水电站视频智能技术研究

季 石 宇， 王 德 兵， 徐 涵

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

视频监控作为保障水电站运行安全的主要功能，被广泛应用在水电站各个运行系统之中，包括应用于工业电视系统、安防系统等[1]。近年来，随着物联网技术、大数据技术以及高速无线传输技术等的不断发展，水电站内视频监控系统逐渐由全场孤立式运行系统转变为集中式、智能化的系统。视频监控系统在水电站内应用领域不断增多，应用场景也不断扩展[2，3]。

水电站内智能视频监控系统主要由前端摄像机、通信网络、后端服务器等部分组成，能实现对全站的工业设备运行、作业安全、环境监测等状态进行监控和视频数据采集。同时，基于大数据、模式识别、机器学习等人工智能技术对采集到的视频数据进行分析处理，从而达到对目标状态的检测和特性分析[4，5]。

虽然目前智能视频监控系统应用较为成熟，但是由于水电站“无人值班、少人值守”的特性，在视频功能需求、选型设计、组网方式等多个方面也有特殊要求[6]。笔者围绕水电站生产运行状态下的功能需求，提出智能视频系统架构方式、通信组网的设计以及智能技术在水电站视频监控系统中的应用方向。

1 智能视频监控系统功能需求

(1)作业安全和安全帽识别具体需要具备的功能包括：①智能视频监控系统能够对人员进出工作区的权限进行判别，并对进出人员的信息数据记录存档，在利用人脸识别摄像机进行人脸抓拍的同时，能够利用电站内所有的监控摄像机进行人员跨镜身份识别，弥补人脸漏抓拍场景。②能够识别作业过程中的违规行为，判断人员在作业区的作业过程是否合规，及时发现违规情况，广播提醒人员注意，保障人员安全。③能够识别工作人员是否按照规定佩戴安全帽，保障人员安全，及时发现违规情况并广播提醒人员注意。

(2)区域智能监管。电站内不同区域均有不同责任人负责直属监管，因此能够根据各个区域不同监管规则定期发送作业违规信息。工业电视系统对工作时间和非工作时间厂房内各区域分别进行重点布控，实现区域入侵侦测、越界侦测、进入区域侦测、离开区域侦测、徘徊侦测、物品遗留侦测和人员快速移动侦测等功能，以确认该区域内人员是否具备进入区域作业的许可授权。若判别为非法人员误入区域，系统将自动推送作业违规信息至中控室。

对于特定高危险区域，则应采用电站内工业电视系统对其重点虚拟布控管理，在正常情况下高危险特定区域内的闯入人员，则触发告警，对闯入人员以广播的方式进行驱离。任何作业人员不能非法跨越区域，不能擅自扩大作业范围，否则厂区内工业电视系统将对其全过程监管。

(3)缺陷诊断和热成像在线测温。利用热成像双光谱球型摄像机对主变、机组上风洞等进行温度越限报警。同时输出可见光和热成像两路视频图像，可通过集成在热成像上的功能对监控区域进行分析。当有目标触发规则时，可见光摄像机能够跟踪目标进行确认，具备双光谱同屏显示、温度越限、温差报警、温度曲线呈现等分析功能，支持历史温度曲线呈现。当有需要时，可从数据库中读取某一热成像摄像机在不同时间段的各测温点、线、框温度变化曲线，并自动组合成一个完整的曲线。

采用在线式红外热成像分析设备的健康状态，利用红外专家诊断系统发出报警信号，能提高生产效率，增加巡检频次。同时可以记录设备的运行过程数据，通过数据累积提供预警。

红外测温软件应具备温度阈值超限告警、温度趋势分析与预警、温度跳变报警、温度曲线及报表生成与打印等功能。

(4)人脸识别。对于水电站中进出口区域和重要房间区域增加人脸识别摄像机，能够与门禁联动，通过人脸识别摄像机开启门禁。人脸识别摄像机需要具备的功能包括：①支持人脸实时检测抓拍并展现人脸相关详情，支持实时黑名单比对报警并支持播放人脸关联的视频图像。②支持人脸历史检索，即按时间、监控点、人员信息和目标人脸图片等组合条件检索检测人脸历史结果。支持结果排序并支持按相似度过滤。③支持管理人脸库，即支持从图片、录像、实时图像中挑选人脸图片录入人员库，支持登记人员详细信息，支持批量导入人员且支持人员分组。

(5)事后视频快速检索。事后视频快速搜索功能是一组在视频录制当下就生成特征元数据的技术。元数据资料库是视频存储能快速且准确分析的基础。当需要事后搜索指定事件时，仅需在视频存储里输入相关条件，如区域内移动、拌线、物体大小、物体颜色等，符合条件的视频缩略图便会 在数秒内显示。

(6)水位数据监控。水电站需要在河道、闸门等区域设置水尺摄像机，水尺摄像机内置水尺读取智能算法，系统可自动读取标准水位尺，获得水位数据，无需肉眼对拍摄到的图像进行观察。根据标杆上的刻度读出当前的水位值，从而达到对坝前水位、坝后水位的精准监测。

