劉小紅

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

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數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)在化工園區(qū)中的應(yīng)用

劉小紅

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

摘要：通過對數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的信號采集、信號傳輸和后端存儲、管理和顯示環(huán)節(jié)的分析，提出了化工園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，該方案運(yùn)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)網(wǎng)技術(shù)、雙核心冗余備份以及數(shù)據(jù)在分控中心的分散存儲和總控中心的集中管理等方法，從而保證監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃院痛鎯芾淼谋憷?。該解決方案說明： 數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠結(jié)合化工園區(qū)特點進(jìn)行模塊化的分級監(jiān)控管理，而且能夠結(jié)合化工裝置區(qū)工藝流程和DCS進(jìn)行綜合信息管理。

關(guān)鍵詞：工業(yè)電視監(jiān)控數(shù)字化分散存儲集中管理

1概述

隨著信息技術(shù)和管理水平的發(fā)展，工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展，從傳統(tǒng)的模擬化系統(tǒng)發(fā)展到模擬與數(shù)字的結(jié)合，再到如今全數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的全面應(yīng)用是基于計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像壓縮技術(shù)、數(shù)字存儲技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢占領(lǐng)了越來越大的市場。

數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于化工園區(qū)，實現(xiàn)從前端攝像、信號傳輸、信號存儲到監(jiān)控管理及顯示終端全程數(shù)字化?，F(xiàn)場攝像機(jī)可實現(xiàn)遠(yuǎn)端數(shù)字視頻信號采集；監(jiān)控中心或各分控中心的存儲設(shè)備對前方采集數(shù)字信息進(jìn)行存儲、管理、查詢和瀏覽，實現(xiàn)數(shù)字信號的分散存儲和集中管理；監(jiān)控中心或各分控中心的顯示終端可監(jiān)控現(xiàn)場畫面。

2系統(tǒng)組成

2.1信號的采集

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是一種高度集成化的產(chǎn)品，可以看作1臺普通攝像機(jī)和1臺微型服務(wù)器的結(jié)合體，是完全數(shù)字化的產(chǎn)品，如圖1所示。

圖1　數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成部分

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)從功能上可以劃分為攝像機(jī)和編碼兩大部分。

1) 攝像機(jī)部分。包含鏡頭、濾鏡、圖像傳感器等光學(xué)部件，主要完成圖像采集和光/電轉(zhuǎn)換工作，即將組成圖像的各種光信號轉(zhuǎn)化為電信號，同時還進(jìn)行曝光控制、快門控制、白平衡調(diào)整、亮度色度調(diào)整以及背光補(bǔ)償?shù)瘸Ｒ姷膱D像調(diào)整工作。

2) 編碼部分。包括圖像壓縮芯片、CPU及網(wǎng)絡(luò)接口等，主要負(fù)責(zé)將圖像進(jìn)行壓縮并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，真正實現(xiàn)數(shù)字化。

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)捕捉畫質(zhì)清晰，所捕捉的細(xì)節(jié)信息更全面，因而數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)具有更出色的視頻分析能力，為后期事件追溯和決策提供了可靠和安全的源數(shù)據(jù)。

2.2信號的傳輸

信號傳輸相當(dāng)于電視監(jiān)控系統(tǒng)的血脈。工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用與計算機(jī)辦公相對獨立的網(wǎng)絡(luò)，不占用辦公網(wǎng)絡(luò)帶寬，保證兩個系統(tǒng)傳輸無障礙。

視頻圖像經(jīng)攝像機(jī)采集之后被直接數(shù)字化，并通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，從而能夠充分保證圖像的清晰度。同時，數(shù)字信號的傳輸介質(zhì)主要以光纖為主，不受傳輸距離的影響。信號傳輸光纖和各層交換機(jī)將前端攝像機(jī)、各分控中心與總控中心之間連成一張網(wǎng)，視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)光纖進(jìn)行傳輸，滿足了化工園區(qū)視頻信號長距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.3信號的存儲

數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)存儲設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)(NVR)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的存儲及回放，同時NVR可以成功地實現(xiàn)自動搜索攝像頭、自動修改IP地址、自動添加攝像頭、自動顯示監(jiān)控畫面的新技術(shù)功能，解決數(shù)字系統(tǒng)在IP設(shè)置上的麻煩。通過NVR設(shè)備，組建1個以NVR設(shè)備為“節(jié)點”的分布式網(wǎng)絡(luò)，形成分布式多層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有效降低中心節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)存儲壓力，為實現(xiàn)分散存儲、集中管理方案打好基礎(chǔ)。

