视频监控在偏远水利工程管理的应用

杨 凯，郭振霆，杨 甜，马海铭

（海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061）

随着社会信息化程度的不断提升，水利工程、河道、航运等领域的相关信息化控制以及安全监控系统变得尤为重要。水利部部长鄂竟平2019 年1 月15 日在全国水利工作会议上表示，下一步水利工作的重心将转到“水利工程补短板、水利行业强监管”上来，这是当前和今后一个时期水利改革发展的总基调。将坚持以问题为导向，以整改为目标，以问责为抓手，从法制、体制、机制入手，建立一整套务实高效管用的监管体系，从根本上让水利行业监管“强起来”，形成水利行业齐心协力、同频共振的监管格局[1]。水利行业重点工作将转移到江河湖泊、水利工程、水资源、水土保持等重点部位的监管上来。传统的定期巡查可实现有效监管，但也存在消耗人力、财力、车辆等问题，并且无法做到全天24 h 不间断监管。偏远水利工程及重点区域河道的视频监控系统部署，可实现对汛情、险情、灾情、水污染、水土保持、船只运行状态等情况进行视频实时监控，及时发现可能出现的风险点，以采取有效预警措施保障人民生命财产安全。本文以天津市滨海新区入海河口区域为例，该区域是海河流域河流入海重要咽喉通道，地理位置十分重要，必须保护好、维护好，充分发挥其蓄水、通航保水、防潮、排涝等各项功能，通过部署智慧视频监控系统，以便更加有效地掌控管辖范围内的各种动态，保证工程设施及管理范围安全等。

1 工程基础情况分析

天津滨海新区是环渤海经济圈的中心区域，是雄安新区的海上门户。近年来，由于沿海经济不断发展，沿海区域出现很多违法码头、违章建筑侵占河道，非法盗土、取土，严重影响河道泄洪排涝[2]。而入海河口由于地域较广、地形条件较复杂，人工巡查一次需要的时间长、附属条件多，现有的人力、物力存在困难，急需在所辖范围合理布设视频监控点位，利用有效的科技手段对重点工程和堤防进行实时监控，可以及时有效发现水事违法案件，及时发现违法行为的动向，开展调查取证，弥补巡查队伍人员少、执法力量不足，可以及时发现和预防违法行为的发生，震慑和减少不法行为，预防水事矛盾发生，确保社会稳定。

2 视频监控关键点及技术难点

2.1 系统功能性

（1）安全监管自动化。解决人工观测在恶劣条件下，现场监控数据采集不及时问题。

（2）数据统一集中管理。实现跨区域视频图像的集中监控管理。

（3）专用数据传输链路。利用无线网络，实现视频图像稳定传输。

（4）系统功能可扩展。在实现视频监控基础上，可进一步拓展开发水文采集传输功能、水质监测传输功能。

2.2 技术难点

（1）点位分散、位置偏僻，监控区域无法布置光纤链路。

（2）传输距离远，视频数据高带宽，采集设备数据要求实时传输。

（3）布设监控点较为分散，视频数据存储应进行多级备份。

（4）偏远区域无法布设供电线缆，电源系统应配备太阳能供电和风力供电进行补充。

（5）环境潮湿，部分环境有盐雾，设备要具备相应防护功能。

3 视频监控设计方案

3.1 信息采集系统

信息采集系统布设在水利工程、河道、航道的重点部位，主要用于前端的视频、图像采集，由高清红外视频摄像机、云台、光纤收发器、稳压电源、支架等组成。系统对工程关键部位采用“球式+枪式”结合的采集方式，即采用球式负责拍摄全景画面、枪式负责拍摄重点部位画面相结合的方式，对关键部位进行不间断拍摄。

3.2 组网传输模式

根据传输距离和传输数据大小，在汇聚点周边5 km 范围内采用敷设光纤、供电电缆将信息汇聚到中心机房内；超过5 km 以上的采用无线组网，将信息汇聚到中心机房内；将有线汇集点、无线汇集点以及数据存储中心、显示控制等设备接入同一交换机中，形成视频系统局域网络，实现信息互传共享。无线组网方式选择“无线网桥+运营商”方式进行传输，无线网桥在每个信息采集点位布设传输天线用于发射采集信号，在中心节点布设信号接收天线完成数据的上下行传输；同时，使用运营商传输作为备份链路，当无线网桥设备出现故障或者因天气因素网络传输不稳定时，切换至运营商模式传输，确保不间断传输数据。

3.3 信息存储系统

信息存储系统采用“本地+数据中心”双重备份方式，其中图像数据存储在监控摄像机安装的大容量存储卡，定时进行图像采集，自动进行擦除；视频画面通过无线网络进行回传，在数据存储中心进行不间断保存。这样可实现信息数据的异地多重备份，确保不间断视频图像采集。前端摄像机选用200 万像素的高清红外设备，码流设置在6～8 Mbps范围内，24 h不间断录像，视频影像资料保存不少于30 d。

