基于4G物联网卡的黄墩湖滞洪区远程视频监控系统应用探讨

吕鸿燕 祁德丽 蒋 雯 韩 宁 钱 杭

黄墩湖滞洪区属于沂沭泗河流域邳苍片区。由于黄河南侵淤塞河道，水系遭到极大破坏，致使该地区水旱灾害频繁。黄墩湖滞洪区地处徐州、宿迁两市边界,其范围包括中运河以西、房亭河以南、废黄河以北、徐洪河以东区域，面积约230km2；南面骆马湖南侧的三角地带，面积约30km2。滞洪区内行政区划包括徐州市的邳州市、睢宁县和宿迁市的宿豫区,区内现有人口13.4万，耕地17.1万亩。滞洪区内地面高程一般在21.5m左右，最低处仅19.0m，滞洪时水位可达26.0m，有效滞洪库容11.1亿m3。如预报骆马湖水位超过26.0m，当骆马湖水位达到25.5m时，启用黄墩湖滞洪区滞洪，确保宿迁大控制安全。

一、系统必要性

随着社会经济的发展，黄墩湖滞洪区内各乡镇道路交通状况大幅改善，实现了村村通。黄墩湖滞洪区撤退道路的布置是与滞洪区内村庄、人员分布、现状道路分布，以及通向滞洪区外出口分布密切相关。黄墩湖滞洪区东西向宽度约8km、南北向长度约27km。其中，安全撤退道路总网络以S250为纵向道路，布置为贯穿南北的主干道；横向以民便河为界，南北两侧各布置两条贯穿东西的主干道：横1～横4，形成一纵四横的主骨架，并与16条干道构成撤退道路的总框架，和其间59条出村庄道路（支线）相连接。从撤退线路看，S250利用率最高，撤退转移人员最多。

通过在重要撤退道路旁建立黄墩湖滞洪区远程视频监控系统，可对行滞洪人员疏散转移、行滞洪洪水淹没范围及程度等实际情况进行动态追踪侦探、视讯采集传输、视像显示存储等，为领导提供行滞洪实时视像信息，以满足调度决策指挥、指令拟定发布等需要。

二、设计思路

一般视频监控系统采用有线网络传输方式，而黄墩湖滞洪区地域宽广，前端视频监视设备分布零散且距离远，如果视频监控系统采用有线传输方式，布线投资巨大且施工困难，维护管理不便。随着网络通信技术和物联网技术的快速发展，基于4G网络的物联网应用为监控视频数据的传输、管理、分析、应用提供了条件。目前，通信运营商均推出了4G物联网卡，硬件和外观与普通SIM卡相似。4G物联网卡加载了针对智能硬件和物联网设备的专业化功能，采用专用号段，满足智能硬件和物联网行业对设备联网的管理需求，以及用户移动信息化应用需求。

4 G无线视频监控传输系统则是通过融合4G技术、视音频编解码、数字加解密、网络传等输技术，凭借无线性、移动性、便携性、高带宽、高清晰度、双向性等优点，对数字图像和声音通过多路4G无线链路进行高清处理和流畅传输，能够广泛用于有限视频监控难以部署的领域。

三、无线视频传输方式

视频信号传输需要稳定可靠，而无线视频传输最大困扰是稳定性。随着4G网络建设重点面向农村，运营商的基站已覆盖到各乡村，实现了4G网络“村村通”，解决了因滞洪区面积大、监控点分布零散带来的无线传输稳定性问题。4G无线链路通道包含上行和下行2个方向的传输通道，无线视频监控主要是在控制中心实时监控前段视频图像，需要前段监控点的图像持续不断的传送到控制中心，因此使用的是无线链路的上行通道。4G网络理论下行链路速度为100Mbps，上行为20Mbps，经现场实际测试，滞洪区域内均能接收到4G网络信号且上传速率达到5Mbps。

图1 VPDN方式接入示意图

考虑4G无线视频监视系统的信息安全性，4G物联网卡的网络传输可采用VPDN方式接入（见图1），利用L2TP或GRE隧道技术为物联网客户构建与公众互联网隔离的虚拟专用网络，实现网络数据的封包和加密并在公网上传输私有数据，达到私有网络的安全级别，组成专网，保证网络和信息安全可靠。前端无线摄像机使用物联网卡接入时，网络会自动记录物联网卡对应的硬件信息，确保无线摄像机只能访问水利专网特定的业务地址，实现无线摄像机和水利专网的业务服务器之间的数据通信。同时，非指定业务地址不能直接访问无线摄像机，能够有效地保护无线摄像机免受外部攻击，提升无线摄像机的安全性。

