石佛寺水库3G视频监控系统设计与实现

贺 杨

(辽宁省石佛寺水库管理局，沈阳 110166)

1 概述

随着计算机与网络技术的不断发展，视频监控技术已被广泛地应用于各类工程事业中［1］。在水利工程管理中，视频监控系统的应用越来越广泛，并且成为水利工程综合业务管理的一部分［2］。在闸站或水库等区域，视频监控系统通过摄像头及网络将被监控现场的实时数据和图像等快速、准确、清晰地传送到视频监控中心;工作人员通过视频监控系统，能够快速、实时地了解和掌握各被监控区域的实际情况，更好地掌握大坝、水库、闸站等周围的其他活动情况，并且可以根据实际情况快速作出反应［3，4］。但由于水库管理范围广、地形复杂等原因，要全面进行网络覆盖，实现有线监控，难度很大，因此，水库需利用无线设备来进行远距离监控。

2 石佛寺水库工程概况

石佛寺水库枢纽一期工程是辽河干流上唯一一座控制性水利工程，其主要任务是解决辽河干流突出的防洪问题。坝址左岸位于沈阳市沈北新区黄家乡，右岸位于沈阳市法库县依牛堡乡，距沈阳市区约47km，坝址以上省内流域面积16.161km2。按100年一遇洪水标准设计，相应的设计洪水位为50.22m，相应的滞洪库容为1.60亿m3;按300年一遇洪水标准校核，相应的校核洪水位为50.69m，相应的总库容为1.85亿m3，工程等级为二等二级，设计防震烈度为Ⅶ度，其基本运行方式为汛期滞洪。

3 3G巡堤系统体系结构和工作原理

3.1 系统简介

水库水情及相关情况检查是水库管理的重要内容，为提高水库的工程管理自动化水平，本文设计了石佛寺水库3G视频监控系统，通过设计为水库提供一个包含前端采集设备、服务器和客户端的河道水库水情无线监控系统，使水库实现安全防卫、重点区域监测，水库水面与水岸情况的实时远端监控、水质及天气的实时监控。该智能3G视频监控系统主要包括石佛寺水库智能3G巡堤系统、电视墙系统、视频服务软件等。

3.2 系统结构

智能3G视频监控系统结构如图1所示，该系统主要包括前端视频采集与传输和终端监控中心两部分。

图1 系统拓朴结构

a.前端视频采集与传输。前端由水位检测仪、遥测终端机、无线DVS和摄像头组成。无线DVS采用宏电自主研发的H3221。遥测终端机采集水位传感器的数据，并将数据由RS232串口传输至无线DVS。而无线DVS除了具有视频编码功能外，还具有数据透明传输功能，它能把来自串口的水位信息通过EVDO网络传输到监控中心。摄像头采集并输出的视频信号经DVS编码转化成H.264后，通过EVDO网络也传输到监控中心。该系统使用的H3221最高可支持400kpbs的上行传输率，客户可根据具体需求自行调整。为节省用户费用，H3221还可以设置短信上下线或定时上下线控制。

b.监控中心包括服务器和客户端。服务器提供视频和数据的转发、设备的接入以及数据的储存等服务，同时还可以进行权限配置管理。为增加服务器的安全性、稳定性及无病毒性，服务器系统采用LINUX操作系统。为满足视频的海量存储，数据库软件采用Oracle。根据服务器的权限设置，客服端有添加、删除设备等权限。

3.3 工作原理

该无线视频监控系统从逻辑上主要包括三个部分:前端设备，即DVS、遥测终端;中心平台，即全球眼平台;客户端。系统的工作原理如图2所示。

图2 系统流程

a.DVS是指数字视频服务器。它的主要功能是通过摄像头采集视频信号，并将其压缩转化为H.264的码流，然后通过网络传输出去，该系统可采用的信道包括无线和以太网两类。其中无线通道采用3G。

b.遥测水位站。遥测水位站采用国家防总和国家水文局推荐的YCZ-2A-101型遥测终端机，广泛应用于水雨清监测系统，并通过了水利、防汛部门组织的验收。该系统可外接水位传感器、增量式 (翻斗式)雨量传感器，并且通过GSM、GPRS、PSTN等方式实现发送和接收传输功能。系统可通过服务器及远程管理与维护，通过服务器及远程登录站点进行功能设置，具体包括站址设定、掉电数据保护、定时自检发送、随时召测、数据人工置入、实时时钟校准、直观现场显示、死机自动复位及设备测试等;遥测终端系统的数据传输体制、数据报送频次等能够在现场或远程进行软件设置，且所有外部接口实现光电隔离，RTU固态存储器的容量大于4MB，存储系统能保留一年的原始水情数据;系统接受分中心管理并与该中心实现双向通信。

c.水位计。水位计推荐使用WFX-40型浮子式细井水位计。该水位计为单浮子式自收缆水位计，可应用于地下水、地表水等的水位测量;水位计工作时通过井管内一根测缆牵动浮子来跟踪水位升降变化，从而实现水位自动测量;水位计的使用条件为口径内径不小于70～150mm、埋深为10～500m范围的场所，为不影响水位计的使用，要求井管内壁必须平滑，无凹凸障碍，并且其中轴线为直线;水位计使用镀金防水航空插头座，其编码器为抗雷击型低转矩绝对值编码器，仪器性能稳定可靠，无时间、温度漂移。

d.中心平台 (全球眼平台)。监控平台服务器包括注册服务、中心管理服务、转发服务等，其作用简单概括是在前端设备与客户端之间建立联系，管理协调系统的运作，并转发视频流。编码器通过拔号连入EVDO网络后，首先通过注册，将自身的信息输入到系统，输入的信息包括该编码器是否准备就绪，是否有云台连接到该编码器。根据注册信息客户端发现前端设备，并通过视频服务器实现对前端设备的操作。

e.客户端。根据服务器分配的权限，接收来自转发服务器的视频流，并播放给用户观看。另外它还有一些辅助功能，具体是:控制云台的功能，移动侦测的设置功能，OSD的设置功能。

