運動目標，對運動目標進行特征提取并分類，采用模版匹配等跟蹤算法實現(xiàn)對感興趣的目標的跟蹤，對設定的圖像告警規(guī)則與目標的軌跡進行判定，完成告警判斷并根據(jù)設定條件實現(xiàn)錄像、截圖。對于智能視頻處理模塊分析獲得的實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡向中心傳輸，用于水資源管理決策。

圖3 智能視頻處理模塊工作流程圖

3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用

水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在重慶水資源管理系統(tǒng)中進行了實際應用。根據(jù)重慶水資源管理設計要求和水文水資源站點的實際情況，選擇了武隆縣山虎關水庫、北碚區(qū)北碚水文站、酉陽龍?zhí)豆┧尽⑽渎】h武隆水文站、綦江區(qū)綦江水文站 5 個監(jiān)控點進行試點。監(jiān)控系統(tǒng)按照設計內(nèi)容實施安裝，完成后進行實際的運行。圖 4 中 4 幅圖像展示了前端監(jiān)控部分系統(tǒng)部分監(jiān)控功能的檢測效果圖，圖 5 展示了中心監(jiān)控部分軟件運行效果圖，系統(tǒng)檢測精度較高，運行效果較好。

實際運行時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的長時間運行，水位檢測準確率達到 90% 以上，水色、天氣檢測達到 85% 以上，行為分析、異常檢測等系統(tǒng)功能精度較高。實際運行表明，本系統(tǒng)能夠較好地完成對水資源點的智能監(jiān)控，供電和通信也能夠達到設計要求。系統(tǒng)監(jiān)控信息豐富，分析結(jié)果較為準確，對水資源的管理能夠起到較大的促進作用，對水資源管理科學決策具有極大的參考價值。

4 結(jié)語

通過實際運行，水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對傳統(tǒng)水資源管理難以做到的長時間地、穩(wěn)定地實時監(jiān)控具有極大的改善作用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)較為準確，能夠為水資源管理、防汛抗旱等水利業(yè)務提供較大的技術支撐。

圖4 前端監(jiān)控部分檢測效果圖

圖5 中心監(jiān)控部分軟件運行效果圖

系統(tǒng)采用太陽能供電模塊時，部分點會受到天氣的影響。實際運行時，部分點處的 3G 網(wǎng)絡有一些波動，會對數(shù)據(jù)的傳輸造成干擾，造成處理上的延遲，在這些方面還有待進一步的改進。

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