楊 凱，郭振霆，楊 甜，馬海銘

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津 300061）

隨著社會(huì)信息化程度的不斷提升，水利工程、河道、航運(yùn)等領(lǐng)域的相關(guān)信息化控制以及安全監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為重要。水利部部長鄂竟平2019 年1 月15 日在全國水利工作會(huì)議上表示，下一步水利工作的重心將轉(zhuǎn)到“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”上來，這是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的總基調(diào)。將堅(jiān)持以問題為導(dǎo)向，以整改為目標(biāo)，以問責(zé)為抓手，從法制、體制、機(jī)制入手，建立一整套務(wù)實(shí)高效管用的監(jiān)管體系，從根本上讓水利行業(yè)監(jiān)管“強(qiáng)起來”，形成水利行業(yè)齊心協(xié)力、同頻共振的監(jiān)管格局[1]。水利行業(yè)重點(diǎn)工作將轉(zhuǎn)移到江河湖泊、水利工程、水資源、水土保持等重點(diǎn)部位的監(jiān)管上來。傳統(tǒng)的定期巡查可實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管，但也存在消耗人力、財(cái)力、車輛等問題，并且無法做到全天24 h 不間斷監(jiān)管。偏遠(yuǎn)水利工程及重點(diǎn)區(qū)域河道的視頻監(jiān)控系統(tǒng)部署，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情、水污染、水土保持、船只運(yùn)行狀態(tài)等情況進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，以采取有效預(yù)警措施保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文以天津市濱海新區(qū)入海河口區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域是海河流域河流入海重要咽喉通道，地理位置十分重要，必須保護(hù)好、維護(hù)好，充分發(fā)揮其蓄水、通航保水、防潮、排澇等各項(xiàng)功能，通過部署智慧視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以便更加有效地掌控管轄范圍內(nèi)的各種動(dòng)態(tài)，保證工程設(shè)施及管理范圍安全等。

1 工程基礎(chǔ)情況分析

天津?yàn)I海新區(qū)是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心區(qū)域，是雄安新區(qū)的海上門戶。近年來，由于沿海經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，沿海區(qū)域出現(xiàn)很多違法碼頭、違章建筑侵占河道，非法盜土、取土，嚴(yán)重影響河道泄洪排澇[2]。而入海河口由于地域較廣、地形條件較復(fù)雜，人工巡查一次需要的時(shí)間長、附屬條件多，現(xiàn)有的人力、物力存在困難，急需在所轄范圍合理布設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)位，利用有效的科技手段對(duì)重點(diǎn)工程和堤防進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)水事違法案件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法行為的動(dòng)向，開展調(diào)查取證，彌補(bǔ)巡查隊(duì)伍人員少、執(zhí)法力量不足，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防違法行為的發(fā)生，震懾和減少不法行為，預(yù)防水事矛盾發(fā)生，確保社會(huì)穩(wěn)定。

2 視頻監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)功能性

（1）安全監(jiān)管自動(dòng)化。解決人工觀測(cè)在惡劣條件下，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集不及時(shí)問題。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理。實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域視頻圖像的集中監(jiān)控管理。

（3）專用數(shù)據(jù)傳輸鏈路。利用無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像穩(wěn)定傳輸。

（4）系統(tǒng)功能可擴(kuò)展。在實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步拓展開發(fā)水文采集傳輸功能、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳輸功能。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

（1）點(diǎn)位分散、位置偏僻，監(jiān)控區(qū)域無法布置光纖鏈路。

（2）傳輸距離遠(yuǎn)，視頻數(shù)據(jù)高帶寬，采集設(shè)備數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)傳輸。

（3）布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)較為分散，視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)進(jìn)行多級(jí)備份。

（4）偏遠(yuǎn)區(qū)域無法布設(shè)供電線纜，電源系統(tǒng)應(yīng)配備太陽能供電和風(fēng)力供電進(jìn)行補(bǔ)充。

（5）環(huán)境潮濕，部分環(huán)境有鹽霧，設(shè)備要具備相應(yīng)防護(hù)功能。

3 視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)方案

3.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)布設(shè)在水利工程、河道、航道的重點(diǎn)部位，主要用于前端的視頻、圖像采集，由高清紅外視頻攝像機(jī)、云臺(tái)、光纖收發(fā)器、穩(wěn)壓電源、支架等組成。系統(tǒng)對(duì)工程關(guān)鍵部位采用“球式+槍式”結(jié)合的采集方式，即采用球式負(fù)責(zé)拍攝全景畫面、槍式負(fù)責(zé)拍攝重點(diǎn)部位畫面相結(jié)合的方式，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行不間斷拍攝。

