李 倩，陳 鍇

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

隨著智能化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，視頻監(jiān)控以其直觀、準確、及時和信息內(nèi)容豐富而廣泛應用于許多場合，包括交通、安防、發(fā)電設備運行及智慧城市的建設等[1]。目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有多畫面監(jiān)控效果、多樣的錄制策略、特別的移動偵測功能及靈活的報警聯(lián)動方式，可通過分析和對比圖像數(shù)據(jù)的變動來確定現(xiàn)場情況。通過分析監(jiān)控源地點的圖像變化，可實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的一系列聯(lián)動操作[2]。

視頻監(jiān)控能對大壩安全狀況實現(xiàn)快速、高效、在線、實時、遠程有效檢查，避免傳統(tǒng)人工巡檢的一些弊端。特別是針對庫水位、突發(fā)地質(zhì)災害、局部掉塊、局部隆起、結(jié)構裂縫及滲漏點的出現(xiàn)等相關環(huán)境量變化或結(jié)構缺陷等險情的識別、處理及預警，均具有較強的適用性。

但目前缺少對大壩安全視頻監(jiān)控應用的系統(tǒng)性研究。為了推動大壩安全監(jiān)測監(jiān)控感知手段的發(fā)展，將視頻監(jiān)控技術高效應用到大壩安全監(jiān)測領域，對水電站大壩安全視頻監(jiān)控應用場景和設計要點進行研究，十分有意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 大壩安全監(jiān)控技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大壩安全監(jiān)控是了解大壩運行狀態(tài)和安全狀況的有效手段，為采取缺陷處理措施提供指導，是一個獲取各種環(huán)境、水文、結(jié)構、安全信息，經(jīng)過識別、計算、判斷等步驟，最終實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測和控制的全過程[3]。

大壩安全監(jiān)控研究主要內(nèi)容如下：大壩安全監(jiān)控儀器和技術方法；獲取各種信息資料并進行誤差處理和分析，給出綜合評判和決策以控制大壩安全運行；大壩安全監(jiān)控智能系統(tǒng)開發(fā)等。

傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)控儀器和技術方法主要靠各類監(jiān)測儀器和人工巡視檢查獲取信息，信息類型主要包括：變形、滲流、應力應變和環(huán)境量等各類數(shù)據(jù)信息及巡視檢查的相關信息，并對獲取的信息資料進行分析。

巡視檢查是判斷大壩安全的重要手段，但人工巡視檢查對檢查人員的技術要求高，且某些部位人工難以到達。人工巡視檢查要求的頻次高，有些時候人工巡視檢查或現(xiàn)場測讀頻次難以滿足需要。

為了彌補傳統(tǒng)監(jiān)測儀器的不足，解決上述巡視檢查中遇到的問題，可利用視頻圖像監(jiān)控大壩運行狀態(tài)。視頻圖像作為大壩安全監(jiān)測的重要輔助手段，可以更好地了解和檢查大壩的工作狀態(tài)和運行情況，主要是對大壩、地基、岸坡的關鍵部位及監(jiān)測設施建立圖像監(jiān)視點進行實時監(jiān)控。

1.2 視頻監(jiān)控技術現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指利用攝像機通過傳輸線路將音頻視頻信號傳送至顯示、控制和記錄設備上，由前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

前端系統(tǒng)是指視頻監(jiān)控線纜前端連接的設備部分，主要指監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場設備，包括：攝像機、鏡頭、護罩、支架、立桿、變壓器、電源、云臺、解碼器、光端機、防雷器、接地體和抗干擾器等。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)需通過傳輸來傳遞信息，把分散在不同地點的音視頻等信息集中起來進行分析和處理。主要傳輸方式有：同軸電纜傳輸、光纖傳輸、網(wǎng)絡傳輸和無線傳輸。

控制系統(tǒng)主要指設置在監(jiān)控中心端的設備，包括控制、顯示和錄像機存儲（包括智能分析設備）三個部分?？刂撇糠职▽z像機監(jiān)控的音視頻和控制信號的控制、切換和傳輸；顯示部分用來顯示前端監(jiān)控攝像機拍攝的圖像和采集到的各類數(shù)據(jù)；錄像、存儲及智能分析部分用來存儲采集到的圖像和各類數(shù)據(jù)，同時進行簡單或復雜的智能分析。

