基于云计算的化工厂污染源高清视频监测防控系统设计*

宋 薇

(1.成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610103; 2.四川工商学院 电子信息工程学院，四川 成都 611745)

工业革命以来，环境污染开始成为社会问题[1-3].一系列类似的污染事故接连发生，造成大量人类死亡.到了20世纪，随着化学工业的强势崛起，在一些工业发达国家中发生了所谓的“世界八大公害事件”[4].八大公害事件中有5个与化学废弃物有关，因此，化学废弃物处理是环境污染管理的最优先事项.

化学废料污染不仅影响生态环境和公共卫生，还会全面阻碍经济的可持续发展[5-6].近年来，一些研究人员提出基于云计算、物联网等技术的环境监控系统.其中，文献[7]利用物联网、GIS等先进技术，将重点源企业、河流断面、放射源等纳入统一的环境监控网络中，根据城市环境应急现状，建立三级环境安全防控体系，实现对环境安全事故的有效预防、控制和处置.文献[8]提出基于云计算的港口视频监控系统，并进行了实践应用.

1 化工废气污染与监控系统

1.1 化工废气污染

化工废气是化学工厂排出的有毒气体.在化工废气中含有很多种类的污染物，具有复杂的物化性质，不同的毒性，会危害自然环境，影响人的健康.不同化工生产行业产生的化工废气成分差别很大.工业废气是大气污染和环境污染的重要组成部分，是造成我国大部分地区出现雾霾天气的主要原因之一( 化工废气排放见图1).

在2007年之前，工业技术的进步与工业废气的排放呈现正相关关系，但不显著，而环境规制对工业废气排放的抑制作用显著.但2007年之后，工业技术进步对工业废气排放的抑制作用显著，而环境规制对工业废气排放的抑制程度较弱，这与我国节能减排政策及工业技术进步的偏向性有关.近年来，尽管中国在节能和减排方面取得了显著的成就，但雾霾天气仍然频繁出现，能源供应和节能减排的压力也在逐渐增加.空气污染不仅影响环境和健康，而且阻碍了经济的可持续发展.为了实现节能和减排，许多权威机构对大气污染进行了深入研究.2011年12月，在中国环境研究中心发表了关于中国大气污染来源的第一份报告《中国大气污染来源报告》，明确了大气污染物的主要来源，中国的工业废气排放受到前所未有的关注.

1.2 高清监控系统的可行性

为了实现大规模的高清晰度监测，必须充分考虑方方面面，例如摄像机、视频信号、编码和解码视频、视频网络、视频文件等.然而，这就导致了一系列新的问题，例如：需求空间的高要求，对服务器性能的压力，以及对系统性能的要求也在提高.传统的监控架构常常在一个平台上使用大量的“穿孔”形式，从照相机到硬盘、网络硬盘、视频、数字集成平台、移动平台、数字业务平台、信息系统、信息系统和其他终端设备.在不断增加数据和改变业务场景的情况下，传统架构越来越难以满足需求.因此，如何将新技术整合到监测系统中，形成一个新的模式，逐渐成为控制行业的热门话题.

云计算的概念由谷歌最先提出，它没有明确的标准定义，云计算就是分配计算的技术[9-10]，这主要涉及到很多服务器.通过网络和计算任务，它将自动分解为这些服务器的多个小部件，并将结果返回用户，因此，可以使用云计算来监视.使用标准的服务器硬件和软件，团队提供外部监控服务于一个集群服务器.云计算的概念和方法充分利用了“云”计算能力和存储容量.

2 基于云计算高清视频监控系统设计

云计算体系结构的监控系统决定了能源的动态需求和成本.云计算利用网络应用程序进行网络监控.云计算系统的监测系统需要更多的内存和更多的容量.一般的储存方法无法满足性能及高画质的要求，因此要创建一个非常强大的云存储库.云存储库提供了类似线粒体表面积的扩张，大大提高了存储能力，并降低了存储成本，大量的视频可以存储在网上.数据可以在任何时间或任何地点通过网络进行传输，从而减少数据传输时间，也不用担心数据安全.供应商保证数据不会在传输过程中丢失.用于监控系统的体系结构的分布式架构使用一个云应用程序，支持多个层次上控制,采用模块化结构.