2 智能视频监控系统设计

2.1 智能视频监控系统结构设计

电站智能视频监控电视系统采用全数字分区方案，系统共分为中心级和区域级。系统主要由中心网络设备、区域网络设备和前端设备组成，智能视频监控系统结构设计见图1。

图1 智能视频监控系统结构设计

系统建立在自建的智能视频监控系统网络平台上，该平台采用高速以太网，为星型网结构，采用TCP/IP协议。该系统的视频管理服务器将兼作该局域网的网络管理服务器。

中心网络交换机与区域网络交换机之间采用光缆或网线连接，网络传输速率为1 Gbps。对于网络交换机之间传输距离小于100 m的采用六类屏蔽网线直接连接，超过100 m的距离则采用4芯单模铠装光缆连接。

2.2 智能视频监控系统点位设计

为实现水电站视频监控系统智能化的功能，需要依据电站的机电设备合理地布置摄像机。水电站不同区域不仅设置的摄像机种类不同，布点设置的高度和水平角度也存在差别。为实现作业安全和安全帽识别功能，摄像机需布置在重要的出入口、人员作业区域，并且能够清晰地拍摄出人脸等部位。一般摄像机的水平角度设置在10°～20°，摄像机设置高度与人体高度接近，并使用高分辨率摄像机清晰地捕捉人脸等图像。

区域智能监管的实现是通过视频图谱解析技术和虚拟电子围栏技术实现对水电站不同安全防范区域标注处理。为能够清晰地映射所需防范区域的画面，一般采用高清摄像机，并且设置高度在3 m左右，可以清晰地捕捉到人体运动轨迹。

3 智能视频监控系统设备选型

3.1 智能网络摄像机选型

水电站的视频监控系统一般要实现永临结合，因此，考虑水电站的现实环境，摄像机的选型依据以下原则。

(1)需要具备较高分辨率，并且为能够适应水电站光线较差的情形，摄像机应该具备红外补光或者星光级感光成像的功能。

(2)在水电站建设阶段就结合水电站机电设备、运维人员活动范围规划全站的摄像机点位布置，摄像机部署相对固定，并不需要采用可以灵活部署的带无线传输模块的摄像机。

(3)可以动态调整采集参数，包括亮度和饱和度等。根据摄像机选型原则，水电站中智能网络摄像机的选择根据水电站机电布置和功能需求选择最为适合的前端摄像机。如在环境较差的大型洞室内布置高倍星光级摄像机，在主变等需要监测主变温度的房间内布置热成像测温摄像机等。智能视频系统设计过程中部分水电站摄像机功能需求和选型见表1。

表1 水电站摄像机功能需求和选型

3.2 图像存储服务器选型

由于水电站中存在开关站、中控室、地下厂房等多个区域，不同区域之间空间跨度较大，一般视频图像存储服务器都分别布置在各个区域内，并通过水电站厂内通信系统实现不同区域视频数据的通信。存储服务器存储容量应满足所有视频输入24 h全天候录像(以CIF、JPEG或MPEG-4、H265/H264等格式)存储并能满足网络摄像机图像信息要求在24 h全天候录像情况下保存30 d的需求。

3.3 智能服务器选型

智能服务器需要具备人脸管理、人脸比对、人脸以图搜图、人脸检索等功能。具备接入、存储、转发速率达到400 Mbps、320 Mbps、96 Mbps。整个智能服务器采用模块化设计，至少支持30路人脸识别(1 080 P视频流)或图片流比对报警照片160张/s；能够支持30万张人脸样本数和50个名单库；支持2 000万条人脸历史抓拍库以及1 000万条周界防范告警；支持联动录像、抓图、日志、蜂鸣、预置点、本地报警输出、IPC报警输出、门禁、语音播报等。

3.4 交换机选型

水电站内交换机包括中心交换机和区域交换机，中心交换机需要采用智能型快速工业级以太网交换机，以构成10 Gbps以太网，传输速率10 Gbps。各节点计算机应使用光口或RJ45电口直接连到交换机上。中心交换机一般布置于水电站各个区域节点之中，如中控室、地下厂房、开关站等区域。区域交换机采用工业级网管型快速工业级以太网交换机和工业级网管型千兆以太网交换机，以构成10-100 Mbps自适交换式工业以太网和10-100-1 000 Mbps，传输速率100 Mbps和1 000 Mbps。

中心交换机和区域交换机的背板交换速率和包转发率根据交换机接口数量确定。假设交换机内接入一台摄像机，则对于区域交换机至少需要2个1 000M端口和个100M端口，区域交换机的背板交换速率和包转发率为：

C≥2×(2×1 000+X×100)

P≥2×(2×1.488+X×0.1488)

3.5 大屏显示器选型

在智能视频监控系统中，视频的解码与图像显示是最终的环节，最终所有的视频信息会汇集到大屏显示系统中，从而展示给用户。目前在水电站中，一般会在中控室内放置大屏显示系统，可以实现整屏画面任意分割、开窗漫游等拼控功能，主要有两种类型: LCD、LED 平板显示单元拼接系统和DLP、激光等投影显示系统。目前大型水电站中一般采用LED显示屏，大型显示屏支持单画面、四画面、九画面、十六画面及大小组合画面显示方式。利用安装在各点的摄像机，对所有监控区域内的设备进行实时监视。可以根据摄像机焦距的变化(变焦摄像机)显示大小不同的画面。

4 结 语

随着智能化技术的不断发展，水电站对智能化技术尤其是视频智能化技术提出了更多的要求，因此笔者以水电站视频智能化功能需求为基础，提出了水电站智能视频系统的设计方法和设备选型原则，从而最大限度地发挥水电站智能化技术的效能。