季 石 宇， 王 德 兵， 徐 涵

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

視頻監(jiān)控作為保障水電站運行安全的主要功能，被廣泛應(yīng)用在水電站各個運行系統(tǒng)之中，包括應(yīng)用于工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等[1]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及高速無線傳輸技術(shù)等的不斷發(fā)展，水電站內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸由全場孤立式運行系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺?、智能化的系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水電站內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多，應(yīng)用場景也不斷擴展[2，3]。

水電站內(nèi)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端攝像機、通信網(wǎng)絡(luò)、后端服務(wù)器等部分組成，能實現(xiàn)對全站的工業(yè)設(shè)備運行、作業(yè)安全、環(huán)境監(jiān)測等狀態(tài)進行監(jiān)控和視頻數(shù)據(jù)采集。同時，基于大數(shù)據(jù)、模式識別、機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行分析處理，從而達到對目標(biāo)狀態(tài)的檢測和特性分析[4，5]。

雖然目前智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟，但是由于水電站“無人值班、少人值守”的特性，在視頻功能需求、選型設(shè)計、組網(wǎng)方式等多個方面也有特殊要求[6]。筆者圍繞水電站生產(chǎn)運行狀態(tài)下的功能需求，提出智能視頻系統(tǒng)架構(gòu)方式、通信組網(wǎng)的設(shè)計以及智能技術(shù)在水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方向。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

(1)作業(yè)安全和安全帽識別具體需要具備的功能包括：①智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T進出工作區(qū)的權(quán)限進行判別，并對進出人員的信息數(shù)據(jù)記錄存檔，在利用人臉識別攝像機進行人臉抓拍的同時，能夠利用電站內(nèi)所有的監(jiān)控攝像機進行人員跨鏡身份識別，彌補人臉漏抓拍場景。②能夠識別作業(yè)過程中的違規(guī)行為，判斷人員在作業(yè)區(qū)的作業(yè)過程是否合規(guī)，及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)情況，廣播提醒人員注意，保障人員安全。③能夠識別工作人員是否按照規(guī)定佩戴安全帽，保障人員安全，及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)情況并廣播提醒人員注意。

(2)區(qū)域智能監(jiān)管。電站內(nèi)不同區(qū)域均有不同責(zé)任人負(fù)責(zé)直屬監(jiān)管，因此能夠根據(jù)各個區(qū)域不同監(jiān)管規(guī)則定期發(fā)送作業(yè)違規(guī)信息。工業(yè)電視系統(tǒng)對工作時間和非工作時間廠房內(nèi)各區(qū)域分別進行重點布控，實現(xiàn)區(qū)域入侵偵測、越界偵測、進入?yún)^(qū)域偵測、離開區(qū)域偵測、徘徊偵測、物品遺留偵測和人員快速移動偵測等功能，以確認(rèn)該區(qū)域內(nèi)人員是否具備進入?yún)^(qū)域作業(yè)的許可授權(quán)。若判別為非法人員誤入?yún)^(qū)域，系統(tǒng)將自動推送作業(yè)違規(guī)信息至中控室。

對于特定高危險區(qū)域，則應(yīng)采用電站內(nèi)工業(yè)電視系統(tǒng)對其重點虛擬布控管理，在正常情況下高危險特定區(qū)域內(nèi)的闖入人員，則觸發(fā)告警，對闖入人員以廣播的方式進行驅(qū)離。任何作業(yè)人員不能非法跨越區(qū)域，不能擅自擴大作業(yè)范圍，否則廠區(qū)內(nèi)工業(yè)電視系統(tǒng)將對其全過程監(jiān)管。

(3)缺陷診斷和熱成像在線測溫。利用熱成像雙光譜球型攝像機對主變、機組上風(fēng)洞等進行溫度越限報警。同時輸出可見光和熱成像兩路視頻圖像，可通過集成在熱成像上的功能對監(jiān)控區(qū)域進行分析。當(dāng)有目標(biāo)觸發(fā)規(guī)則時，可見光攝像機能夠跟蹤目標(biāo)進行確認(rèn)，具備雙光譜同屏顯示、溫度越限、溫差報警、溫度曲線呈現(xiàn)等分析功能，支持歷史溫度曲線呈現(xiàn)。當(dāng)有需要時，可從數(shù)據(jù)庫中讀取某一熱成像攝像機在不同時間段的各測溫點、線、框溫度變化曲線，并自動組合成一個完整的曲線。

采用在線式紅外熱成像分析設(shè)備的健康狀態(tài)，利用紅外專家診斷系統(tǒng)發(fā)出報警信號，能提高生產(chǎn)效率，增加巡檢頻次。同時可以記錄設(shè)備的運行過程數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)累積提供預(yù)警。