建立一个统一的闭路电视监控系统，将化工厂污染源录像与同一网络连接起来.该系统平台借助互联网提供系统性服务，网络服务，数据库服务，以及软件服务，如支持通信服务.与此同时，在云计算架构中，监控软件安装在化工厂污染源监控系统中.用户可以使用WEB浏览器访问整个系统应用程序的所有视频数据.本文设计的视频监控系统流程图如图2 所示.

2.1 接入系统设计

接入模块负责实现不同的异质接口设备的访问，同时提供一个统一的调用接口.外部设备主要包括：模拟、网络摄像头、硬盘、现有的平台.接入服务器模块中的内容可以共享数据流和信号流.接入模块位于中心云调度系统和一个接口设备之间.它的主要目的是类似于“翻译”，主要负责将cVideo的内部控制信息转换成一个由接口设备确定的管理信息，然后转化为平台的内部信息.接入模块主要包括：外部设备的状态监测、摄像头、界面平台等，以确保对cVideo平台的透明访问.接入模块的操作环境是一种以C语言为基础的Windows操作系统，当接入模块被发射时，它首先由中央模块进行注册.如果连续三次访问失败，登录就会认定为失败，这个程序就会从系统中消失.如果注册是成功的，它将正式进入工作状态.为了确保系统的稳定和对系统中断的响应，将不会导致直接的结束而出现不必要的问题.

接入模块将是一个消息(Socket)，用于监测和处理子进程，而父进程则是等待和监听系统中断的信息.每一个子系统都将收到从中心云调度系统发送的信息，然后处理新的子流，以确保并行工作和管理.根据外部设备的信息，有一个对应的SDK，可以访问外部设备.返回的信息被注入到平台上的信息，返回到中心端.

2.2 存储模块与处理系统

存储模块包括两个部分：客户端软件和存储服务器.存储库的客户机软件部署到服务器集群中，集中在中央服务器上，并存储在存储单元中.存储服务器为整个系统提供了一个容量巨大的存储库.中心端处理服务器和通量服务器可以访问存储库，从而实现存储、处理和视频播放.

处理系统属于中央控制中心，主要责任是分析、数据处理和结果分配.这就完成了对视频访问的所有处理任务，包括访问一些处理和检查的任务.

2.3 中心云调度系统

中心云调度系统主要负责集成和调用系统中的其他模块.用户在终端上启动请求，进入中央服务器.服务器的中央规划管理系统将相应的模块在特定的查询系统中处理.最后，处理的结果返回用户显示和观看.与此同时，中心云调度系统也为应用程序提供了统一的接口，大大改进了可伸缩性，并对其他外部平台进行对接.例如，如果用户使用实时监测功能，那么在前面的计划中，视频将被重新编码.完成之后，中央服务器返回客户浏览器管理单元的视频通量，而播放列表的内容则显示相关的视频.

中央调度模块的主要功能和任务包括实时监测、服务器状态监测、设备监测、视频控制、设备控制和用户控制.在启动了整个云的规划模块之后，它将继续监听Socket的消息，按照不同用户终端的不同要求进行适当的监测和规划，并注意到有关用户终端的集群或视频通量.将得到的一些线索记录下来，然后再进行检查.

2.4 云计算过程

云推理过程即云计算过程，其步骤为：对参数值A1,A2,…,An中的Ai进行数值云化，得到一个特定的定性概念Ti，形成了一组定性概念的参数值T1,T2,…,Tn称为云参数值，然后将其云推理的输入进行不确定推理.

3 实验测试与分析

为了验证本文提出的应用云计算架构的化工厂污染源高清视频监控系统的性能，实时采集了某工厂各个监控点的视频画面进行模拟分析.将采集得到的视频图像进行传输、储存、查询等基于本文提出的应用云计算架构视频监控系统的操作.整个测试阶段，画面清晰流畅.将两种不同监控系统运行时的计算机系统数据进行对比，结果如表1 所示.

表1计算机系统运行数据对比

Tab.1Thecomparisonofcomputersystemoperatingdata

指标监控前端数量网络速率CPU使用率内存使用率服务器响应时间常规487 Mbs73.48%9 878.25M243 ms云计算4816 Mbs12.24%1 102.63 M114 ms

从表1可以看出，在监控前端数量相同的情况下，网络速率、CPU使用率、内存使用率和服务器响应时间等指标，运用云计算架构的监控系统的性能均优于常规监控系统，验证了所设计系统的可行性.