2 大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他監(jiān)控系統(tǒng)的關系

視頻監(jiān)控是遠程巡視檢查的一種技術手段，因此大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的一部分。對于新建工程，在進行可研設計時，應在安全監(jiān)測專題中統(tǒng)一考慮大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃設計，這樣有利于大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安全監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。同時在可研階段宜與工業(yè)電視系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)合設計，對于現(xiàn)場布置、電纜牽引、電源供電、防雷接地等可統(tǒng)一考慮、共享資源。而對于已建工程，在進行大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計時，需要對已有的工業(yè)電視系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)等進行評估，并對大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行專項設計，統(tǒng)籌考慮工業(yè)電視系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)中可利用的設備、通信、電源等，有利于節(jié)約資源、統(tǒng)一規(guī)劃。

大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，由大壩安全監(jiān)測管理人員統(tǒng)一管理、使用。大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻、圖片等信息也是大壩安全監(jiān)測信息的一部分。

3 大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成

大壩安全視頻監(jiān)控需要對大壩及近壩庫區(qū)巡視檢查的重點部位、重要缺陷等監(jiān)控對象進行監(jiān)視。相對于智慧城市、智慧交通等系統(tǒng)來說，監(jiān)控范圍較小，且在實際工程應用時，大部分水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)均采用分布式結(jié)構，在監(jiān)控站進行統(tǒng)一存儲、控制。因此，大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為監(jiān)控點、監(jiān)控子站、監(jiān)控主站三個層級。其中，監(jiān)控點是前端設備安裝或監(jiān)控的場所；監(jiān)控子站是設置交換機，作為監(jiān)控前端設備信號接入和傳輸節(jié)點的場所；監(jiān)控主站是用于大壩安全視頻系統(tǒng)監(jiān)控管理、操作人員值守，對系統(tǒng)進行管理、控制，對監(jiān)控信息進行應用、處置的場所。監(jiān)控點內(nèi)包括前端設備，監(jiān)控子站內(nèi)包括傳輸設備（交換機），監(jiān)控主站內(nèi)有存儲設備、控制設備、顯示設備及信息管理系統(tǒng)等。具體結(jié)構見圖1。

圖1 大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構Fig.1 Structure of dam safety video surveillance system

4 大壩安全視頻監(jiān)控對象和項目

根據(jù)大壩安全監(jiān)控的要求和視頻監(jiān)控的特點，將視頻監(jiān)控項目分為三個層級。

4.1 全景監(jiān)控

即針對較大場景進行監(jiān)控。通過對水電站建筑物關鍵監(jiān)控因素的梳理研究，確定全景監(jiān)控的內(nèi)容和對象包括以下四部分：

（1）建設期的大壩基礎、壩肩槽、澆筑或填筑面貌，圍堰及導流設施，樞紐區(qū)邊坡及棄渣場；運行期的壩頂，上、下游壩面，左、右岸壩肩。

（2）影響工程安全的泥石流溝、滑坡體等。

（3）大壩管理區(qū)范圍內(nèi)的大型漂浮物。

（4）大壩管理區(qū)范圍內(nèi)下游河道的過流泄水、人員活動。

4.2 重要部位監(jiān)控

針對影響大壩安全的重要部位，梳理可利用視頻進行監(jiān)控的部位，并針對混凝土壩、土石壩等不同壩型的結(jié)構特點，確定監(jiān)控部位，主要包括以下六個部分：

（1）混凝土壩的基礎廊道、集水井、岸坡連接壩段、不同結(jié)構連接部位；

（2）土石壩的壩腳、防浪墻與防滲體的結(jié)合部位、穿壩建筑物的下游面、岸坡連接壩段；

（3）泄洪閘門、泄槽、消能設施；

（4）有失穩(wěn)跡象，且失穩(wěn)后影響工程正常運行的近壩庫岸和工程邊坡；

（5）影響工程安全的其他關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)；

（6）上下游水尺、量水堰堰上水尺、壓力表、數(shù)顯監(jiān)測儀器等重要監(jiān)測設施。

4.3 缺陷監(jiān)控

即針對不同部位的缺陷，視頻可以針對性監(jiān)控其現(xiàn)狀，記錄發(fā)展態(tài)勢。目前梳理出可利用視頻進行監(jiān)控，且對大壩安全有重要影響的缺陷主要包括以下五方面：