紅外測溫軟件應(yīng)具備溫度閾值超限告警、溫度趨勢分析與預(yù)警、溫度跳變報警、溫度曲線及報表生成與打印等功能。

(4)人臉識別。對于水電站中進出口區(qū)域和重要房間區(qū)域增加人臉識別攝像機，能夠與門禁聯(lián)動，通過人臉識別攝像機開啟門禁。人臉識別攝像機需要具備的功能包括：①支持人臉實時檢測抓拍并展現(xiàn)人臉相關(guān)詳情，支持實時黑名單比對報警并支持播放人臉關(guān)聯(lián)的視頻圖像。②支持人臉歷史檢索，即按時間、監(jiān)控點、人員信息和目標(biāo)人臉圖片等組合條件檢索檢測人臉歷史結(jié)果。支持結(jié)果排序并支持按相似度過濾。③支持管理人臉庫，即支持從圖片、錄像、實時圖像中挑選人臉圖片錄入人員庫，支持登記人員詳細信息，支持批量導(dǎo)入人員且支持人員分組。

(5)事后視頻快速檢索。事后視頻快速搜索功能是一組在視頻錄制當(dāng)下就生成特征元數(shù)據(jù)的技術(shù)。元數(shù)據(jù)資料庫是視頻存儲能快速且準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)。當(dāng)需要事后搜索指定事件時，僅需在視頻存儲里輸入相關(guān)條件，如區(qū)域內(nèi)移動、拌線、物體大小、物體顏色等，符合條件的視頻縮略圖便會 在數(shù)秒內(nèi)顯示。

(6)水位數(shù)據(jù)監(jiān)控。水電站需要在河道、閘門等區(qū)域設(shè)置水尺攝像機，水尺攝像機內(nèi)置水尺讀取智能算法，系統(tǒng)可自動讀取標(biāo)準(zhǔn)水位尺，獲得水位數(shù)據(jù)，無需肉眼對拍攝到的圖像進行觀察。根據(jù)標(biāo)桿上的刻度讀出當(dāng)前的水位值，從而達到對壩前水位、壩后水位的精準(zhǔn)監(jiān)測。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電站智能視頻監(jiān)控電視系統(tǒng)采用全數(shù)字分區(qū)方案，系統(tǒng)共分為中心級和區(qū)域級。系統(tǒng)主要由中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和前端設(shè)備組成，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)建立在自建的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺上，該平臺采用高速以太網(wǎng)，為星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議。該系統(tǒng)的視頻管理服務(wù)器將兼作該局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器。

中心網(wǎng)絡(luò)交換機與區(qū)域網(wǎng)絡(luò)交換機之間采用光纜或網(wǎng)線連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為1 Gbps。對于網(wǎng)絡(luò)交換機之間傳輸距離小于100 m的采用六類屏蔽網(wǎng)線直接連接，超過100 m的距離則采用4芯單模鎧裝光纜連接。

2.2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)點位設(shè)計

為實現(xiàn)水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化的功能，需要依據(jù)電站的機電設(shè)備合理地布置攝像機。水電站不同區(qū)域不僅設(shè)置的攝像機種類不同，布點設(shè)置的高度和水平角度也存在差別。為實現(xiàn)作業(yè)安全和安全帽識別功能，攝像機需布置在重要的出入口、人員作業(yè)區(qū)域，并且能夠清晰地拍攝出人臉等部位。一般攝像機的水平角度設(shè)置在10°～20°，攝像機設(shè)置高度與人體高度接近，并使用高分辨率攝像機清晰地捕捉人臉等圖像。

區(qū)域智能監(jiān)管的實現(xiàn)是通過視頻圖譜解析技術(shù)和虛擬電子圍欄技術(shù)實現(xiàn)對水電站不同安全防范區(qū)域標(biāo)注處理。為能夠清晰地映射所需防范區(qū)域的畫面，一般采用高清攝像機，并且設(shè)置高度在3 m左右，可以清晰地捕捉到人體運動軌跡。

3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備選型

3.1 智能網(wǎng)絡(luò)攝像機選型

水電站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般要實現(xiàn)永臨結(jié)合，因此，考慮水電站的現(xiàn)實環(huán)境，攝像機的選型依據(jù)以下原則。

(1)需要具備較高分辨率，并且為能夠適應(yīng)水電站光線較差的情形，攝像機應(yīng)該具備紅外補光或者星光級感光成像的功能。

(2)在水電站建設(shè)階段就結(jié)合水電站機電設(shè)備、運維人員活動范圍規(guī)劃全站的攝像機點位布置，攝像機部署相對固定，并不需要采用可以靈活部署的帶無線傳輸模塊的攝像機。

