水电站远程网络视频监控系统

摘 要：本文概述了水电站中远程网络视频监控系统的总体构成、功能及主要设备的选配，分析了远程网络视频监控系统的特点，总结了先进的远程视频监控技术对水电站自动化监控系统的重要意义。

　　关键词：网络视频监控 远程传输 网络视频服务器 图像质量

　　1、引言

　　在水利水电领域，水电厂是一种生产型的企业，电厂的一切设备都是服务于生产。视频监控系统也一样，其主要的目标也在于辅助安全生产，其目标是监视电厂各设备的运行状态，以减轻现场人员的劳动量和劳动强度，及时发现各种危险状况，制止事故的发生，且随着我国许多水电站及变电站实现了“无人值班、少人值守”的运行管理模式，在较少运行人员的情况下，为有效地保障电站安全可靠的运行，运行管理人员借助计算机监控系统进行水利水电工程内设备监视控制的同时能够观看远方稳定而且清晰的现场图像信息的愿望更为迫切。但是，水利电力行业视频监控系统一般运行在低温、潮湿、风尘大、强电磁场干扰恶劣的环境条件下，且水电站具有地域分布较宽、运行设备较多等特点，从而对组建的视频监控系统要求较高。建立一个能够长期可靠稳定运行、能够远程转送清晰的图像且操作又十分便捷的视频监控系统就显得十分重要。

　　根据水电站的实际情况，建立一个水电站视频监控系统的总体功能要求如下：

　　“无人值班、少人值守”的运行管理模式，要求设备能适应环境的变化，能高效、长期、可靠和稳定运行；

　　能实现高质量、高稳定性视频图像的采集；

　　可实现高质量视频图像远距离传输；

　　无须特殊软件支持即可实现远程浏览视频信息；

　　可实现远程图片存储；

　　具有远程控制功能；

　　可实现报警联动；

　　可随意扩充监控终端；

　　与安防系统及消防系统可实现联动，从而提高值守人员和设备的安全性和便利性；

　　系统的管理采用分级权限，不同的人员具有不同的使用权限。

　　根据以上特点，选用远程网络视频监控系统，它将系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转为数字状态，彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，从根本上改变视频监控系统信息采集、数据处理、传输与转储、系统控制等过程的方式和结构形式。它是采用了以网络为传输媒介，基于TCP/IP协议，以计算机技术为核心的数字视频图像监视系统。其特点是现场摄像机的模拟视频信号及控制信号在现场即被转换为数字信号发送、接收、控制、存储与显示，是“全数字且网络化”的系统，其它安防系统或信息管理子系统间可以实现完全的无缝集成，在统一的操作平台上管理和控制，从而使监控系统的概念在广度和深度上得到极大的延伸。

　　2、系统总体构成

　　远程网络视频监控系统主要是根据现场需要放置摄像机，监视环境、人员工作及设备运行情况，尤其对环境恶劣的工作区域、水闸区域设备和人员设置监视点提供24小时不间断监视。

　　系统主要由四部分组成，监控中心，通信线路，采集前端及防雷部分。

　　2.1 监控中心

　　监控中心硬件设备主要由矩阵控制主机、电脑监视器、控制键盘、电视墙、打印机及UPS电源构成，软件采用专用软件，进行整个系统的指挥、调度、授权、集中录像、图像查询、检索以及分控用户授权分组、分区监控及图像历史资料调看等系统管理方面的高级功能。

　　2.2 通信线路

　　通信线路主要由视频线、双绞线、光纤、通讯线、网线及视频光端机构成。主要是对采集到的视频图像信息进行传输。

　　2.3 采集前端

　　采集前端主要由网络摄像机、网络高速球、网络视频服务器、摄像机、球形摄像机、高速球形摄像机构成。主要是采集现场的视频图像信息。

　　2.4 防雷

　　防雷部分主要由同轴防雷器、通讯防雷器、电源防雷器、隔离器及避雷针等构成。主要是保护人员及设备安全。

　　3、系统总体功能

　　3.1系统设置

　　（1）计划、即时录像路径设置，计划、即时录像设置；

　　（2）报警录像路径设置，报警录像设置；

　　（3）登陆密码更改；

　　（4）录像硬盘空间检测；

　　（5）报警声响音乐设置；

　　（6）同时接收多个检索放像请求；

　　（7）选定监控点图像进行录像（录像帧速率可调，为1～25帧/秒），可同时实现多路视频的

　　录像功能；

　　（8）可进行准确的放像，即可选择任一路视频放像，并可选择放像的起始时间和结束时间；

　　3.2 用户设置

　　（1）可加入、编辑和删除用户；

　　（2）可进行权限分配，系统管理员级，可设置预置点，设置巡航点，设置自动扫描时左右边

　　界，对所看到的监控点进行控制。操作员级，可召回预置点，启动巡航功能、自动扫描功能，能对所看到的监控点进行控制。浏览用户级，可召回预置点，启动巡航功能、自动扫描功能，但对所看到的监控点不能进行控制；

