（电气工程专业论文）变电站视频监控系统的方案设计.pdf

a b s t r a c t t h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nl o n g d i s t a n c ev i d e of r e q u e n c ys u p e r v i s o r ys y s t e mi s ac o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i v es y s t e m ，i n v o l v e st ot h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h en e t w o r k i n g ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ei m a g e c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , g u a r d sa g a i n s tt h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dt h ew e a k e l e c t r i c i t yi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yp e a c e f u l l ya n ds oo nv a r i o u sa s p e c t sc o m p r e h e n s i v e t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l e i nv i e wo ft h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni m a g em o n i t o r i n g d e m a n d ，d e s i g n e das e t t of a c et h ee l e c t r i cp o w e rp r o f e s s i o nt h et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nr e m o t e l yt or e g a r dt h es y s t e ms p e c i a l l y i i lt h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r e ，g u a r a n t e e si n t e r n a t i o n a l l yu s e s f i r s tt h e nt h e m a t u r et e c h n o l o g y , g u a r a n t e e st h es y s t e mt h el e a d i n gs t a t u s ，a sw e l la st h ef u l lu s e m o d e mc o m m u n i c a t i o n ，t h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h el o n g - d i s t a n c e c o n t r o lt e c h n o l o g y , c a u s ei th i g h l yt oi n t e g r a t e d e s i g n st h es y s t e mo u g h tt ob ea b l e r e a l t i m es u r v e i l l a n c et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ne a c h k i n do fe q u i p m e n t ，t oh a v et h e v i d e of r e q u e n c yv i d e or e c o r d i n g , t or e t u r np u t st h ef u n c t i o n ；c a ng a t h e rt h ew a r m h u m i d i t yd e t e c t o r , t h es m o gd e t e c t o re q u i s i g n a l ，h a sa n a l y z e sa n dr e p o r t st ot h ep o l i c e t h ef u n c t i o n i nt h ed e s i g n ，h a sf u l l yu s e dt h eh 2 6 4c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , t h ec l a s s m e d i at e c h n o l o g y , t h et c p i pn e t w o r ka g r e e m e n t ，t h ep r o n u n