（1）壩基、壩腳及壩后等部位的涌水點；

（2）壩前水下入滲點、壩面裂縫、沖蝕等；

（3）影響大壩整體安全的裂縫、錯動、塌陷等；

（4）對大壩安全影響嚴重的其他缺陷；

（5）流道上部大梁等易阻水部位。

5 大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)設備選型及布設要點

5.1 前端設備

確定大壩安全視頻監(jiān)控的對象和項目后，可根據(jù)監(jiān)控對象的監(jiān)控要求和所在部位特點進行設備的選型和布設。針對上述三個監(jiān)控層級，監(jiān)控的要求可分別總結(jié)為：“看得見”“看得清”和“看得懂”。

（1）全景監(jiān)控的都是大場景，對于大壩安全來說，關心的是這些部位的整體面貌、是否發(fā)生滑移等大范圍的變化，因此監(jiān)控的要求為“看得見”。

監(jiān)控建設期的大壩基礎、壩肩槽、澆筑或填筑面貌，圍堰及導流設施，樞紐區(qū)邊坡及棄渣場，運行期的壩頂，上、下游壩面，左、右岸壩肩，需24 h全天候進行監(jiān)控，且能做到透霧監(jiān)控，對于清晰度來說，能看得見目標即可。測點布置時，需根據(jù)施工現(xiàn)場條件，布置在左右岸高程相對較高、視野較佳處，設備類型可采用超高清全景攝像機，監(jiān)控目標距離超過2 km時可以采用高空瞭望激光云臺。

（2）重要部位監(jiān)控的場景相對來說范圍較小，是某一特定部位，因此監(jiān)控的要求為“看得清”，即需要看清該部位的狀態(tài)是否正常。

監(jiān)控混凝土壩的基礎廊道、集水井、岸坡連接壩段、不同結(jié)構連接部位時，需要24 h全天候監(jiān)控，且可清晰抓拍關注范圍內(nèi)的目標物和關鍵部位狀況，因此監(jiān)控點布置應滿足監(jiān)控場景要求，以覆蓋監(jiān)控部位為原則確定監(jiān)控點個數(shù)，而監(jiān)控設備則宜采用高清網(wǎng)絡紅外球機。針對廊道這一特殊場景，亦可采用巡檢機器人搭載云臺進行監(jiān)控。監(jiān)控上下游水尺、量水堰堰上水尺、壓力表、數(shù)顯監(jiān)測儀器等重要監(jiān)測設施時，需要24 h全天候監(jiān)控，可看清目標運行狀態(tài)、數(shù)字或刻度，對應設備宜采用高清網(wǎng)絡紅外筒機。

（3）缺陷監(jiān)控針對影響大壩安全的各種缺陷進行重點監(jiān)控，在能看到缺陷的基礎上，還可利用人工智能技術、圖像識別技術等達到“看得懂”的程度。

針對壩基、壩腳及壩后等部位的涌水點，需要24 h全天候監(jiān)控，且能分辨目標類型、顏色。監(jiān)控點布置除滿足看清缺陷目標的要求外，還應考慮缺陷識別功能需滿足的特殊要求，在設備選型時宜采用高清網(wǎng)絡紅外筒機。針對影響大壩整體安全的裂縫、錯動、塌陷等，需24 h全天候監(jiān)控，且能分辨目標類型，在有廊道的大壩，最佳方式可采用軌道式機器人（掛載可見光云臺）或高清網(wǎng)絡紅外筒機。

