无线图像监控系统在沈阳市防汛工作中的应用

王 涛

(沈阳市水利信息中心，辽宁 沈阳 110015)

运行管理

无线图像监控系统在沈阳市防汛工作中的应用

王 涛

(沈阳市水利信息中心，辽宁 沈阳 110015)

为更好地治理洪涝灾害，提高防洪工程管理水平，2011年沈阳市启动了水利无线图像监控系统非工程措施建设项目。该项目作为沈阳市防汛非工程措施与工程措施相结合的范例，在设计上采用前端监测站-中心控制站的架构形式，通过无线网络进行远距离图像传输与控制，具有极高的可操作性和现实意义。本文对该系统的设计原理进行了研究，并对其在防汛工作中的应用进行了总结，最后提出了可进一步提高系统功能的建设性意见，同时对系统的美好前景进行了展望。

沈阳防汛；无线图像监控；应用

1 背 景

沈阳市属于辽河流域。境内共有大、中、小型河流26条，河流总长1461km，是我国重点防汛城市之一。近年来，国家加大了对水利建设资金的投入，防洪工程建设标准有了显著的提高，但是仅通过修建工程措施彻底根治洪涝灾害，从经济效益的合理性和兴建工程的可行性来说，是不现实的。因此，沈阳市提出把非工程措施作为整个防洪体系的重要组成部分，执行工程措施和非工程措施相结合的方针，提高防洪效益，减少洪灾损失。为更好地解决防洪工程后期监管问题，2011年沈阳市启动了水利无线图像监控系统非工程措施建设项目，该系统实现了对主要河流及中小型水库信息的采集和监控工作，成为沈阳市防汛非工程措施与工程措施完美结合的实例，迈出了沈阳市从传统防汛向现代防汛转变的坚实一步。

2 系统概述

水利无线图像监控系统非工程措施建设项目共实施两期，在主要河流及中小型水库共建设图像监控站41处，其中，主要河流8处，中型水库10处，小(1) 型水库11处，小(2)型水库12处。项目在立项前，经过周密需求分析和调查研究，对系统的社会性、经济性、效用性进行了科学论证，最终采用前端监测站-中心控制站的架构设计形式。系统前端设有监测站，将监控图像按照预置位进行截频，将截取好的图像通过3G网络传输至中心控制站。图像接收控制软件可提前对前端图像回传时间、点位、次数等信息进行任务布置，也可临时下达抓拍、开机、关机等任务进行远程遥控，最终完成对前端图像信息的接收。图像转换软件将接收的图像名称进行重新编码，形成数据库能够识别的规范文件存放在图像监测服务器中，用户通过系统展示平台对图像数据进行查询、检索、下载、自动播放、远程抓拍等操作，方便防汛人员日常管理工作，为领导指挥、调度、决策等提供强有力的信息保障。

该系统的成功研发弥补了传统有线视频监测系统安设站点条件高、传输线路搭建困难、运行和维护费用偏高的不足，通过对前端视频流的截频，产生一帧图像，利用无线通信链路传输至中心控制站，实现对主要河流重点区域、重要节点的监控，对中小型水库水位、坝体、泄洪、人员疏散等情况的整体掌控，起到“千里眼”的作用，从而整体提高防汛决策的有效性和可靠性，在系统设计方法中具有极高的先进性和创新性。系统拓扑图见图1。

图1 系统拓扑图

3 前端监测站设计

3.1 监测站选址设计

针对实际工作需求对监测站进行选址设计。一是将监测站安置在河流险段、桥涵、钢板闸等水工建筑物及重点泄洪区域附近，摄像头朝向观测方向，实行重点监测；二是将监测站安置在中小型水库的溢洪道附近，对库区水面、大坝、溢洪道、水尺等进行多点遥测。

3.2 前端监测系统设计

前端监控系统由防雷接地单元、太阳能供电单元、多预置位拍照单元、中央控制单元、短信控制单元、无线传输单元及以太网交换机组成(见图2)，主要实现前端视频截取、回传功能。

图2 前端监控站系统原理

基本设计思路：首先,用C语言对前端摄像头SDK开发包中提供的预置位配置、截取视频流图像等控制功能进行编写，通过GCC交叉编译工具链进行编译，将编译后的程序经过打包形成固件，最后将固件烧写至中央控制单元ARM开发板的Nand-flash存储器中，实现中央控制单元对摄像头的连接和控制。其次，短信控制器需由厂家按照要求进行定制开发，能够识别中心控制站发来的短信代码，实现启动唤醒开机功能。当控制中心发出拍照短信后，短信控制模块接收远程控制指令，识别信息正确后唤醒前端电源供电控制器进行供电，启动监控系统设备进行工作，中央控制单元截取摄像头预置位预览流中的一帧图像，通过3G网络将图像回传至中心控制站。

3.2.1 防雷接地单元

避雷接地单元由接地杆体、避雷针及防雷模块组成。

防雷模块采用LTP-TV2/N(220V)电源加网络二合一避雷器，专门用于网络、通信、光缆、广播、电视、监控、视频等信号设备的雷电保护设备，起到系统防雷、避雷的作用。