c i a t i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cl i n ks t o r e h o u s e ，t h ed a t ab a n kt e c h n o l o g y , h a sr e a l i z e db a s e d o nn e t w o r kr e a l t i m el o n g d i s t a n c ev i d e of r e q u e n c yg a t h e r i n ga n dt h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s - h 2 6 4 ，d i g i t a lv i d e o m o n i t o r ，c l i e n v s e r v e r ，n e tt r a n s m i s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一嘲承氓一年矶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 糊一签名蔫泛乒父 签字吼矽7 年月z 厂日 导师签名：方掺炳己 签字日期：少哆年f 月2 刀日 第一章绪论 第一章绪论 随着电力系统网络的全面改造，各变电站均要实现无人值守，以提高生产 效益。在电力调度中心、集控站建立视频监控中心，能够对各变电站的有关数 据、环境参量、视频进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握各个 变电站的情况，并及时对发生的情况做出反应。 1 1 远程视频监控系统的发展状况 国家电力调度通讯中心要求现有的3 5 k v 、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 变电站在条件成 熟时，逐步实现无人值班：新建变电站应按无人值班方式设计。目前“无人值 班 已成为考察电力企业达标创一流的一个重要指标。 各地电力部门在探索变电站无人值班的实践中，建立起了多种模式的集控 站系统，基本实现了“四遥功能，使运行和维护人员的数量大大减少，运行 水平得到了显著提高。 但依旧存在如下问题，严重制约了无人值班变电站的快速发展。 ( 1 ) 二次信号误报的干扰 二次设备误发信号会扰乱无人值班变电站正常运行和管理秩序。 ( 2 ) 一次设备的可靠性问题 设备可靠性问题是制约老站无人化改造的决定性因素。例如，从运行统计 情况看，目前生产的刀闸( 包括进口刀闸) ，其一次合闸成功率达不到1 0 0 ， 操作后必须有人到现场确认成功后，才能合上开关。如果能对刀闸遥控，并通 过远方视频监视确认合闸成功，既可减少操作队的工作量，又能大大缩短操作 时间，这对确保电网安全优质供电无疑是大有益处的。 ( 3 ) 巡检和维护工作量 现有s c a d a 系统通常只进行电气数据的实时监测，还不能全面直观地反 映变电站的设备运行状况，因而在实行变电站无人值班之后，维护人员仍需花 费很大精力对所属变电站频繁地进行逐一巡检，操作维护工作量急剧增大。即 使如此，这样的例行巡检也不能确保及时发现事故隐患和事故。 ( 4 ) 安全防范能力 安全是电力企业运行的重要前提，企业的经济效益和社会效益都以安全为 基础。由于社会治安以及设备本身可靠性的原因，多数电业局的无人值班变电 站还留有1 名守卫人员，其职责是变电站的警卫、环境清扫、紧急情况报警 第一章绪论 等，未实现真正意义上的“无人黟。 随着光纤网络的建成，“五遥的概念应运而生。将变电站的视频数据和监 控数据由变电站的前端设备采集编码，并将编码后的数据通过网络传输到监控 中心。监控中心对接收到的视频数据进行监控、存储、管理。变电站图像监控 系统的实施，为实现变电站的无人值守，推动电网的管理逐步向“自动化、综 合化、集中化、智能化方向发展提供了有力的技术保障。 事实上，在无人值守变电站的实施过程中，电力部门除了要求变电站设备 状态数据外，又进一步提出了对各现场图像、声音及相关设备的远程监视及图 像监控要求。即：电力调度既要掌握各变电站的电气量( 如电压、电流、功 率) ，又要实时地看到各变电站的现场图像( 如变压器、闸、控制柜以及变电站 场景) ，并要求对各变电站现场的摄像机及其他相关设备进行全方位控制。有些 变电站还要求具有与控制中心进行双向对讲的功能。此项要求的提出主要是为 了监视无人值守变电站是否有人非法闯入，以及变电站现场是否有其他异常情 况( 如刀闸是否动作或接触是否良好，变压器是否冒烟、起火等) 。如果有人非 法闯入或是无意进入监视区域，则报警系统应能够自动侦测到，管理人员通过 远程声音广播系统予以警示。 双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等有线或无线传输介质构筑了当今社 会各式各样的网络。网络的规模也不尽相同，既可能是覆盖某县区的局域网， 又可能是覆盖整个城市的城域网，还可能是覆盖整个省份、国家甚至整个世界 的广域网。从系统的物理结构看，同一区域或不同区域间的不同类型的网络终 端设备都已通过上述不同种类、不同规模的网络实现了物理连接，这也是基于 网络的视频监控系统的物理基础。各独立的视频监控设备通过嵌入式设备或连 网的计算机接入到网络。