四、系统设计

1.系统结构

黄墩湖滞洪区远程视频监控系统可采用分层分布式实时监控、人机交互通讯、远距离编解码传输控制等技术，将前端图像记录、云台镜头遥控、无线传输、后端显示存储等多种功能融于一体，通过无线网络进行信息传输和资源共享，便于软硬件的维护、扩展和升级。

2.框架结构

黄墩湖滞洪区远程视频监控系统由前段视频采集及存储、4G物联卡网络传输、远程监控中心和太阳能供电4部分组成，监控中心和监视点通过水利防汛通信专网和无线网络组网连接，构成一个多级联网的视频监视系统。各部分主要功能如下：

（1）前端设备

前端设备作为整个视频监控系统的第一线，由摄像机、存储卡和4G物联卡组成，负责视频图像的采集、编码、传输、存储以及报警信号的采集。因前端设备主要应用于滞洪期间，设备日常具有定时休眠、定时唤醒、人工休眠、人工唤醒功能，唤醒抓拍完成后，一分钟未接收命令即自动休眠。当设备唤醒后按照预设路线和预置位（云台和镜头）进行巡航抓拍；抓拍图片具有时间+地点+预置位编号，并可以根据图片名称进行归档管理图片，采用这种方式可以节省流量费用，降低设备运行负载。图像存储采用两端存储方式，平时视频图像直接存储于前端存储卡中并保存一段时间，需要上传时与控制中心连线，将图像打包压缩传输，前端图像进行实时监控并存储。

（2）4G物联卡网络传输

通过前端4G物联网卡与控制中心核心路由组成虚拟内网，以中国电信4G组网为例，方式如下：①前端无线摄像机设置好水利专网专用APN即“接入点名称”。前端无线摄像机向网络发起附着请求，携带VPDN APN信息。②前端无线摄像机通过eHPRD网络接入到HSGW，在完成了接入鉴权后，HSGW将会向PGW发起绑定更新请求，并携带前端无线摄像机的APN、手机号码等信息。③PGW发现前端无线摄像机使用的是特殊的VPDN专用APN，将前端无线摄像机信息（APN、账号、密码、MDN）封装成radius报文并向VPDN AAA发起一次认证（水利专网有一个公共的账号密码）。④VPDN AAA根据认证请求中APN信息以及MDN，对应到具体的隧道信息，并在认证响应报文中携带LNS地址和密钥。⑤PGW与LNS设备通过CN2专网建立隧道连接。PGW与LNS通信过程中，会将用户IMSI和MDN号码，以及共用的用户名和密码发送给前端无线摄像机LNS。⑥前端无线摄像机侧LNS接收到PGW转发的用户名和密码后，将相关信息（拨号帐号、密码、MDN)发送给二次认证AAA进行认证。二次认证AAA负责对前端无线摄像机手机号码和账号进行校验，控制合法用户接入。此外，二次认证AAA可以实现基于前端无线摄像机账号或者号码分配固定IP地址等功能。⑦隧道建立成功，用户连入内网。

（3）远程监控中心

控制中心是整个系统的“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心，完成对所有设备的控制、管理、检测及权限的分配。控制中心设备由视频管理平台软件及服务器、VPDN路由服务器、中心交换机、视频监控工作站和LED拼接屏组成。

远程监控中心核心视频管理平台的重要功能：视频管理平台采用C/S与B/S混合体系结构，功能包括通过客户端和浏览器可以实时掌握现场的一切情况，可对任一摄像机进行控制，并对摄像机的预置位和巡航进行设置控制；可实现多级平台级联，上级平台能够对下级平台及所辖监控点进行管理，能够调阅所有录像；对监控视频进行实时存储，记录报警前后的现场情况，通过网络调用回放录；支持对前段设备进行集中的管理和控制；支持对分布在各区域的存储终端设备进行远程的集中管理；支持在一台客户端上就可以对整网设备进行批量配置下发、远程升级、远程操作、业务实现等操作；能够实现智能主动监控，具备视频质量诊断。

视频管理平台还可以同步集成视频网管系统、地理信息系统、物联可视化系统等，集中呈现综合应用功能。

（4）太阳能

由于监控点安装位置较偏僻，加之滞洪时无法取得未定的供电电源，因此采用太阳能的供电方式为前端摄像机供电。供电部分由单晶硅太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、智能控制器等设备组成，保证在夜间和阴雨天无阳光时，设备也能正常运行3～5天。

五、结语

黄墩湖滞洪区建立远程视频监控系统，利用4G网络进行视频图像传输，通过VPDN接入方式，不仅解决了有限传输无法实现的难题，而且系统具有高安全性、高稳定性、高清晰度的传输效果。4G物联卡的使用则实现了摄像机群的“实时管理”“实时控制”，共享设备流量使流量使用最大化。但无线视频监控系统作为单种设备系统，如何更好地使其与广播、电子屏等其他预警设备间的联动预警，将是充分发挥多种设备预警功效的一个方向