视频水位识别技术在水库淹没区的应用设计

戴烨军，郭召云，崔昊，马晴

（北京市密云水库管理处，北京 101512）

1 前言

水位是水文水资源管理中的重要监测参数之一，同时也是水利工程建筑设计、建设与管理中的重要依据之一[1]。水位测量工作的可实施性和测量精度，会对水资源优化配置方案、水库防洪安全和发电效益、上级决策方向等产生直接影响[2]。

传统水位量测主要有2种方法：一种是设置水尺并手动目测读数，然后人工记录水位值，此方法费时费力，尤其当环境比较恶劣时会对量测人员安全造成威胁；另一种是通过各类传感器自动获取表征水位的模拟量，并将其转换为水位数据，从而进行量测[3]。水位传感器分为浮子机械（光电）编码式、压力式、雷达式和超声波式，它们各有优势，但是不足也十分明显。例如，浮子机械编码式[4]结构可靠，价格低廉，适用于多种场合，然而需修建测井房且成本较高；压力式[5]结构受到水质变化影响较大，需经常检查和调节率定系数；超声波式[6]水位传感器放置在明渠流上，外部干扰较大，往往会给被测水位带来漂移现象。

近年来，视频水位识别技术发展迅速，在各类水库和发电厂等场景的水位监测应用中日益普遍[7，8]。随着视频处理及互联网技术的发展，人们能够借助高速的数据处理能力来实现视频采集、处理与存储，借助数字图像处理技术来实现视频采集照片的目标区域提取、去噪及其他相关处理得到最终水位数据，并通过网络流量通道回传至远程终端数据库[9]。工作人员可以较为方便地将这些资料从数据库中提取出来，再通过可靠的算法或者成熟的软件加以分析和处理，从而为后续调控决策提供了可靠依据[10，11]。

当水库持续高水位运行时，水库周边低洼地区村民房屋存在被淹没的风险。为保障库区群众的生命财产安全，有必要在淹没风险区建设水位高程标识桩，并在附近安装视频水位监测设备，实时监视淹没区水位变化，掌握淹没情况。按照设定的语音向附近村民进行预警、告警播报，警示村民淹没趋势，为村民安全转移提供指引，同时将水位数据及监控视频传输至水务局，实时反映淹没情况，为防汛调度决策提供重要依据。

本文将对视频水位识别技术在水库淹没区的应用设计进行具体介绍。

2 总体架构设计

2.1 系统架构

系统设计遵循先进性、安全可靠性、实用性、经济性、灵活性与可扩展性及规范性和统一性原则，系统的总体架构如图1所示。系统由前端的视频水位监测站和后端中心站组成，前端视频水位监测站包括超星光全光谱水利球机、拾音器、太阳能供电系统等，后端中心站包括服务器、工作站、专用软件、网络安全设备、矩阵控制器，解码一体机等。

图1 系统架构示意

2.2 数据分发逻辑

系统的数据分发逻辑如图2所示，其中视频水位监测站的数据具体分为以下2类。

图2 数据分发逻辑

（1）水位监测数据。监测数据应做到一数一源，数据集中存储、集中管理。因此，水位监测数据通过4G网络直接上传到市水务局上级平台统一管理，中心站通过分享上级平台的数据进行本地应用。

（2）带有水位信息的监控视频，通过4G网络实时上传到中心站，上级平台也能通过国标接口调用实时监控及历史录像。

2.3 中心站网络结构

中心站由总控管理服务器、视频存储服务器和信令网关服务器等设备组成，各服务器均接入机房内部网络进行信息互通。中心站网络结构的基本集成逻辑，如图3所示。其中，核心服务器的作用如下。

图3 中心站网络结构

（1）总控管理服务器。用于部署安全监视预警管理中心站软件，承担前端设备管理、数据采集展示、视频预览回放等功能，是整个系统的核心管理软件。

（2）视频存储服务器。用于视频数据存储的核心单元，主要负责视频录像存储，具有智能管理功能，支持服务器定时录像存储、录像回放、录像下载、视频抓拍、倍速播放控制等功能操作。

（3）信令网关服务器。用于视频国标对接的核心单元，通过国标GB/T28181协议实现和上级平台间的互联对接，方便上级平台调取，可实现平台注册、平台校时、平台设备目录查询、设备状态查询、音视频实时预览、云镜控制、录像回放、对讲等功能。

为保证网络安全，系统建立了网络安全动态防护体系，使网络具备集安全预警、监控、保护、响应为一体的整体网络安全保障能力与协同防御能力，以应对网络环境中的黑客攻击、网络病毒、蠕虫、恶意软件、违规访问等多种安全威胁，保证计算机网络平台的安全可靠运行。

3 典型站点设计

3.1 安全监视预警站设备构成

视频水位监测站的结构简化示意参见图4，具体包括：①不反光标准水尺、超星光全光谱水利球机、光伏系统、高保真户外拾音器；②组合立杆及附件、组合立杆预制混凝土基础；③配电箱及组件、避雷组件。设备采用立杆架设，结构简单、安装方便。根据现场环境，供电系统利用光伏供电，采用4G数据传输。