(3)可以動態(tài)調(diào)整采集參數(shù)，包括亮度和飽和度等。根據(jù)攝像機選型原則，水電站中智能網(wǎng)絡(luò)攝像機的選擇根據(jù)水電站機電布置和功能需求選擇最為適合的前端攝像機。如在環(huán)境較差的大型洞室內(nèi)布置高倍星光級攝像機，在主變等需要監(jiān)測主變溫度的房間內(nèi)布置熱成像測溫攝像機等。智能視頻系統(tǒng)設(shè)計過程中部分水電站攝像機功能需求和選型見表1。

表1 水電站攝像機功能需求和選型

3.2 圖像存儲服務(wù)器選型

由于水電站中存在開關(guān)站、中控室、地下廠房等多個區(qū)域，不同區(qū)域之間空間跨度較大，一般視頻圖像存儲服務(wù)器都分別布置在各個區(qū)域內(nèi)，并通過水電站廠內(nèi)通信系統(tǒng)實現(xiàn)不同區(qū)域視頻數(shù)據(jù)的通信。存儲服務(wù)器存儲容量應(yīng)滿足所有視頻輸入24 h全天候錄像(以CIF、JPEG或MPEG-4、H265/H264等格式)存儲并能滿足網(wǎng)絡(luò)攝像機圖像信息要求在24 h全天候錄像情況下保存30 d的需求。

3.3 智能服務(wù)器選型

智能服務(wù)器需要具備人臉管理、人臉比對、人臉以圖搜圖、人臉檢索等功能。具備接入、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)速率達到400 Mbps、320 Mbps、96 Mbps。整個智能服務(wù)器采用模塊化設(shè)計，至少支持30路人臉識別(1 080 P視頻流)或圖片流比對報警照片160張/s；能夠支持30萬張人臉樣本數(shù)和50個名單庫；支持2 000萬條人臉歷史抓拍庫以及1 000萬條周界防范告警；支持聯(lián)動錄像、抓圖、日志、蜂鳴、預(yù)置點、本地報警輸出、IPC報警輸出、門禁、語音播報等。

3.4 交換機選型

水電站內(nèi)交換機包括中心交換機和區(qū)域交換機，中心交換機需要采用智能型快速工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，以構(gòu)成10 Gbps以太網(wǎng)，傳輸速率10 Gbps。各節(jié)點計算機應(yīng)使用光口或RJ45電口直接連到交換機上。中心交換機一般布置于水電站各個區(qū)域節(jié)點之中，如中控室、地下廠房、開關(guān)站等區(qū)域。區(qū)域交換機采用工業(yè)級網(wǎng)管型快速工業(yè)級以太網(wǎng)交換機和工業(yè)級網(wǎng)管型千兆以太網(wǎng)交換機，以構(gòu)成10-100 Mbps自適交換式工業(yè)以太網(wǎng)和10-100-1 000 Mbps，傳輸速率100 Mbps和1 000 Mbps。

中心交換機和區(qū)域交換機的背板交換速率和包轉(zhuǎn)發(fā)率根據(jù)交換機接口數(shù)量確定。假設(shè)交換機內(nèi)接入一臺攝像機，則對于區(qū)域交換機至少需要2個1 000M端口和個100M端口，區(qū)域交換機的背板交換速率和包轉(zhuǎn)發(fā)率為：

C≥2×(2×1 000+X×100)

P≥2×(2×1.488+X×0.1488)

3.5 大屏顯示器選型

在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻的解碼與圖像顯示是最終的環(huán)節(jié)，最終所有的視頻信息會匯集到大屏顯示系統(tǒng)中，從而展示給用戶。目前在水電站中，一般會在中控室內(nèi)放置大屏顯示系統(tǒng)，可以實現(xiàn)整屏畫面任意分割、開窗漫游等拼控功能，主要有兩種類型: LCD、LED 平板顯示單元拼接系統(tǒng)和DLP、激光等投影顯示系統(tǒng)。目前大型水電站中一般采用LED顯示屏，大型顯示屏支持單畫面、四畫面、九畫面、十六畫面及大小組合畫面顯示方式。利用安裝在各點的攝像機，對所有監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進行實時監(jiān)視。可以根據(jù)攝像機焦距的變化(變焦攝像機)顯示大小不同的畫面。

4 結(jié) 語

隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站對智能化技術(shù)尤其是視頻智能化技術(shù)提出了更多的要求，因此筆者以水電站視頻智能化功能需求為基礎(chǔ)，提出了水電站智能視頻系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)備選型原則，從而最大限度地發(fā)揮水電站智能化技術(shù)的效能。