　　3.3 电子地图设置

　　（1）可设置、编辑、删除区域及系统地图；

　　（2）增加监控点的同时，在系统地图上生成监控点图标；

　　（3）双击图标可显示相应的监控点，鼠标移到图标上可显示相应监控点的名称；

　　（4）可放大、缩小和移动电子地图；

　　3.4 电视墙显示

　　（1）选定的监控点在选定的监视器上显示；

　　（2）支持在一个监视器上轮巡多个监控点图像，每一个监控点图像停留时间任选（0～255）；

　　（3）控制某个监控点时监视器作相应控制动作；

　　3.5 浏览与控制

　　（1）界面启动，系统自动加载用户所拥有的所有监控点，右端监控点名称栏中即显示所有监

　　控点信息，选择其中1路即可在视频显示窗体中取得其图像信号，对所显示的图像可以通过界面控制按钮进行控制，同样可以通过键盘进行控制；

　　（2）用户选择4、6、9、10、13、16六种显示方式；

　　（3）可将所有的图像信息进行分组，可以组的方式显示图像信息，如选定组的图像信息多于

　　显示的方式时，系统会自动弹出每一屏希望停留的时间，可设定分屏显示；

　　（4）在分屏显示时，可放大任意一路图像信号；

　　（5）根据用户的设置方式，“自动序列”屏幕提供输入图像尺寸的序列变化及自动变化；

　　（6）通过设置报警，系统可在特定时间向注册的电子邮件地址传送图像；

　　（7）可方便地远程控制“上下/左右/变焦/聚焦”；

　　（8）自动终端电阻的功能可以自动消除视频环路所连接的75Ω终端电阻；

　　4、主要设备的选配

　　水电站作为工业环境，环境因素比较复杂，在设备的选配和传输方面，都要充分考虑水电站的环境特点，从而保证整个系统的效果。

　　4.1 前端采集设备

　　网络监控前端设备通常放置在监控现场或邻近现场的设备间，负责完成图像的采集、编码、传输以及云镜控制等工作，监控前端担负着视频监控系统的数据采集和控制命令的执行部分，是整个系统重要的组成部分之一，这里主要是选用了网络摄像机和特殊模拟摄像机。

　　网络摄像机主要包括网络摄像枪、网络高速球形机及网络视频服务器，特殊模拟摄像机主要包括低照度摄像枪、低照度球形机及高速球形机。

　　网络摄像枪和网络高速球形机是传统模拟摄像机与网络技术相结合的新一代摄像机，区别于传统摄像机，它是一种可直接接入网络的数字化摄像机，集成了视频压缩、嵌入式系统、计算机及网络等先进IT技术，它无需计算机的协助便可独立工作，且拥有自己的IP地址，支持多种网络通信协议，局域网以及Internet上的用户使用标准网络浏览器即可根据独有的IP地址对网络摄像机进行访问，观看通过网络传输的实时图像，还可对镜头、云台进行控制，达到对目标进行全方位监控的目的。

　　网络摄像机在使用上要受到本身镜头与机身功能的限制，而网络视频服务器能弥补网络摄像机的这些缺点，从某种角度上说，网络视频服务器可以看作是不带镜头的网络摄像机，它包括一个或多个模拟视频输入口、影像转换和压缩芯片，嵌入式的操作系统以及以太网口。它的功能就是把模拟视频信号数字化，然后以数字信号模式直接传输，将数字影像资料在网络上加以传输，从而成功将模拟摄像机转化成网络摄像机，使用户无论在任何地方、任意联网的计算机上，通过网络浏览器即可实时地观测影像资料。由于网络视频服务器将模拟摄像机成功地“转化”为网络摄像机，因此它也是网络监控系统与当前CCTV模拟系统进行整合的最佳途径。由此可见，视频服务器在设置上比网络摄像机更显灵活，视频服务器除可以和普通的传统摄像机连接外，还可以和一些特速功能的摄像机相连，如低照度摄像机、高灵敏度的红外摄像机等。

　　对于新建系统，监控点的光线比较充足且无特殊要求的情况下可优先采用网络摄像机，在光线较暗，且又无需配用相关照明的监控点，采用低照度摄像机，对于户外摄像点，护罩要配置雨刮及散热装置，在寒冷地区，还要添加加热装置，在需要监视范围较广时，采用广角镜头，在需要快速观察大范围目标时，采用高速球形摄像机。对于改造系统，可将模拟摄像机接入网络视频服务器，从而实现从模拟监控系统到数字监控系统的转化。

　　4.2 通信传输设备

　　通常的信号传输部分是由同轴电缆、通讯电缆及电源电缆等线缆构成，但在水电站环境中的视频监控系统需要注意以下几点：

　　（1）水电厂视频监控系统的大部分线缆需要敷设在电缆沟或是电缆桥架中，与电站其它强电电缆、控制通讯电缆同时进入监控中心，故视频信号传输容易收到大电流强磁场的干扰，即在这种环境下图像会出现严重干扰条纹。

　　（2）水电站一般为梯级结构，在视频监控系统的实际应用中，一般是将调度中心与监控中心合二为一，设在某一个地理距离较为理想的水电站中作为控制中心部分，而在各级电站安装前端视频采集部分，并设置一个现场监控点对本电站进行监控，这样视频采集点的分布就会很广，有时视频采集点的单点距离可达到2～3Km.