监控摄像机的图像可以通过网络，以数字流媒体的形 式传输到控制中心或其他授权的分控计算机。同时，通过传输网络，在控制中 心或分控计算机上也可以向监控前端的各受控设备发出控制指令。在各类宽带 网络及宽带交换技术正在突飞猛进的今天，把视频监控系统建立在网络环境下 的实用意义是显而易见的。 视频监控随着科技的发展而前进。它经历了三个时代： 第一代：模拟时代。视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，并由控制主 机进行模拟处理； 第二代：半数字时代。视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输由多媒体控 制主机或硬盘录像主机( d v r ) 进行数字处理与存贮； 第三代：全数字时代。视频的前端图像采集设备输出的信号为数字信号。 采用流媒体技术实现视频信号在网上的多路复用传输。通过网络虚拟( 数字) 矩 2 第一章绪论 阵控制主机来实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制等功能。此 外，报警、门禁、巡更等前端设备输出的数字信号也通过网络进行传输，并在 同一平台上进行管理与控制n 棚。 视频监控系统已经步入了全数字时代，彻底打破了“闭路电视系统模拟 方式的结构，从根本上改变了视频监控系统从信息采集、传输处理、系统控制 的方式。目前，监控正在走向现代“四化 阶段： ( 1 ) 前端一体化 监控系统前端一体化意味着多种技术的整合、嵌入式构架、适用和适应性 更强，以及不同探测设备的整合输出，为系统集成化奠定了基础。 ( 2 ) 传输网络化 视频监控系统的网络化意味着系统的结构将由集总式向集散式系统发展， 集散式系统采用多层分级的结构形式，将使整个网络系统硬件和软件资源以及 任务和负载得以共享，这也是系统集成与整合的重要基础。 ( 4 ) 处理数字化 信息处理数字化意味着信息流的数字化和遵循开放式的协议。采用具有微 内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统，以实现抢先任务调度算法 的快速响应。 ( 5 ) 系统集成化 硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计。系统设备的配置具有通 用性强、开放性好、组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好 以及系统安装、调试和维修简单化等特点。系统集成化正是由于构建系统的各 子系统均实现了网络化和数字化，特别是使视频监控系统与弱电系统中其它各 子系统间实现无缝连接，从而实现了在统一的操作平台上进行管理和控制。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认 的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础。所 以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 大规模数字传输网络是实现现代“四化 的物质基础。为加快电力系统数 字化的步伐，电力部门已经在全国范围内开始构筑s d h 光纤传输网络，各省市 电业局也相应开始在其所辖区域内构筑s d h 传输网，并通过网络将所有变电站 连接起来1 。 1 2 工作目标 远程网络视频监控系统将变电站的视频、音频等实时数据由变电站前端的 设备采集编码，并将编码后的数据通过计算机网络传输到监控中心。监控中心 第一章绪论 将接收到的视频、音频数据进行集中统一的管理。本课题根据视频监控在计算 机网络中的传输原理，运用w i n s o c k 控件，采用模块化设计，讨论了基于 t c p i p 和h 2 6 4 的数字图像压缩的变电站图像监控系统。包括如下内容： ( 1 ) 利用安装在监视目标区域的摄像机，对监视点内的主设备进行全方位 布防监视。如：监视刀闸、断路器分合指示以及运行状态等。 ( 2 ) 通过视频监控主机对多路视频进行切换。 ( 3 ) 将送至视频监控主机的模拟视频信号进行数字化处理。采用h 2 6 4 压 缩算法，将视频信号进行压缩。 ( 4 ) 将压缩后的视频数据在本地进行录像存储。 ( 5 ) 将压缩后的视频数据通过传输网络送至远端监控中心。 ( 6 ) 利用红外三鉴探测器、红外对射探测器、烟雾探测器等把监视点内的 告警信号采集送至数据采集器，由数据采集器通过r s 4 8 5 现场数据总线送至监 控主机。 ( 7 ) 根据本地或监控中心操作发出来的命令，通过现场总线连接的视频监 控主机，控制多路视频的任意切换。 ( 8 ) 根据本地或监控中心操作发出来的命令，通过现场总线连接的控制器 ( 云台解码器) ，控制镜头聚焦、近景远景、光圈调节，控制云台上下、左右和 自动巡视等动作。 4 第二章系统方案的设计要求 第二章系统方案的设计要求 2 1 系统的设计原则 视频监控系统是将安装在变电站内各监视目标区域内的摄像机图像和环境 数据、报警信息集中到变电站的视频监控主机上进行监视，同时由视频监控主 机通过通信网络如e l 、光纤以太网等，传送到调度中心和集控站视频监控中 心，运行人员通过监控中心视频监控工作站对目标区域内进行监视。