各類監(jiān)控設備相關技術指標見表1。根據(jù)上述要求可確定前端設備的類型，之后還需根據(jù)不同監(jiān)控環(huán)境和要求，確定其他參數(shù)。例如：當監(jiān)控目標環(huán)境照度較低（＜1 Lux）或補償性光源較弱，可以采用超低照度攝像機；在大壩、庫區(qū)環(huán)境多霧的監(jiān)控場景，可以采用具有透霧功能的攝像機；針對大壩、庫區(qū)、水閘、邊坡等大場景，需要經(jīng)?？焖僮儞Q監(jiān)控對象的室外場景，可以采用一體化高速球形攝像機或全景攝像機。監(jiān)視周邊環(huán)境時，可以采用全景攝像機和球機聯(lián)動，也可采用無人機、無人船等搭載相應視頻監(jiān)控設備來完成；全景大壩制高點監(jiān)控宜采用高空瞭望云臺攝像機或全景攝像機；需要觀察多個方向，且要清晰顯示細節(jié)的區(qū)域，宜布設高速球型攝像機；監(jiān)控閘門、閥門、門槽、量水堰、壓力表、數(shù)顯監(jiān)測儀器等固定場景對象，可采用固定式定焦攝像機；環(huán)境照度變化大的場所宜采用寬動態(tài)攝像機。同時，鏡頭的焦距還需要根據(jù)視場大小、鏡頭與監(jiān)視目標的距離按相關公式確定。另外，水電站大壩在應急狀態(tài)下，可能出現(xiàn)通信中斷的情況，而此時監(jiān)控視頻是十分重要的資料，因此，若在前端攝像機配置256 GB的存儲卡，可在通信中斷的情況下，存儲一定時長的視頻。

表1 大壩安全視頻監(jiān)控前端設備技術指標Table 1 Technical indexes of front-end equipment in the dam safety video surveillance system

5.2 信號傳輸要求及相應設備

當視頻監(jiān)控點位置距離監(jiān)控主站較遠，且相對集中的時候，可在附近設置監(jiān)控子站，將多個監(jiān)控點的信號集中后再統(tǒng)一傳送至監(jiān)控主站?？紤]大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的關系，可以將監(jiān)控子站和大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的監(jiān)測站結(jié)合布設。大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的監(jiān)測站一般布置在監(jiān)測儀器集中的地方，并具備一定的工作空間和穩(wěn)定可靠的電源，有條件與監(jiān)控子站分享上述資源。

大壩安全視頻監(jiān)控主站與監(jiān)控子站連接，可以控制、監(jiān)視、調(diào)閱所轄范圍內(nèi)所有監(jiān)控前端的視頻和音頻信息。同樣，大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主站可以與大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的監(jiān)測管理站結(jié)合布設，相關設備的設置協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，滿足系統(tǒng)運行、系統(tǒng)管理、設備安裝和維護等要求。

大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信方式的選擇應根據(jù)監(jiān)控點與監(jiān)控子站、監(jiān)控子站與監(jiān)控主站的距離、傳輸介質(zhì)、環(huán)境條件等確定，采取有線傳輸或無線傳輸方式。有線通信傳輸介質(zhì)可根據(jù)需要及現(xiàn)場條件選擇光纜、五類及以上網(wǎng)絡線纜等。對于部分難以部署有線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控點位，可以采用無線通信方式。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)適用的無線通信方式主要包括無線網(wǎng)橋和4G、5G等移動通信技術。

5.3 信息存儲要求及相應設備

視頻監(jiān)控存儲方式可分為分布式存儲和集中存儲兩種，因大壩安全視頻監(jiān)控路數(shù)一般不多，且區(qū)域相對集中，根據(jù)相關工程經(jīng)驗，大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)比較適宜采用監(jiān)控主站集中存儲的方式。

針對大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點，存儲設備在選型時需要考慮以下方面：一是能保存原始場景的監(jiān)視記錄，監(jiān)視記錄應有原始監(jiān)視時間和地址信息，并具有防篡改功能；二是要采用嵌入式設計，支持視頻監(jiān)控接入、存儲、管理和控制等基本功能；三是要支持ONVIF、RTSP標準及主流廠商的網(wǎng)絡攝像機，支持視頻集中管理、視頻參數(shù)配置、信息的導入和導出等功能。存儲容量大小可根據(jù)視頻存儲時間的要求進行計算設計。

大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的信息分為24 h不間斷的視頻流信號和抓拍的視頻、圖片。視頻流在存儲設備中的儲存時間按照一般電站管理要求，建議不少于30 d。存儲設備在選型時，可以根據(jù)存儲時間要求確定存儲容量。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中抓取重點部位、重要時段的圖片及生成報表的頻次應該與大壩安全監(jiān)測相關規(guī)范中關于巡視檢查的頻次要求相適應，因為抓拍的視頻、圖片等屬于巡視檢查資料，可以根據(jù)相關法規(guī)和運行單位管理規(guī)定進行存儲和管理。