在用户有监控中心，如果用户需要把视频在电视墙上播放，则系统还需要电视墙服务器，将前端编码设备传输来的视频编码流进行解码，并输出信号到监视器上，实际应用中，输出的模拟信号被输入到视频矩阵中，经矩阵切换到电视墙上。电视墙服务器通过报警弹出、轮巡等功能进行集中式数字监控，并通过画面分割实现多场景同时观看。每面电视墙显示服务器可输出8路D1模拟视频或画面分割后的16个CIF。

3.4 系统在石佛寺水库的应用

为验证该系统的应用效果，石佛寺水库采用了该系统。通过调试应用，得出了如下结果:

a.3G无线手持终端可以通过客户端软件与长白主会场MCU进行通信，而MCU将视频信号输出到DLP大屏幕上，输出的图像无偏色、干扰情况，工作人员从监控系统上能清晰掌握水库水情及工作情况。

b.12路监视器拼接成电视墙系统，每路监视器显示一路远端视频监控点实时监控图像，视频信号通过重新编解码过程经光纤链路传输，显示图像清晰、色彩鲜明且无干扰情况，工作人员通过电视墙系统能随时掌握12个监控点的水库情况，并作出相应决策。

3G视频监控系统的应用给水库管理带来了方便，特别是对水库的安全监测提供了及时有效的服务，但系统的长期稳定运行与及时的维护是分不开的，因此，需要做好定期的系统维护工作，以保证系统运行稳定、数据准确。

4 系统的特色

该智能3G视频监控系统除了满足水库日常的水库水情及相关情况检查外，为方便用户使用及维护，还具有如下特色:

a.字幕叠加。图3是实际工作的视频截图，图3中右上方有各种数据，以字幕的形式叠加在视频画面上。用户在观看水库、河道视频的同时即可了解视频所在的水库名称、实时水位等信息。

图3 实时视频截图

b.多网络自动切换。前端的DVS默认情况下以EVDO网络优先，但在一些没有EVDO信号覆盖的区域，该DVS可自动切换到CDMA网络。

c.优越的扩展性能。各地水利的视频监控系统存在架构不同、设备多样、互不兼容等问题，对水利视频监控系统向流域化和网络化方向发展带来了不少问题，往往在防汛的关键时刻，由于系统的兼容问题，决策人员无法远程观看到流域各个已建监控点的实时情况。该系统中的中心平台可以将各地的监控系统纳入省级部门的统一管理之下，可以随时察看任何地区、任一地点的实时视频图像和水情信息。

d.集中管理，方便维护，节约成本和建设周期。系统采用一个中心平台，使用一台专业的视频服务器来存储视频图像，通过分发服务器传输到客户端的视频，客户无需重新采购流媒体服务器，搭建监控中心，只需一台普通PC，安装客户端登陆后即可实时观看视频。监控前端和水位采集均采用无线网络传输，避免了有线网络铺设的高额投资和很长的建设周期。

5 结论与建议

目前，在水利工程建设中视频监控系统被广泛应用并起到越来越重要的作用。水利工程中使用视频监控系统，不仅能使监控中心的值班人员可以通过视频监控系统，实时、直接地了解和掌握各个被监控现场的当前实际情况，而且整个网络内的每一台计算机都可以随时监控到各受监控现场的情况，使现场做到无人值班或少人职守，更加提高整个水利工程系统的管理水平，并且改善了值班人员的工作环境和劳动强度。石佛寺水库3G视频监控系统通过前端数据采集系统与传输系统，将水库实时情况、水位等图像与数据信息通过网络传输到监控中心及客户端。该系统的应用大大降低了水库工作人员的劳动强度，提高了水库的管理水平。但随着数字技术的发展，该系统仍存在以下不足:

a.信息传输网络问题。前端设备采集数据多为图像，视频信息传输占用网络较大，实现多线路视频传输容易发生网络堵塞，且无有线网络覆盖区域如采用CDMA传输可能速度更慢。建议增加无线网络覆盖或研究其他的信息传输途径。

b.设备供电问题。水库管理范围较广、地势复杂，设备设施易受自然灾害和人为破坏［5］，当市政供电断电情况下，该设备则无法使用，因此建议前端设备增加太阳能供电设备。

c.增加夜视功能。目前摄像系统在夜间使用或监控可能无法运行时，为对水库进行夜间巡视及水情观测，可考虑增加夜间照明设备或变更部分摄像头为红外线摄像头或微光摄像头。

［1］李燕，樊明辉.基于3G网络的无线视频监控终端设计［J］.数字技术与应用，2013(1).

［2］关明，熊婷.桥梁工程施工无线网络视频监控技术［J］.公路交通科技(应用技术版)，2009(11).

［3］张宁.视频监控前沿技术在水利行业应用探讨［J］.中国新通信，2013(22).

［4］周林虎，宋放，林长杰.视频监控联网系统关键技术及在水利工程中的应用［J］.水利水电技术，2011(7).

［5］李柯，陶青川，黄银君，桓宗圣.野外水利视频监控与分析系统设计［J］.水电能源科学，2012(3).