设计原则 如下： ( 1 ) 先进性与成熟性 系统完全数字化、网络化，在设计与制造上确保采用国际先进而又成熟的 技术，确保系统的领先地位。 ( 2 ) 可靠性 系统选用性能优良、质量可靠的硬件设备和技术，充分考虑系统的冗余容 错能力，具备完善的防雷和抗干扰能力，确保系统的稳定运行。 ( 3 ) 安全性 系统采用严格的操作密码保护机制，并可以设置多种操作权限，相应权限 的用户只能进行其权限内的操作。用户在操作结束后可释放权限，防止被无关 人员非法操作，以保证整个系统的安全性。 ( 4 ) 系统高度集成化 充分利用现代通信技术、计算机网络技术和远程控制技术，将各分散的子 系统集成一起。 ( 5 ) 系统应具有良好的兼容性 应用软件要采用模块化结构，根据需要配置不同功能模块。软件对硬件具 有兼容性和适应性。硬件要采用分布式结构，根据需要可以随时增加或减少设 备，相互之间不受任何影响。 2 2 系统的功能要求 2 2 1 视频监控功能 利用安装在前端的摄像机将被监视目标的图像传输到视频监控主机，同时 通过视频监控主机可完成对前端设备的控制。变电运行人员通过安装在主控室 第二章系统方案的设计要求 的视频监控客户端机对目标区域内的设备进行全面系统监视。具体来说，有以 下几点： ( 1 ) 视频监控主机可对所有的接入视频信号进行2 4 小时本地录像，硬盘 录像保存时间不得少于3 0 天。各个显示画面上应有站名、设备或地点命名、时 间、日期等文字显示。允许同时浏览、监控现场图像的视频监控客户机不少于 5 台。 ( 2 ) 系统应具备对前端监视静止图像变化分析、物体移动侦测的功能。可 以自动检测监控图像框内物体的明显移动并且在其动作范围超出限定值之后触 发报警。 ( 3 ) 根据变电站设备特点，可制定相应的巡检表。监控人员日常巡检工 作，只要打开巡检表，按照操作要求，进行巡检监控即可。如果一台摄像机需 要监视多个目标点，带预置功能的一体化摄像机是一种很好的选择。其原因 是：它能预置多个监视位置的云台和镜头参数，使用时，能方便快速地转到相 应预置点，并自动调整好镜头的变焦和图像清晰度。 ( 4 ) 系统可配备金属热感探测器或专用红外测温装置，能自动地进行超温 检测和报警；室内温湿度监测由温湿度探测器实现对温度、湿度数据的采集来 完成。温湿度应可以按照安全要求设定安全警戒数值。一旦越限，应立即发出 报警提示。 2 2 2 操作管理功能 ( 1 ) 录像及回放 能进行手动控制录像、计划录像、移动侦测录像、报警联动录像，录像时 间周期可根据需求而定。录像资料自动管理，无需人工干预。硬盘录满后，自 动删除最旧的录像资料，重复循环使用硬盘空间。在录像资料回放方面，可根 据需要分别按摄像时间、告警提示等要求进行检索和调看。 ( 2 ) 报警事件管理 当报警发生时，启动报警联动，自动切换到报警点摄像机。任何告警历史 记录、数据统计均保存6 个月以上，并可随时调看。 ( 3 ) 操作权限管理 可设置监控客户机的用户权限和级别。监控客户端机通过客户端软件实现 用户登录，对变电站现场图像接收与显示，对前端图像设备可实时遥控。 m i s 网内用户可通过安装客户端软件远方登录查看前端监视图像，或利用 w e b 浏览器远方登录查看前端图像监视信号，但远方控制功能只有授权后才 有。 6 第二章系统方案的设计要求 ( 4 ) 摄像机和云台控制 ， 可遥控前端云台上、下、左、右转动，可遥控摄像头远、近变焦：可遥控 开启站端室内照明设施，具有人工控制和自动延时关闭方式；可设置前端云台 自动巡检功能；可进行单画面多画面的自定义分组循环轮巡监视；可利用列表 方式调看变电站前端摄像机画面；可利用电子地图调看变电站前端摄像机画 面：可利用巡检表和电子地图直接查看快球的预置位画面，满足用户端对视频 图像预置点的“即点即现 功能口，。 2 2 3 警视联动功能 报警( 火灾、非法入侵等) 事件发生时，系统自动联动现场照明灯光、警 笛等相关设备，有预置功能的摄像机能自动转到预置点，自动触发厂区相关现 场的录像机进行录像，报警信息可以通过厂区现场的设备，经e 1 信道上传至 调度室监控中心处理，也可通过调度室监控中心经通道传至巡检班分控中心和 保安监控中心处理。也可将报警信息在m i s 系统局域网( l a n ) 上广播，局域 网上的局长分控台、总工分控台等各分控台通过相应的网络版m i s 系统软件可 以共享此报警，并且按照不同的权限和优先级别对报警做出处理。 ( 1 ) 告警联动功能 能与s c a d a 系统、红外对射组成的人员非法侵入周界告警系统、烟感告 警信号或变电站消防告警系统、视频图像移动侦测告警系统联动。当有联动报 警信号发生时： a ) 可自动切入告警画面； b ) 可自动开启相关分区的灯光照明系统； c ) 可自动开启警铃报警，可延时关闭； d ) 显示器可自动弹出告警文字对话框，并生成告警记录列表滚动显示； e ) 可自动发出声音提示，经值班员确认后闭音； f ) 可自动启动相关镜头开始告警录像，并延时关闭； g ) 当多个告警同时到达时，告警弹出画面自行叠加。 ( 2 ) 消防报警系统功能 由烟雾探测器实现对室内烟雾的采集，当检测到烟雾时向监控主机提供报 警信号。本系统具备变电站原有消防报警设备系统通信规约接入功能，既不影 响原系统功能，又满足了本系统分区报警、告警联动、信号远传的基本功能。 ( 3 ) 周界围墙红外对射报警功能 周界围墙设置主动红外报警器，当物体越过此间隔，阻断光线向监控主机 提供报警信号。 7 第二章系统方案的设计要求 周界报警系统的报警范围为：a ) 有人或物体入侵时；b ) 报警设备被破坏 时。 ( 4 ) 灯光联动控制系统功能 室内和室外场区灯光可实现人工遥控开启，人工遥控关闭和自动延时关闭 功能；灯光遥控功能不影响站内原有人工开启和关闭功能；室内和室外场区灯 光可实现告警联动时自动分区开启、延时关闭功能。 2 3 传输通道要求 目前，对于变电站图像监控系统通常有以下几种传输方式： ( 1 ) 以太网传输方式 以太网传输方式要求各变电站的光纤或微波设备提供以太网接口，以便于 变电站的图像、声音及数据经监控主机通过以太网接口上传至监控中心，或者 要求变电站已经和监控中心通过局域网相连。变电站的图像、声音及数据经监 控主机通过以太网经过各级路由器、交换机或h u b 上传至监控中心。 ( 2 ) 2 m 以太网传输方式 2 m 以太网传输方式要求各变电站的光纤设备提供2 m 接口，以便于变电站 的图像、声音及数据经监控主机通过2 m 以太网桥上传至监控中心；监控中心 通过2 m 一以太网桥将各变电站上传的图像、声音及数据汇集到中心网络交换 器上与局域网上其他机器连接，供其进行处理。 ( 3 ) 光纤模拟传输方式 采用模拟光端机采集摄像机图像不经过任何压缩处理，直接通过光纤把模 拟图像传输到远端。 三种方式的各项比较见表2 1 。 表2 1 三种传输方式比较表 传输方式图像质量实时性扩展性发展图像显示性价比 以太网很好很好很好主流数字高 2 m 一以太好很好好主流数字高 2 m 一般一般一般非主流模拟一般 随着通讯技术的快速发展，以太网络越来越普及，因此基于以太网络的传 输方式，己经成为监控系统传输方式的首选。 然而，由于本系统监控终端均依赖以太网，采用h 2 6 4 压缩技术和c s 监控 第二章系统方案的设计要求 方式，且视频源众多，情况各异，图像监控所用的视频信号往往会彼此或和其 他系统争用带宽。当网络中存在过多的数据包时，网络的性能下降，发生拥 塞。在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃 ( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 现象。一般来说，拥塞崩溃发生在网络负载的增加导致 网络效率降低的时候。拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满 足用户的需求，这些资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能 力。由于互联网的设计机制导致其缺乏“接纳控制 能力，在网络资源不足时 不能限制用户数量，而只能靠降低服务质量来继续为用户服务，也就是“尽力 而为一的服务。拥塞虽然是由于网络资源的稀缺引起的，但单纯增加资源并不 能避免拥塞的发生。所以，需要根据网络带宽、流量和用户的请求合理分配各 个视频流数据的传输，包括：采用组播技术以降低多个用户请求统一视频流数 据时的网络流量；选用档次较高的交换机以硬件控制流量；采用v l a n 虚拟专 网，把相关计算机规定在一个虚拟网之内以解决冲突域、广播域、带宽问题。 地调、配调与监控机房距离较近，采用网线直联、划分v l a n 及开放组播功能，较 好的解决了与m i s 网的数据拥塞问题睁1 1 】。 2 4 系统的安全设计要求 针对变电站图像监控系统安全的重要性，从以下几个角度来加强系统及系 统数据的安全，消除安全方面的担心。 ( 1 ) 安全管理 变电站图像监控系统本身具有安全配置管理功能，当操作人员变更或增 加、删除系统中被监控的对像及调整系统参数时，用户均可通过应用界面改变 系统配置文件来完成系统配置。 变电站图像监控系统具有安全的操作管理功能。为保证系统安全，使用某 些功能时必须输入密码，经系统确认后方可进入系统，进行操作。操作密码有 不同等级，以限制不同人员的操作范围。同时，所有被监控设备都应有操作记 录，包括操作人、被操作设备、操作日期、时间等，以备系统对操作记录查 询、统计、分析。 系统可根据用户需要，生成各种形式的统计资料、交接班日志。 此外，w i n d o w s 操作系统软件中的某些功能端口在变电站图像监控系统 中没有用到，系统软件将这些端口进行了屏蔽，防止某些针对这类端口发动的 攻击行为，进一步减少了系统出错的概率，增强系统的稳定性、安全性。 ( 2 ) 防病毒 变电站图像监控系统在运行过程中，需要与外界发生数据信息的交换，这 9 第二章系统方案的设计要求 样的交换过程有可能将计算机病毒带入，给系统造成损害，从而给客户或最终 用户带来损失。为此，一方面，在系统软件功能设置上尽量减少非法数据信息 交换的次数；另一方面，为系统安装了防杀病毒软件。 ( 3 ) 防火墙 为进一步加强系统的安全性，变电站图像监控系统还可以接入防火墙设 备，以减少来自系统外部的网络入侵。 ( 4 ) 物理隔离 对于变电站图像监控系统信息数据的安全工作，除了在系统操作流程中严 格限制以外，方案采取物理隔离，单独保存的措施来进一步加强数据信息的安 全性。 在变电站图像监控系统日常运行管理过程中，系统管理人员可定期( 每个星 期每半个月每个月每半年) 将系统数据信息通过刻录机刻录下来，备份到光盘 上进行物理备份。