3.2.2 太阳能供电单元

太阳能供电单元由太阳能板、太阳能充电控制器、大容量胶体蓄电池和精密稳压电源组成。

太阳能充电控制器采用高效率PWM充电模式技术、共正模块控制方式，可实现两路太阳能电池方阵输入控制。具有数字化设计、模块结构，保证运行稳定可靠。具有太阳能电池阵列反馈保护、夜间防反充、光伏过充电流保护功能。通过该控制器可对太阳能板给蓄电池的充电电流进行控制，并对蓄电池的放电状态进行监测，以保证整个系统的供电平稳可靠。

选用110V、220V自适应高精密稳压电源，对系统的供电进行稳压及净化，保证所有设备正常运行。

3.2.3 多预置位拍照单元

多预置位拍照单元选用高清网络智能球型摄像机，该摄像机有效像素132 万，预置点数256个，巡航扫描8条, 每条可添加32个预置点，花样扫描4条, 每条路径记录时间至少10min，支持断电记忆功能。具有10M/100M网络接口，最大图像尺寸可达1280×720像素。该拍照单元的选择，能保证监控图像拍摄清晰，点位准确，数据传输流畅。

3.2.4 中央控制单元

中央控制单元选用DSP控制主机，采用高性能数字媒体处理器，板上集成128MB DDR2内存，系统内置2GB miniSD卡作为内置存储，支持一个USB 2.0接口。DSP控制模块可对嵌入式ARM板进行编程开发，将系统相关设备的连接、控制、应用及数据传输通过编译器写入存储芯片中，实现整个系统的功能控制及管理。DSP控制主机通过对高清摄像机的精确控制对监测区域进行视频流截取，通过管理3G路由器，利用移动3G网络将图像数据上传至中心控制站。

3.2.5 短信控制单元

短信控制单元由短信控制器和电源供电控制器组成。

短信控制器采用工业级应用设计，针对系统需要定制开发，通过手机短信，远程控制系统的工作状态。通过接收中心站特定内容的短信，信息识别正确后，执行中心站指令，控制电源供电控制器。

电源供电控制器通过接收短信控制器发来的控制信号，实现对整个系统设备的电源供电或断电管理。

3.2.6 无线传输单元

无线传输单元选用专业级3G无线路由器，工作时自动检测网络状态，并根据网速状况实时调整上传数据的发包速率，防止上传数据中出现丢包及堵塞现象。与控制中心通信时遇到数据出错，支持断点续传及重新传送功能，确保监测数据全部准确无误上传到中心控制站。

3.2.7 以太网交换机

以太网交换机连接高清摄像头、防雷模块、DSP控制器和3G路由器，实现多设备的数据交换功能。

4 中心控制站设计

中心控制站设在沈阳市水利局2楼中心机房，主要由图像接收控制软件、图片转换软件、系统展示平台、短信猫、图像监测服务器等相关软硬件组成，负责布置拍照任务和接收前端监控站传回的监控信息，将其转换存储，最终实现用户与系统展示平台进行人机交互等功能。

4.1 图像接收控制软件

图像接收控制软件由C++语言开发，将前端监测站名称用阿拉伯序号命名，在配置文件中将序号与前端监测站短信控制器中的SIM卡号码关联，在后台用二进制编写短信控制器可以识别的指令代码，用于远程控制监测站设备。在软件中设计拍照任务功能，可对拍照点位(前端监测站名称)、拍照时间、回传间隔时间等信息进行配置，实现对前端监测设备定时、自动回传图像等功能。设计抓拍任务功能，选择抓拍点位启动中心站短信猫将指令快速传递到前端监测站，实现实时拍照回传功能。图像回传采用FTP数据传输方式，需要在图像监测服务器中添加FTP服务功能，创建FTP目录，配置FTP权限等操作。运行图像接收控制软件后，在软件界面左侧菜单中罗列出监控系统的所有点位及实时运行情况，右侧平台显示前端监测站返回的图像文件及文件的具体信息，包括时间、设备、序号、文件名和历史操作等，最下方设置了软件执行按键，包括开始抓拍、终止抓拍、计划任务、参数配置、关闭程序等。

4.2 图像转换软件

图像转换软件为乾坤大挪移，主要实现服务器间的文件导出导入功能。在使用前需确保导出目录和导入目录真实存在，局域网已经连接，导入服务器的根路径为共享目录，导出服务器用户要有导入服务器的文件增删改的权限。该软件为绿色软件，无需安装，只需对乾坤大挪移文件夹里的个别文件进行提前配置，然后运行即可自动工作。

4.3 短信猫

短信猫选用GPRS MODEM F1103，提供标准RS232接口，可直接连接串口设备，提供功能强大的拨号软件，保证终端永远在线，支持标准AT命令，支持发送中英文短信，支持APN/VPDN接口技术，支持CSD、短信和拨号上网功能。将SIM卡提前插入到GSM Modem设备中，工作时通过本身的配置软件进行拨号连接,以实现与前端监控站DSP控制器进行指令传输。