图4 视频水位监测站的结构简化示意

3.2 水尺布设

于水位高程标识桩一侧贴敷适合视频水尺识别的不反光标准水尺。设备安装设计，如图5所示。

图5 设备安装设计

3.3 现场警示

可设置站点两级水位的预警和告警，分别对应不同的语音内容。内置扬声器，可实现喊话及自定义语音播报。可设置电子围栏，进行声、光、激光指示驱离。

3.3.1 水位预警、告警

可依据不同水位，分别设置两级水位的预警和告警语音。预警水位有利于密切关注水情，可以及时做好疏散动员及各项防范措施准备，以便撤离。告警水位有利于及时按照疏散转移要求出具对策，以便在预定时间内安全撤离。

3.3.2 现场喊话、对讲

安全监视预警管理中心站可利用超星光全光谱水利球机内置扬声器，对现场进行喊话，考虑到现场环境噪声，声音辨识度可达10～20 m。增配高保真户外拾音器，实现现场对讲，提升现场信息发布能力。

3.3.3 电子围栏

为了保护水源地安全、避免污染，有必要在淹没区设置电子围栏。考虑到夜间红外补光距离，电子围栏半径设置为180 m，当有人闯入电子围栏时，播报预先录制的驱离语音并伴随白灯闪烁，闯入者离开后终止。如果白灯、语音驱离无效，会追加绿色激光直接照射，实现直接驱离的效果，激光功率15 mW，符合国家标准，且有程序控制避开头部照射。

4 安全监视预警管理中心站设计

4.1 存储容量计算及互联网带宽

4.1.1 网络存储能力计算

中心站需满足视频水位监测站监控视频存储要求，按每站每天需21G计算存储空间。

4.1.2 互联网专线

中心站同时需满足视频水位监测站的视频接入，应按每站2 Mbite/s的码率配置互联网带宽。

4.2 安全监视预警管理专用软件

水库库区安全监视预警管理专用软件具备视频浏览、前端控制、录像查看、事件管理、存档管理、报警联动、权限管理、警戒管理等监控功能，有效提升了水库精细化管理能力和洪水风险管控能力，对水源地水质安全、人员安全提供更加有效的保证。

视频监控预览界面集成各类视频浏览管理操作：①可根据点位信息查看视频图像，并进行电子放大、音频预览、全屏显示、3D控制、视频上墙等操作；②可同步监听前端设备采集的声音，并与现场进行语音对讲和广播；③可实现客户端之间对讲；④支持GIS界面自由圈定测站，批量向现场发布告警信息、喊话，方便可视化操作和直观的调度指挥；⑤可以多屏、分屏显示视频预览、录像回放和电子地图，监控预览时可快速调取监控点在地图上的位置信息；⑥支持视频图像组轮巡、视图组轮巡、跨服务器图像轮巡；⑦可查看录像存储系统的运行状态；⑧可实时查看和统计系统中设备的在线状态和通道的报警状态，及其他监控系统常备功能；⑨可从上级平台同步水位监测数据进行数据跟踪、阈值报警、趋势分析等本地应用。

4.3 核心服务器配置

4.3.1 总控管理服务器

用于部署水库库区安全监视预警管理软件，承担前端设备管理、数据采集展示和视频预览回放等功能。

4.3.2 信令网关服务器

用于视频国标对接的核心单元，通过国标GB/T28181协议[12]实现和上级平台间的互联对接，方便上级平台调取，可实现平台注册、平台校时、平台设备目录查询、设备状态查询、音视频实时预览、云镜控制、录像回放、对讲等功能。

4.3.3 网络存储服务器

用于视频数据存储的核心单元，主要负责视频录像存储，具有RAID管理功能，支持服务器定时录像存储、录像回放、录像下载、视频抓拍、倍速播放控制等功能操作。

4.4 视频管理工作站

需在下述部门部署视频管理工作站，以满足高性能监控视频调用的工作要求。

（1）汛期防汛指挥调度部门，需要通过工作站随时掌握水位上涨对库区村庄的淹没情况，作为防汛调度的重要参考依据。

（2）科技工作部门，需要通过工作站掌握预警相关设备设施的运行状态。

（3）库区管理部门，需要通过工作站实时掌握库区周边水位上涨淹没村庄情况。

（4）会商中心是各种重大会商决策的会场，经常需要调用类似安全监视视频等各种视频监控资源，并与市水务局会商。

4.5 监控上墙

防汛指挥调度部门需要随时掌握库区水情及各重点区域的现场实景，因此需要将库区安全监视视频进行上墙投屏。

会商中心是各种重大会商决策的会场，经常需要随时调用安全监视视频等各种视频监控资源，因此需要进行监控上墙应用。

库区管理部门需要实时掌握库区周边水位上涨淹没村庄情况，需对库区安全监视视频进行展示和管理，因此需要进行监控上墙应用。

5 结语

视频水位识别技术兼顾了水位的监测、现场实景的监控及水源地的驱离保护。相较其他监测技术只能满足单一需求，一台视频水位监测设备能同时满足多项需求，具有一机多效的综合应用优势，非常适合在水库进行水位监测应用，尤其是在淹没区进行水位警戒、水源地保护、为防汛指挥调度提供实景依据的综合应用。