3.2 組網(wǎng)傳輸模式

根據(jù)傳輸距離和傳輸數(shù)據(jù)大小，在匯聚點(diǎn)周邊5 km 范圍內(nèi)采用敷設(shè)光纖、供電電纜將信息匯聚到中心機(jī)房?jī)?nèi)；超過5 km 以上的采用無線組網(wǎng)，將信息匯聚到中心機(jī)房?jī)?nèi)；將有線匯集點(diǎn)、無線匯集點(diǎn)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、顯示控制等設(shè)備接入同一交換機(jī)中，形成視頻系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息互傳共享。無線組網(wǎng)方式選擇“無線網(wǎng)橋+運(yùn)營商”方式進(jìn)行傳輸，無線網(wǎng)橋在每個(gè)信息采集點(diǎn)位布設(shè)傳輸天線用于發(fā)射采集信號(hào)，在中心節(jié)點(diǎn)布設(shè)信號(hào)接收天線完成數(shù)據(jù)的上下行傳輸；同時(shí)，使用運(yùn)營商傳輸作為備份鏈路，當(dāng)無線網(wǎng)橋設(shè)備出現(xiàn)故障或者因天氣因素網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定時(shí)，切換至運(yùn)營商模式傳輸，確保不間斷傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 信息存儲(chǔ)系統(tǒng)

信息存儲(chǔ)系統(tǒng)采用“本地+數(shù)據(jù)中心”雙重備份方式，其中圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)控?cái)z像機(jī)安裝的大容量存儲(chǔ)卡，定時(shí)進(jìn)行圖像采集，自動(dòng)進(jìn)行擦除；視頻畫面通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回傳，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心進(jìn)行不間斷保存。這樣可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的異地多重備份，確保不間斷視頻圖像采集。前端攝像機(jī)選用200 萬像素的高清紅外設(shè)備，碼流設(shè)置在6～8 Mbps范圍內(nèi)，24 h不間斷錄像，視頻影像資料保存不少于30 d。

3.4 遠(yuǎn)端風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)

據(jù)塘沽氣象站統(tǒng)計(jì)，濱海新區(qū)4 月風(fēng)力最強(qiáng)，平均風(fēng)速為5.5～6.1 m/s，5 月份日照最長約262.27 h，年日照時(shí)數(shù)約為2 600～3 000 h[3]。而且風(fēng)速較為穩(wěn)定，風(fēng)力資源適合進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，可以作為備份供電手段。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板，通過風(fēng)力控制器和光伏控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電；蓄電池通過直流配電屏輸出12 V 或24 V 對(duì)通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行供電，如接入設(shè)備為220 V 高壓電，需增加逆變器。當(dāng)蓄電池容量不足20%時(shí)，系統(tǒng)切斷直流配電，待充電完成后恢復(fù)供電，以保護(hù)蓄電池壽命。系統(tǒng)的特點(diǎn)是白天通過太陽能發(fā)電，弱光條件下通過風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，選取專用鉛酸蓄電池（組），保障攝像機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全天穩(wěn)定供電。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)實(shí)施

4.1 地基基礎(chǔ)

濱海新區(qū)由退海成陸形成，地勢(shì)平緩，海拔較低，洼地較多，大部分區(qū)域?yàn)辂}堿地，工程區(qū)域?yàn)楹ｊ懡换ハ嗨缮⒊练e地層[5]。根據(jù)視頻監(jiān)控桿地基各土層的性狀，結(jié)合工程區(qū)有關(guān)勘察資料，分析視頻監(jiān)控桿地基土特性，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《巖土工程技術(shù)規(guī)范》要求，綜合給出視頻監(jiān)控桿地基各土層地基參數(shù)建議值，詳見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)建議值

視頻監(jiān)控桿建筑荷載相對(duì)較低，從淺層地基土性狀看，②層粉質(zhì)黏土工程地質(zhì)性狀較好，可作為視頻監(jiān)控桿構(gòu)筑物的淺基礎(chǔ)持力層。施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)槽及釬探，遇有不良下臥土層予以清除換填或補(bǔ)強(qiáng)處理。