这样，既解决了系统物理存储空间的有限性和系统运行录像 对系统物理存储空间需求的不断增长之间的矛盾，也提高了系统信息及数据的 安全。 ( 5 ) 看门狗 为了增强系统的安全性，采用了硬件看门狗技术，看门狗与系统复位相连 接，变电站图像监控系统正常运行时，其软件定时向看门狗发送信息，看门狗 收到信息则不重新启动机器，否则，重新启动机器，这样就防止出现系统死 机、非法关机等威胁到系统安全、稳定运行事件的发生n 纠习。 1 0 第三章系统方案的设计与设备选择 第三章系统方案的设计与设备选择 3 1 视频网络传输技术 3 1 1d d n 、x 2 5 、帧中继技术 d d n 采用时分复用技术，对应于o s i ( 开放式互联体系) 的物理层，技术非 常成熟，可支持高速数据和多媒体业务。因其延时很小，能保证端到端的数据 透明传输，数据吞吐量又大，所以非常适合实时业务及多媒体业务。但另一方 面，d d n 是基于传统的时分复用技术，其带宽是固定分配的，并不能提供端口 和带宽的共享，带宽利用率低，不支持突发性业务的特性，对今后网络中大量 的局域网互联业务的支持有限。 s p d n e t ( 国家电力数据网络，原称c e d n e t ) 采用分组交换技术，以d d n 设 备作为数据通道复接设备，各节点之间以2 m b p s 的6 7 0 3 中继线相连，分出部 分话路( 目前为6 6 4 k b p s = 3 8 4 k b p s ) 接至数据交换机，其余话路接至程控交 换机( 语音) 。分组交换机作为网络数据交换的核心，通过d d n 或直接与远程 数据交换机互联成网，主要负责全网的动态路由迂回，提供标准x 2 5 服务。 x 2 5 网络由于端口速率低、端到端延时大、网络开销较大，难以满足当今用户 对高速和多种服务质量( 特别是对延时敏感业务) 的需求。 帧中继( f r a m er e l a y ) 采用面向连接的分组交换和统计复用技术，仅完成 o s i 第2 层的核心功能。它简化了x 2 5 复杂的传输确认与纠错的过程，把重传 功能推向网络外部的智能化外部终端，提高了传输速度，降低了端到端的延 时，很好地满足了数据用户高速及突发性强的特点。因此，对数据业务而言， 帧中继技术是一种经济有效的网络传输技术。但是，帧中继技术依然采用变长 帧的统计复用技术，无法满足多种服务质量( q o s ) 的业务的需求，不能适应实 时、多媒体和高带宽的要求n 6 1 。 3 1 2s d i t 技术 s d h 光同步数字传输网，起源于美国b e l l 通信研究所，当初被称为同步光 网络s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 。i t u - t ( 国际电信联合会电信 标准化分会) 的前身c c i t t ( 国际电报电话委员会) 于1 9 8 8 年接受了s o n e t 概 念，并重新命名为同步数字体系( s d h ) ，使之成为不仅适用于光纤也适用于微 第三章系统方案的设计与设备选择 波和卫星传输的通用体制。 s d h 是在p d h ( 准同步数字体系) 的基础上发展起来的，具有如下优越性： ( 1 ) 帧结构具有统一的世界标准，分为s t m - i ( 1 5 5 m b p s ) ，s t m - 4 ( 6 2 2 m b p s ) 和s t m - 1 6 ( 2 4 8 g b p s ) 等。由s d i t 的帧格式可知，s d h 帧头开销为 2 9 6 ，效率为9 7 1 ，传输效率相对较高； ( 2 ) 帧结构以字节为基本单位，各支路数据( 包括2 8 3 4 1 4 0 m b p s ) 在 帧内均匀分布有规律，能方便地提取和插入支路数据，而且可实现各支路数据 的同步复接和交叉连接。帧结构中安排了大量的维护与管理用的信息字段，使 系统的维护与管理功能大大加强。帧结构中的指针调整字段可调整各节点间的 时钟差异，实现完全同步传输； ( 3 ) 高传输速率的s d h 系统不仅向下兼容低速率的s d h 系统，而且还可兼 容各种速率的p d h 系统： ( 4 ) 可实现双向传输信息流，组成环行传输网络，系统具有自愈能力，自 愈恢复时间为4 0 8 0 m s ； s d h 技术虽然具有如上诸多优越性，但分析表明s d h 技术也具有如下4 个 明显的缺陷： ( 1 ) 仍然为t d m ( 时分复用) 传输方式，不具有动态带宽分配功能，带宽 的利用率低，不适应接入和传输突发性业务。 ( 2 ) 网络结构仅限于环型或线型，不易于网络结构的拓展： ( 3 ) 采取点对点传输方式，在中心调度局所配置的接口总量与各分站的相 对应，使得中心局设备价格较高； ( 4 ) 仅具有0 s i 的物理层功能，其基本作用是提供信息的传送通道，而不 包括交换。 3 1 3 a t m 技术 a t m 与x 2 5 传统分组交换相比，有两大改进：一是将数据分割成固定长度 的信元( c e l l ) 来传输，以便于硬件实现信元的快速转发；二是为了同时满足 数据、话音、视频等应用的要求，将分组长度在这些应用之中综合平衡，定为 5 3 个8 位位组，以提高实时性能，且使效率不至于太低。