2.4信號管理和顯示

視頻服務(wù)器(VM)和管理服務(wù)器(MS)是面向視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案中的重要組件，突破了傳統(tǒng)視頻管理服務(wù)器的瓶頸，主要功能有管理存儲設(shè)備、存儲資源和視頻數(shù)據(jù)，支持對系統(tǒng)所有存儲資源進(jìn)行全方位的監(jiān)控和管理，支持不間斷的視頻檢索、回放等業(yè)務(wù)，支持實時視頻流的轉(zhuǎn)分發(fā)、視頻歷史數(shù)據(jù)的點播。信號顯示采用視頻工作站或電視大屏幕。

3數(shù)字化系統(tǒng)解決方案

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以某化工園區(qū)為例，結(jié)合化工園區(qū)建設(shè)規(guī)劃以及監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和后端數(shù)據(jù)管理的便利，將工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)劃成4個監(jiān)控分區(qū)： 氣化裝置區(qū)、空分裝置區(qū)、輸煤系統(tǒng)、罐區(qū)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　化工園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)示意

以上4個監(jiān)控分區(qū)可作為監(jiān)控子系統(tǒng)，相互獨立，各分區(qū)的視頻信號分別傳送到各分區(qū)對應(yīng)的分控中心，信號經(jīng)存儲設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場存儲管理，通過架設(shè)的光纖和交換機(jī)與總控中心通信，實現(xiàn)總控中心集中管理、各分控中心實時監(jiān)視和分散存儲的目的。

為保證整個系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)供電采用UPS電源，各分區(qū)均設(shè)UPS電源，其用電負(fù)荷根據(jù)前端攝像機(jī)、后端存儲設(shè)備和顯示設(shè)備的容量計算，并結(jié)合斷電持續(xù)時間確定負(fù)荷；系統(tǒng)的防雷和接地設(shè)計，不僅需考慮前端攝像機(jī)的防雷和接地，而且應(yīng)考慮整個系統(tǒng)設(shè)備及信號傳輸防雷和接地；系統(tǒng)前端采集、信號傳輸和存儲管理設(shè)備的具體設(shè)置作為重點內(nèi)容將詳細(xì)說明。

3.2前端攝像機(jī)設(shè)置

1) 攝像機(jī)選型。根據(jù)相關(guān)工藝流程的特性，化工區(qū)域防爆(氣體防爆或粉塵防爆)、防腐以及其他特殊環(huán)境。數(shù)字高清云臺一體化攝像機(jī)可將IP信號中的控制信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號送至云臺，從而實現(xiàn)對前端云臺的控制功能，通過平臺客戶端可進(jìn)行水平、垂直轉(zhuǎn)動，鏡頭變倍、調(diào)焦，雨刮、噴淋等控制。云臺具有雨刮和噴淋功能，無外接線纜，負(fù)荷能力大于安裝的設(shè)備質(zhì)量總和。防爆區(qū)域內(nèi)的攝像機(jī)，選用相應(yīng)防爆等級的防爆一體化高清攝像機(jī)，含防爆護(hù)罩和云臺，視頻信號和控制信號采用光纖，經(jīng)光纖收發(fā)器傳送至各分控中心的光纖收發(fā)器接收端。

2) 攝像機(jī)點位布置。根據(jù)相關(guān)工藝流程和管理方案的特點，化工園區(qū)的攝像機(jī)布點比較靈活，監(jiān)控點的確定依賴化工工藝流程。

a) 氣化裝置區(qū)設(shè)置27臺攝像機(jī)，負(fù)責(zé)原煤儲存與儲備、氣化、灰水處理、低溫甲醇洗、凈化、硫回收等主項裝置設(shè)備的監(jiān)視。

b) 空分裝置區(qū)設(shè)置5臺攝像機(jī)，負(fù)責(zé)空分壓縮機(jī)廠房、空分罐區(qū)和空分主裝置設(shè)備的監(jiān)視。

c) 輸煤系統(tǒng)設(shè)置17臺攝像機(jī)，主要安裝在輸煤皮帶機(jī)、破碎樓、備煤筒倉和卸煤間，保障在輸煤系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障點。

d) 罐區(qū)設(shè)置8臺攝像機(jī)，主要安裝在罐區(qū)周邊。

3.3信號傳輸部分

系統(tǒng)采用核心層和接入層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩層交換機(jī)均采用工業(yè)級交換機(jī)。接入層交換機(jī)具有上行光口和下行光口，上行光口采用千兆帶寬傳輸，下行光口采用百兆帶寬傳輸，核心層交換機(jī)采用千兆帶寬傳輸。