6 大壩安全視頻監(jiān)控信息管理功能

大壩安全視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)除了要具備視頻儲存、查看、回放、截取、轉(zhuǎn)發(fā)、預置位設置、設備遙控、斷網(wǎng)續(xù)傳、自診斷等視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎功能外，在大壩安全領域，最好還能具備以下功能，以滿足大壩安全運行管理的要求。

（1）事件捕捉識別。主要針對以下情況進行事件的記錄，并自動截取保存事件起始時間范圍內(nèi)的視頻：大體積漂浮物或失控船舶越過壩前警戒線；庫水位、下游水位超警戒水位線；泄洪閘門開啟及關閉的過程；建筑物結(jié)構出現(xiàn)開裂或變形，以及邊坡和壩坡出現(xiàn)塌陷、滑動等現(xiàn)象；射水、涌水等明顯滲漏現(xiàn)象，以及滲漏水渾濁等情況。

（2）巡視檢查。通過人工控制攝像機或攝像機自動巡航對監(jiān)控范圍進行巡視檢查，利用人工判定識別或利用攝像機捕捉識別功能記錄巡檢結(jié)果。

（3）闖入識別。具備人臉闖入識別、船只闖入識別等功能性應用，記錄闖入事件的開始和結(jié)束時間、闖入對象類型和數(shù)量，能自動截取并保存闖入對象的圖片、闖入過程的視頻。

（4）異常預警。支持不同的報警方式，包括短信報警、電話報警、鈴聲報警、移動應用程序消息報警，具有報警聯(lián)動的接口。報警信息中應當包括事件類型、事件發(fā)生時間、事件發(fā)生地點、預警等級、預警事件對應的監(jiān)控圖片等。

（5）統(tǒng)計匯總。按照時間區(qū)間、事件類型、報警類型、監(jiān)控部位等指定條件對事件進行匯總統(tǒng)計。

同時，為了適應移動終端的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以支持在移動端的應用，移動應用程序可以具備以下功能：能夠查看不同監(jiān)控部位的實時監(jiān)控視頻和視頻回放；在觸發(fā)報警功能后，根據(jù)報警等級的不同，向相關用戶推送報警信息；可分歷史事件信息、歷史報警信息進行查詢。

目前，利用人工智能、圖像識別等技術，可以初步實現(xiàn)一些簡單功能，如混凝土裂縫的識別、滲水析鈣的識別等。

7 結(jié)論與展望

大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為巡視檢查的輔助手段，適用于所有水電水利工程。特別是一些中小型水電水利工程，因其監(jiān)測儀器偏少、現(xiàn)場管理人力不足，更需要建立大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)，協(xié)助遠程水工管理人員了解大壩現(xiàn)場運行狀態(tài)，提高大壩安全現(xiàn)場管理水平。

大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，應納入工程的安全監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃設計、統(tǒng)一運行管理，同時宜與工業(yè)電視系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)等協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，實現(xiàn)資源、信息共享。大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為監(jiān)控點、監(jiān)控子站、監(jiān)控主站三個層級，對大壩及近壩庫區(qū)巡視檢查的重點部位、重要缺陷等監(jiān)控對象進行監(jiān)視。大壩安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計時需進行總體規(guī)劃、永臨結(jié)合，遵循實用性、可靠性、經(jīng)濟性、先進性、可維護、可擴展、可升級的原則，確定重點監(jiān)控部位、監(jiān)控項目及技術要求。

目前大壩安全監(jiān)控儀器和技術方法已由傳統(tǒng)監(jiān)測技術轉(zhuǎn)向多學科相融合的自動化監(jiān)測技術，自動化、數(shù)字化、可視化、智能化是大壩安全監(jiān)控技術發(fā)展的必然方向。隨著視頻監(jiān)控技術、人工智能技術的不斷發(fā)展和大壩安全領域?qū)＜覀兊牟粩嗵剿鳎痪玫膶?，一定能更好地通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對監(jiān)控對象缺陷的智能識別、管理和告警，推動大壩安全監(jiān)測監(jiān)控感知手段的不斷發(fā)展。