　　由于同轴电缆传输方式属于非平衡电缆传输方式，交变磁场在同轴电缆上产生的电压信号叠加在视频信号上，会导致图像出现严重干扰条纹，即使是采用屏蔽质量好的同轴电缆也难以彻底消除干扰，在这种情况下采用非屏蔽双绞线进行传输，由于非屏蔽双绞线是平衡传输方式，能完全抵消交变磁场的共模干扰，从而保证视频图像信号的传输质量。而光纤由于是采用光信号进行传输，不受强电强磁的干扰。这样系统就采用光纤和非屏蔽双绞线两种介质构成信号传输部分。在1200米以内可采用双绞线进行传输，超过1200米则采用光纤传输，当采用多模光缆时，传输距离可达5km，当采用单模光缆时，无中继传输距离可达80km.

　　在光纤传输系统中，有一个重要的设备，就是视频光端机，它是将视频和数据信号与光信号进行相互转换的设备。视频光端机可用一条光纤即可传输1至多路视频信号和0至多路正反向数据信号。视频部分采用先进的10位编码技术，可使传输的图像质量达到广播甲级，视频制式与PAL、NTSC及SECAM制式兼容。音频采用24位编码技术，传输质量可达CD级。数据方式灵活，可以是RS232、RS422、RS485或Manchester码等数据格式，传输速率可达400kbps.

　　4.3 中心控制设备

　　矩阵控制主机是通过内置软件访问需监控的多路前端视频信号，在电脑屏幕上显示，也可经视频转换器显示到电视墙上。

　　5、系统主要特点

　　采用远程网络视频监控系统具有以下的特点：

　　5.1 先进性

　　采用MPEG-4压缩算法的设备，数字图像编码压缩是去除图像内容的相关性，并利用人眼的视觉特性，使压缩后数据量大大减少，同时尽量保持图像的视觉效果。影像压缩技术的优劣直接影响影像品质、储存资料量和传输速度，因而尤为关键。由于采用MPEG-4压缩技术的网络型产品采集的文件占用空间小，传输带宽效，可使用带宽较低的网络，如ADSL等，大大节省了网络费用，MPEG-4的最高分辨率可达720×576，接近DVD画面效果，因此对运动物体可保证良好的清晰度。

　　5.2 灵活性

　　支持基于Web方式的网络浏览功能，可灵活进行系统软件升级，避免对系统产生多大的影响。只须通过以太网即可直接实现远程监控，不但可多人同时监控多个点，无距离限制及时传输图像信息。可根据当前的应用环境，自行设定显示画面的大小、解析度、压缩比等各项图像参数。

　　5.3 保密性

　　独有的IP地址，可设置不同等级的使用权限。如需使用，使用者必须通过权限及口令的设定，方可有使用权，不同的使用者可获得的监控信息也不一样。

　　5.4 稳定性

　　系统的主要设备网络摄像机及网络视频服务器均为嵌入式系统，是在嵌入式实时操作系统基础上构建Web服务器，同时通过内置的高效压缩芯片对采集到的模拟视频信号进行数字化压缩，并打包成帧，通过内部总线传送到Web服务器上，其稳定性大大高于DVR及同类的CCTV设备。

　　5.5 完善性

　　可实现联动报警，包括周边防护、数据采集、灯光控制等，可根据需要设定，当警报触发前后时联动录像，便于事后检索查看。

　　5.6 扩展性

　　灵活的组网方式，方便监控点数量的增加。

　　5.7 低成本

　　通过以太网便可直接将网络摄像机接入系统，已有系统改造时的模拟摄像机通过网络视频服务器也可直接接入系统，实现了即插即用功能，无距离限制，免去了复杂的网络配置和布线工作，大大减少了工程及安装成本，特别适合于突发性事件。

　　6、结束语

　　远程网络视频监控系统在水电站的应用，可辅助安全生产，降低生产管理成本，提高工作效率，并可纳入电厂SIS、MIS信息管理平台，成为集中管理必不可少的一部分。

　　参考文献：

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　　John Enck & Mel Beckman.局域及广域互联网络设计基础 电子工业出版社。

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　　[4] 黄孝建，门爱东，杨波。数字图像通信。北京：人民邮电出版社，1998