4.4 监测服务器

选用配置合理、运行稳定的服务器作为监测服务器，负责安装图像接收控制软件、图像转换软件，通过COM口连接短信猫。

4.5 系统展示平台

系统展示平台集成在沈阳市水利局信息综合平台中，信息综合平台是由JSP开发的Web应用平台，该平台是沈阳市水利信息系统的统一展示平台，平台中集成了多系统展示接口，在平台中开发视频监控接口与图像接收控制软件的HTTP接口连接，在展示平台中用JAVA语言编写前台展示功能，利用HTTP命令调取图像控制软件中的相关内容，实现系统用户端的浏览和控制功能。

在进入系统前，将监控站的点位通过经纬坐标录进信息综合平台中，系统管理员可对平台用户进行权限设置。授权的网络用户可通过浏览器登陆信息综合平台，进入视频监控界面，进行系统操作。在地图中，通过不同颜色标示，直观显示所有监测站的名称和位置关系，红色标示为以前建设的有线视频监控站，蓝色标示为2011年后建设的无线图像监控站(见图3)。点击监测站名称后进入系统展示平台。

5 应用效果

以任家窝堡水库为例，在界面中点击任家窝堡水库，进入任家窝堡水库无线监控系统展示页面(见图4)，页面中央显示了水库定时回传的图像，分别是水库全景、大坝、溢洪道和水尺照片。照片上方标明了水库名称、类型及拍摄时间，在实际应用中通常设置定时拍照时间为上午10时和下午3时，即每天两组照片展现在平台界面中。点击照片右侧箭头可对近期回传的图片进行回放，点击播放按键可对图片信息进行自动浏览，如需改变播放速度，可在播放速度下拉栏中选择间隔时间。用户可在检索功能中设置开始时间和结束时间查询自己所需要的图片，如需了解监控现场实时情况，可点击抓拍按键，系统将发送抓拍信号唤醒前端监控设备进行抓拍操作，根据网络实际情况，将抓拍好的照片在5～10min内显示在信息综合平台中，为领导了解前端最新的水情、工情信息，提供准确的决策依据。

6 系统升级建议

随着科技发展、信息技术不断进步，沈阳市水利无线监控系统还有一些可以提高完善的地方，具体如下：

a. 4G网络已经在全国大部分地区实现覆盖，数据传输速度是3G网络的5～7倍，开发人员可考虑更换前端监控站3G路由器设备为4G路由器，将数据传输网络从3G网络升级为4G网络。预想升级后的无线监控系统将极大提高数据传输速度，缩短数据传输时间，为防汛人员和领导决策提供更快捷、更准确的信息服务。

图3 监控站位置分布

图4 系统展示平台界面

b. 在系统中添加拍摄短视频功能，需要拍摄时点击按键，系统通过短信唤醒前端监控设备，视频摄像机按照要求拍摄短视频，保存到DSP控制器ARM板的存储设备中，通过无线网络回传至中心控制站，授权用户可在信息综合平台中播放该短片，掌握拍摄现场的实时情况，通过动态分析更好地预测、处理防汛事务。

以上两点建议，第一条容易实现且见效快，第二条对系统改动较大，需开发人员在调整系统结构的同时多研究、多测试。如能实现，完善后的无线监控系统必将推进沈阳市防汛信息化水平，提高数据采集能力，成为现代化防汛工作不可或缺的助力。

7 结 语

沈阳市水利无线监控系统通过两期建设，迄今已正式投入使用3年时间。该系统对防洪工程实施了有效监管，增强了洪涝灾害的应对能力，提供了准确的防汛决策依据，贯彻了科学防汛、建管结合的防汛方针，对沈阳市防汛工作从传统防汛转变为现代防汛具有重要的意义。

[1] 程广平.视频监控技术在水利信息化中应用[J].电脑知识与技术，2008(10)：143-144，156.

[2] 刘霞.视频监控技术在水利信息平台中的应用[J].水利信息化，2011(2)：22-25，34.

[3] 江玉才，余阳，瞿杨继，等.水资源智能视频监控系统设计[J].水利信息化,2014,120(3):55-59.

[4] 熊启龙.基于Indy控件的遥测中心GPRS数据接收软件应用[J].水利信息化,2012,110(5):49-52.

Applying of Wireless Image Monitoring System in Flood Prevention Work in Shenyang

WANG Tao

(ShenyangWaterConservancyInformationCenter,Shenyang110015,China)

In 2011, Shenyang launched non-engineering measures construction project for wireless image monitoring system to better govern flood disaster and boost management level of flood control project. As a model combining non-engineering measures and engineering measures for flood prevention in Shenyang, it adopts the structural form of front-end monitoring station-central control station in designing. It conducts long-distance image transmission and controlling via wireless network and has high operability and pragmatic significance. This article carries out study on designing principle of the system. It sums up its application to the flood prevention work and ends by proposing suggestions for further boosting the system’s functions. At the same time, it raises prospects on the beautiful prospects of the system.

flood prevention in Shenyang; wireless image monitoring; application

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.010

TV87

B

1673-8241(2017)04- 0033- 06