a t m 不仅支持o s i 的 物理层功能，而且支持第二层和第三层的部分功能，具有端到端的流量控制和 逐段差错校验，并可自动纠正一位比特错误。网络结构可为星型、环型、网格 型及各种混合型，网络的扩展能力强，组建网格型网络时可极大地提高网络的 可靠性。 a t m 技术的主要特点如下： 1 2 第三章系统方案的设计与设备选择 ( 1 ) 适合多媒体业务 由于a t m 采用统计复用技术，可以动态分配带宽，对于具有突发性特点的 数据业务( 如控制命令、音频、视频等) 来说极为有利；同时，a t m 以固定长 度的信元传送用户业务，可以保证对延时敏感的用户的需求。 ( 2 ) 充分利用宝贵的中继带宽 a t m 论坛的t m 4 0 规范规定了一套完整的闭环式( 主动) 拥塞管理机制， 不仅可以将拥塞发生的可能性降到最小，还可以在先进的交换机缓存和排队机 制配合下将中继带宽的利用率提高到9 5 以上。 ( 3 ) 多种速率接口 在a t m 网络中能够提供从2 m b p s 到6 2 2 m b p s 不同速率等级的多种物理接 口，以满足不同用户对不同带宽的要求。 ( 4 ) 硬件处理速度 a t m 采用固定长度的信元传送数据，使用户业务信息的拥入成为可预见 的。先进的硬件芯片技术使得a t m 交换机完全采用硬件技术就可完成a t m 信元 的交换，从而满足现代用户不断增长的传送速率要求。 ( 5 ) 为i p 业务提供有效的技术传送平台 利用a t m 作为i n t e r n e t 的骨干传输网，可以克服传统i n t e r n e t 网络的种 种局限，包括网络传送容量、q o s 、i p 地址资源、网络性能( 延时、分组丢失 率等) 、端口数量及网络效率、经济性等。 a t m 的主要缺陷是效率问题，其信元头部开销为9 4 ，效率为9 0 ，6 。但 是，它具有很好的服务质量( q o s ) 机制，能够很好地承载实时应用和等时性应 用。 3 1 4h 2 6 4 压缩技术 目前压缩算法分为两大类：标准算法和专用算法。标准算法为国际组织 i s o f l t u 发布，早期的j p e g 压缩比太小，传输网络带宽要求过高；后期 m p e g l 算法压缩比有所提高，但是还不能适应目前的宽带网络；近两年来 m p e g4 h 2 6 3 的推广使得远程传输成为可能。专用算法为一些专业公司开发 的压缩技术，通用性较差，性能也千差万别，针对网络传输的算法可以支持低 带宽网络，但是图像效果不令人满意。 h 2 6 4 是最新的国际视频编码标准，由l t u t 和i s o f l e c 两个国际标准化 组织联合制定。标准在i t u t 将被最终通过为h 2 6 4 ；在i s o i e c ，通过后，被 称为国际标准1 4 4 9 6 1 0 ( m e p g - 4 第1 0 部分) 。因此可见h 2 6 4 并不是比 h 2 6 4 先进，他们其实是一回事。以前大量使用的h 2 6 4 是采用了标准的 第三章系统方案的设计与设备选择 m e p g - 4 第1 0 部分以前版本，目前名称对应的关系为： h 2 6 4b a s e l i n ep r o f i l e 对应h 2 6 4s p h 2 6 4m a i np r o f i l e 对应h 2 6 4a s p h 2 6 4e x t e n d e dp r o f i l e 对应h 2 6 4a r t so rf g s h 2 6 4b a s e l i n ep r o f i l e 对应h 2 6 4s t u d i o 作为目前最新的视频编码技术h 2 6 4 ，在安防行业应用有着非常大的前 景。h 2 6 4 标准采用了很多新技术用来提高压缩比降低码流，主要是采用了高 精度、多模式预测技术。h 2 6 4 标准针对网络传输的需要设计了视频编码层 v c l 和网络提取层n a l 结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使 视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。h 2 6 4 标准针对网络传输的需 要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保 证了视频传输的有效性。 、 h 2 6 4 算法分为b a s e l i n ep r o f i l e 、m a i np r o f i l e 、e x t e n d e dp r o f i l e 和h i g h p r o f i l e 四层，h 2 6 4 算法与以前的算法相比： ( 1 ) 算法复杂度：h 2 6 4b a s e l i n ep r o f i l e 是以前h 2 6 4 的2 倍左右，h 2 6 4 m a i np r o f i l e 是h 2 6 4 的1 0 倍以上，h i g hp r o f i l e 复杂度最高。 ( 2 ) 压缩码流：实现h 2 6 4m a i np r o f i l e 算法后可以使视频码流降低一 半，可以实现c i f 格式视频在普通的a d s l 上实时连续传输，即使在网络有波 动的情况下也不会受到影响。