1) 環(huán)網(wǎng)技術(shù)的接入層交換機(jī)。4個監(jiān)控分區(qū)的攝像機(jī)信號，采用光纖收發(fā)器+單模光纖直接連接到各分控中心光纖收發(fā)器，經(jīng)光纖收發(fā)器的光電轉(zhuǎn)換后采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線纜連接至接入層交換機(jī)；現(xiàn)場攝像機(jī)電源由各分控中心內(nèi)的UPS電源集中供電。各分控中心的接入層交換機(jī)采用環(huán)網(wǎng)技術(shù)組建監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)，該模式由千兆環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)端接入交換機(jī)和千兆環(huán)網(wǎng)中心核心交換機(jī)組成。基于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)交換技術(shù)，每個分控中心配置1臺千兆環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)端接入交換機(jī)，多臺千兆環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)端接入交換機(jī)組成千兆傳輸網(wǎng)絡(luò)，將高清視頻傳輸至監(jiān)控中心。接入層交換機(jī)采用2個千兆光電復(fù)用口、8個百兆光口、16個百兆電口，支持?jǐn)U展模塊帶電熱插撥。

2) 雙冗余備份的核心層交換機(jī)。4個監(jiān)控分區(qū)的接入層交換機(jī)，采用雙單模光纖連接到總控中心的核心層交換機(jī)，其核心層交換機(jī)采用3個萬兆XFP端口、16個千兆電口、32個千兆光口。總控中心核心交換機(jī)采用雙核心冗余備份，2臺核心交換機(jī)之間采用虛擬路由冗余協(xié)議(VRRP)實現(xiàn)負(fù)載均衡和雙機(jī)熱備。接入交換機(jī)分別引2條光纖到核心交換機(jī)，實現(xiàn)采用雙鏈路接入到2臺核心交換機(jī)，其中任意1臺核心交換機(jī)和線路出現(xiàn)問題，都不會影響網(wǎng)絡(luò)的暢通，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了更高的安全及可靠性，如圖3所示。

圖3　監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

3) 接入層與核心層之間經(jīng)光纖通信，采用雙單模鎧裝光纖，滿足核心層交換機(jī)雙冗余備份要求。

3.4后端存儲和管理

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及存儲管理、控制管理的合理性，采用分散式存儲、集中管理的設(shè)計，即在各分控中心進(jìn)行分散存儲，在總控中心進(jìn)行集中管理。數(shù)據(jù)都存儲在各分控中心的NVR，避免一旦存儲服務(wù)器出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)可能全部丟失的情況，且只有總控中心需要查看預(yù)覽和回放數(shù)據(jù)時，才需要連接NVR，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和交換機(jī)交換能力的要求相對較低，從而降低了整個項目的成本。

1) 設(shè)備配置。整個化工園區(qū)的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)配置見表1所列。

表1　攝像機(jī)對應(yīng)硬盤數(shù)量

2) 信號管理。在總控中心設(shè)置3臺服務(wù)器，分別為視頻服務(wù)器，管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)備份服務(wù)器，并安裝視頻管理軟件，實現(xiàn)圖像存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及高級視頻分析所需的算法計算，每臺服務(wù)器配置2塊千兆網(wǎng)卡，1個接入管理顯示工作站，另外1個接入存儲設(shè)備，保證數(shù)據(jù)不互相影響。

3.5后端顯示

后端顯示主要為分控中心顯示和總控中心顯示。各分控中心采用視頻工作站，總控中心采用視頻工作站和大屏幕。

各分控中心通過客戶端電腦和控制鍵盤對現(xiàn)場攝像機(jī)和云臺進(jìn)行控制，實現(xiàn)對前端采集畫面的選擇切換，對云臺和電動鏡頭的全方位控制(包括變焦、聚焦、自動水平轉(zhuǎn)動、垂直轉(zhuǎn)動、自動光圈、鏡頭速度等)，對防護(hù)罩的雨刷及輔助照明燈、解碼器預(yù)置位的操作控制。各分控中心對現(xiàn)場設(shè)備有高等級的控制管理權(quán)限，總控中心可對畫面進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用和共享。同時，在分控中心的DCS操作站，配置相關(guān)操作軟件并授予控制管理權(quán)限，可對工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場畫面調(diào)用。