4.2 監(jiān)控桿設(shè)計(jì)

沿海區(qū)域風(fēng)力及氣象變化情況較為復(fù)雜，為了保障風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)備的供電效率和無線組網(wǎng)信號(hào)收發(fā)效率，既要增加監(jiān)控桿的高度，又要保證監(jiān)控支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的是設(shè)備與監(jiān)控桿的連接。太陽能電池板與監(jiān)控桿的連接設(shè)計(jì)采用抱箍加螺栓桿方式連接。采用掛桿不銹鋼配電柜放置網(wǎng)絡(luò)及配電設(shè)備的方式，增強(qiáng)監(jiān)控桿的抗風(fēng)性能。采用蓄電池地埋方式，減輕監(jiān)控桿承重力。綜合考慮空間、設(shè)備布放、重心、散熱等問題，配電柜采用推拉卡槽式遮片設(shè)計(jì)解決系統(tǒng)的防雨、散熱、保溫等問題，保證風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的全天候安全可靠運(yùn)行。

4.3 風(fēng)光互補(bǔ)控制器設(shè)計(jì)安裝[6]

風(fēng)力發(fā)電控制器是專門為風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)的智能型控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。當(dāng)蓄電池電力充足時(shí)，自動(dòng)切斷風(fēng)機(jī)停止充電；當(dāng)電力下降時(shí)，恢復(fù)風(fēng)機(jī)開始充電。防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67 以上，在外殼保護(hù)完好的情況下，能完全保護(hù)內(nèi)部電路不受灰塵入侵；在浸入不超過1 m 深的水下時(shí)，能給予內(nèi)部零件不低于30 min的防護(hù)時(shí)間，可以在外部環(huán)境惡劣，濕度較大的戶外安全使用。

太陽能智能充電控制器是專門為太陽能發(fā)電設(shè)計(jì)的智能控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的自動(dòng)控制。首先將控制器連接蓄電池，可自動(dòng)識(shí)別12 V 或24 V電壓，第二步連接太陽能板，第三步連接負(fù)載。負(fù)載使用能量必須低于蓄電池總能量，通過控制器的充電算法，定期對(duì)蓄電池進(jìn)行均衡充電，提高使用壽命。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制器連接，如圖2所示。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制器連接

圖3 電源+網(wǎng)絡(luò)二合一防雷器接線

4.4 避雷設(shè)施設(shè)計(jì)

避雷采用網(wǎng)絡(luò)+電源二合一防雷器，集電源防雷器、視頻線路防雷器于一體，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)前端高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的防雷保護(hù)，安裝于防水箱內(nèi)，串聯(lián)在電源線及網(wǎng)線中，滿足設(shè)備使用需求，同時(shí)能有效吸收泄放電源線及網(wǎng)線中電磁干擾、脈沖等線路浪涌，保護(hù)監(jiān)控設(shè)備免受雷電侵害。電源+網(wǎng)絡(luò)二合一防雷器采用電源網(wǎng)絡(luò)綜合多級(jí)防雷方案，為差模共模全保護(hù)，傳輸性能優(yōu)越，插損極低。電源+網(wǎng)絡(luò)二合一防雷器[7]有3種電壓即12、24、220 V，3種電壓的選擇是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)防雷器實(shí)際安裝位置的電源線路電壓來確定的，本方案選取24 V 供電方式，如圖3所示。

5 小結(jié)

本文將“無線網(wǎng)橋+運(yùn)營商”進(jìn)行鏈路組網(wǎng)，視頻遠(yuǎn)端采用風(fēng)光互補(bǔ)進(jìn)行供電，應(yīng)用于入海河口的水利相關(guān)工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)視頻圖像的24 h不間斷采集，有效解決布線困難的問題。同時(shí)，無線組網(wǎng)大大降低了建設(shè)施工成本，可推廣至偏遠(yuǎn)區(qū)域水利工程監(jiān)控管理中。在使用中，系統(tǒng)存在無線通信鏈路隨天氣條件影響造成視頻信號(hào)波動(dòng)或者卡頓、冬季低溫天氣蓄電池性能指標(biāo)下降等問題，有待進(jìn)一步解決。系統(tǒng)還可以根據(jù)使用需求，基于人工智能手段增加行人隨行監(jiān)控、突發(fā)事件緊急預(yù)警等功能，以提高視頻資源使用效率。