同时，由于h 2 6 4 算法具有网络编码层和网络传 输层结构，这样对于普通的宽带网络和无线网络的适应性大大加强，不会因网 络的误码影响传输的质量。 然而，目前的芯片处理能力还不能够实现完整的h 2 6 4 算法，只能实现 h 2 6 4 算法中的部分功能，需要一个过程才能够体验到h 2 6 4 给大家带来的优 点。 在j p e g 和m p e g 1 2 的时代，压缩芯片以a s i c 芯片为主。从h 2 6 4 开 始，压缩芯片已经过度到d s p 时代，使用a s i c 芯片的产品越来越少。这是由 于芯片处理能力逐步提高，可以适应算法的不断优化，a s i c 技术产品化周期 长，已经无法适应目前算法进步的步伐。 由于d s p 体系结构的限制，面对复杂的h 2 6 4 算法实现低成本的实时压缩 已经非常困难。在算法和芯片技术成熟以后，未来的主流压缩平台应该是a s l c 的天下，当然a s i c 和d s p 技术相结合的芯片，同样具有诱惑力，能够适合未 来算法发展的需要。 目前最严重的问题之一是摄像头干扰问题，中低档的摄像头比较明显，特 别在低照度的环境中干扰对图像质量有非常大的影响。这些噪点随着产品型号 1 4 第三章系统方案的设计与设备选择 和工作环境而不同。由于视频压缩算法是通过前后帧图像的差异实现压缩，因 此这种随机噪点对压缩的影响非常大，有的时候甚至造成码流成倍上升，将压 缩算法的优点全部掩盖。 解决噪点问题，能使中低档摄像头能够同样达到理想的压缩效果，对光线 不好的环境非常有意义。主要解决方法有：时间轴上的滤波与空间轴上的滤 波。时间轴滤波采用运动自适应方式来去处伪颜色噪声同时还原运动物体。空 间轴滤波用来去除泊松噪声同时强化物体边缘。除此之外，还可以使用柱状均 衡器，它通过平滑亮度信号的突变来改善对比度。在帧间编码的技术中，主要 针对摄像头主要环境特征( 静止图像和图像变化不大) 进行压缩处理，保证在 正常情况下图像都可以以高质量的水平保存。另外，通过实时滤波，使得在压 缩之前就排除了信号中的干扰，压缩还原的图像有很大的提高。 3 2 多路视频显示技术 在视频监控系统中，复示终端往往比较分散，而且不止一个，在第三章的 叙述中已经解决了多个客户端显示视频的问题。但传统的视频监控系统在显示 多路视频时还存在着一些不足，如不能同时实现多个监控前端的视频浏览。各 个复示终端所能看到的仍然是其中某一个监控前端的图像，虽然可以通过轮巡 的方式实现多路视频预览，但是却牺牲了单路视频图像的连续性。 对某个监控前端来说，显示多个摄像头的画面是借助于画面分割器实现 的，如图3 - 1 所示。多画面分割器虽然可以连接多达1 6 路视频：并且能够以l ， 4 9 ，1 6 路信号的方式对这些视频加以分割、组合输出，但由于操作者不同， 感兴趣的视频选择也不同，所以无法实现真正需要的选择。 科 多 2 视 监 2 蕊视撩 频 面麴 压 前 分n - i矩 缩 壤 。l r l 饿 n 淬 童 1 l ，一 n + 1 卡 | t 翔 图3 1 传统监控系统的多画面分割器应用框图 为解决多个操作人员之间对监控画面的切换冲突，设计了如下方案：即以 4 个4 路采集卡叠加的方法代替画面分割器或视频矩阵，同时对1 6 路输入以4 组组播方式播出，根据每个不同的请求来决定所要加入的组播，埃样每个操作 第三章系统方案的设计与设备选择 人员就可以在1 6 个监控点之间任意选择所需的一个或多个监控画面，并且每个 操作人员之间互不干扰，如图3 2 所示。 仿照多客户端视频显示的实现方法，提出了以下解决监控客户端显示多个 监控前端图像的思路。 l 1 3 1 8 组 籍 路 由 鲁 擂i 播2 接3 。播4 图3 2 多路组播结构示意图 此方案的关键在于利用客户端同时加入多个组播组来实现多路视频显示， 如图3 - 3 所示。每个监控前端各自有独立的组播组，在显示多路视频时，各个 监控客户端可以动态的，随时加入到任意一个组播组中。理论上，每个监控客 户端可以加入到所有的组播组中，但是由于视频解压算法需要耗费大量的系统 资源，实际加入的组播组的个数受计算机的性能影响非常大。 图3 - 3 多个监控前端视频组播示意图 一般来说，星型结构的视频监控系统比较容易实现多路视频的显示。其它 类型的网络结构在未解决数据冲突和通道竞争等问题前，是不容易实现多路视 频的同时显示的脚。 1 6 一一一一一一一一一一一一一 第三章系统方案设计# 设备选择 3 3 系统的总体架构 本方案根据变电站视频监控系统的实际需求及各站点的具体地理位置组建 变电站监控系统，其系统网络如图3 4 所示。系统集消防、防盗、防火、环境 监测、视频监视电气设备为一体。在变电站前端与监控中心之闻利用2 m 口信道 进行数据通信，完成多路图像、报警信号、数据、控制信号的实时传输，实现 远距离2 4 小时视频监控，同时接受远方监控终端的远端控制。 电视墙 “变电站 3 3 1 站端系统组成 图3 4 系统网络囤 n # 变电站 变电站前端系统如图3 - 5 所示。其主要设备包括：前端变电站监控柜、监 * = 章系统方寨设计与* 备选# 控主机、各种摄像机、各种探测器、云台镜头解码器、门禁系统( 选配) 、消防 系统( 选配1 、网桥。 信号采集包括：视频采集和环境量采集。视频采集由摄像机完成，图像信 号经视频主机进行处理分析：环境量采集由烟感、红外、水浸、玻璃破碎、温 湿度完成，信号由数据