總控中心的大屏幕顯示采用液晶投影LCD(liquid crystal display)或者數(shù)字光學(xué)處理器DLP(digital light processor)。大屏幕不僅應(yīng)用于工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)信號顯示，同時可將DCS信號進(jìn)行顯示，在大屏幕顯示內(nèi)容上可將DCS的過程控制與其相對應(yīng)的視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行同步，將化工園區(qū)的工藝流程、過程控制和視頻監(jiān)控的結(jié)合，更有利于提高生產(chǎn)管理的工作效率，便于操作和管理，特別是指揮和處理突發(fā)事件。

4數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)特點

1) 工業(yè)電視監(jiān)控采用數(shù)字化系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

a) 系統(tǒng)擴(kuò)展性。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大需要增加監(jiān)控點時，只需要增加監(jiān)控點到裝置區(qū)光纖配線架的光纖即可，節(jié)約了大量的裝置區(qū)到操作室之間的電纜及電纜施工的費(fèi)用，減少了重復(fù)投資。

b) 系統(tǒng)安全性。各監(jiān)控點分散存儲，同時大容量監(jiān)控存儲空間可確保視頻信息的長時間保存，為長時間錄像查詢提供硬件保障。高穩(wěn)定性設(shè)備可實現(xiàn)7×24h的連續(xù)工作時間，大幅降低故障率，縮短了故障維護(hù)時間，提高了系統(tǒng)使用率，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本。

c) 系統(tǒng)穩(wěn)定性。環(huán)網(wǎng)技術(shù)和雙核心冗余備份，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗦窂?，省去匯聚層交換機(jī)，直接連到核心層交換機(jī)，提高組網(wǎng)和實際施工的便利和靈活性，對于化工園區(qū)的改擴(kuò)建工程很有幫助。

2) 數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)也有以下不足：

a) 系統(tǒng)存儲空間占用增大，為了保證采集到高清視頻信號的高清回放，并滿足信號的存儲周期、存儲空間的需求提高。

b) 系統(tǒng)投資費(fèi)用相對較高，從其前端視頻信號采集，到信號存儲和管理投入的費(fèi)用都將增加，但是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及市場發(fā)展的需求，系統(tǒng)投資也將會越來越經(jīng)濟(jì)。

5結(jié)束語

數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)作為化工園區(qū)重要的信息管理系統(tǒng)，充分結(jié)合工藝流程管理，對提高化工園區(qū)管理的智能化水平、運(yùn)營維護(hù)管理水平及運(yùn)營管理人員工作效率等起到重要作用。文中的解決方案從采集、傳輸、存儲、管理和顯示等環(huán)節(jié)均采用全數(shù)字化，滿足了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化要求，并具有易擴(kuò)展性、易管理性和易操作性，同時由于數(shù)字化工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)的開放協(xié)議，可與化工園區(qū)DCS、火災(zāi)報警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和周界入侵報警系統(tǒng)等實現(xiàn)通信，為今后化工園區(qū)內(nèi)各管理系統(tǒng)之間的信息平臺統(tǒng)一化管理做好堅實的準(zhǔn)備。

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Application of Digital Industrial Television Monitoring System in Chemical Industry Park

Liu Xiaohong

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China )

Abstracts： Solution of digital industrial television monitoring system in chemical industry park is proposed by analyzing signal collection, transmission, back-end storage, management and display step. The design plan uses technology of ring network, dual core redundancy in data transmission, data distributed storage and centralized management to ensure reliability of transmission and convenience of storage. The scheme indicates digital television monitoring system is not only modular classifying supervised with feature of chemical industry park, but also integrated information management combining with unit area process and DCS on chemical plant.

Key words:industrial video surveillance system; digital; distributed storage; centralize management

作者簡介：劉小紅，畢業(yè)于長安大學(xué)交通信息工程及控制專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于華陸工程科技有限責(zé)任公司電控室，任工程師。

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0046-04

稿件收到日期： 2016-02-18，修改稿收到日期： 2016-04-08。