3.4 远端风光互补供电系统

据塘沽气象站统计，滨海新区4 月风力最强，平均风速为5.5～6.1 m/s，5 月份日照最长约262.27 h，年日照时数约为2 600～3 000 h[3]。而且风速较为稳定，风力资源适合进行风力发电，可以作为备份供电手段。风光互补供电系统结构如图1 所示，安装风力发电机和太阳能电池板，通过风力控制器和光伏控制器实现对蓄电池充电；蓄电池通过直流配电屏输出12 V 或24 V 对通信设备、监控设备进行供电，如接入设备为220 V 高压电，需增加逆变器。当蓄电池容量不足20%时，系统切断直流配电，待充电完成后恢复供电，以保护蓄电池寿命。系统的特点是白天通过太阳能发电，弱光条件下通过风力进行发电，选取专用铅酸蓄电池（组），保障摄像机及网络设备全天稳定供电。

图1 风光互补供电系统结构

4 视频监控设计实施

4.1 地基基础

滨海新区由退海成陆形成，地势平缓，海拔较低，洼地较多，大部分区域为盐碱地，工程区域为海陆交互相松散沉积地层[5]。根据视频监控杆地基各土层的性状，结合工程区有关勘察资料，分析视频监控杆地基土特性，依据《建筑地基基础设计规范》《岩土工程技术规范》要求，综合给出视频监控杆地基各土层地基参数建议值，详见表1。

表1 地质参数建议值

视频监控杆建筑荷载相对较低，从浅层地基土性状看，②层粉质黏土工程地质性状较好，可作为视频监控杆构筑物的浅基础持力层。施工时，应加强验槽及钎探，遇有不良下卧土层予以清除换填或补强处理。

4.2 监控杆设计

沿海区域风力及气象变化情况较为复杂，为了保障风光互补供电系统设备的供电效率和无线组网信号收发效率，既要增加监控杆的高度，又要保证监控支架结构稳定，在设计中关键要考虑的是设备与监控杆的连接。太阳能电池板与监控杆的连接设计采用抱箍加螺栓杆方式连接。采用挂杆不锈钢配电柜放置网络及配电设备的方式，增强监控杆的抗风性能。采用蓄电池地埋方式，减轻监控杆承重力。综合考虑空间、设备布放、重心、散热等问题，配电柜采用推拉卡槽式遮片设计解决系统的防雨、散热、保温等问题，保证风光互补供电系统的全天候安全可靠运行。

4.3 风光互补控制器设计安装[6]

风力发电控制器是专门为风力发电设计的智能型控制器，实现对蓄电池的充电。当蓄电池电力充足时，自动切断风机停止充电；当电力下降时，恢复风机开始充电。防护等级达到IP67 以上，在外壳保护完好的情况下，能完全保护内部电路不受灰尘入侵；在浸入不超过1 m 深的水下时，能给予内部零件不低于30 min的防护时间，可以在外部环境恶劣，湿度较大的户外安全使用。

太阳能智能充电控制器是专门为太阳能发电设计的智能控制器，实现对蓄电池充电的自动控制。首先将控制器连接蓄电池，可自动识别12 V 或24 V电压，第二步连接太阳能板，第三步连接负载。负载使用能量必须低于蓄电池总能量，通过控制器的充电算法，定期对蓄电池进行均衡充电，提高使用寿命。风光互补供电系统控制器连接，如图2所示。

图2 风光互补供电系统控制器连接

图3 电源+网络二合一防雷器接线

4.4 避雷设施设计

避雷采用网络+电源二合一防雷器，集电源防雷器、视频线路防雷器于一体，主要用于监控系统前端高清网络摄像机的防雷保护，安装于防水箱内，串联在电源线及网线中，满足设备使用需求，同时能有效吸收泄放电源线及网线中电磁干扰、脉冲等线路浪涌，保护监控设备免受雷电侵害。电源+网络二合一防雷器采用电源网络综合多级防雷方案，为差模共模全保护，传输性能优越，插损极低。电源+网络二合一防雷器[7]有3种电压即12、24、220 V，3种电压的选择是根据现场防雷器实际安装位置的电源线路电压来确定的，本方案选取24 V 供电方式，如图3所示。

5 小结

本文将“无线网桥+运营商”进行链路组网，视频远端采用风光互补进行供电，应用于入海河口的水利相关工程视频监控系统中，可实现视频图像的24 h不间断采集，有效解决布线困难的问题。同时，无线组网大大降低了建设施工成本，可推广至偏远区域水利工程监控管理中。在使用中，系统存在无线通信链路随天气条件影响造成视频信号波动或者卡顿、冬季低温天气蓄电池性能指标下降等问题，有待进一步解决。系统还可以根据使用需求，基于人工智能手段增加行人随行监控、突发事件紧急预警等功能，以提高视频资源使用效率。