（计算机系统结构专业论文）通信电源图像监控系统的优化设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前武汉电信建设的通信电源集中监控系统包括动力设备及环境集中监控系 统和远程图像监控系统。前者采用光纤以太网构建的交换局域网为传输平台，是计 算机网络系统：后者使用专用处理机，采用e 1 线路进行传输。两套系统各自独立， 造成了监控设备和传输资源的重复投资，也增加了系统维护的复杂性。 随着多媒体技术和网络技术的发展，针对这一问题，利用动力设备及环境监控 系统拥有的计算机软硬件及网络资源，建设网络化的图像监控系统，实现图像监控 系统在动力设备及环境监控系统平台上运行，既提高了资源利用率，也便于图像监 控系统的维护和使用。 图像数据的实时传输是系统优化方案实现的关键。针对通信电源图像监控的特 点，采用m p e g 一4 面向对象的压缩方式，可以实现很高的压缩比，提高数据传输的 实时性。在传输层协议选择方面，采用实时传输协议和实时传输控制协议一起配合 使用，能较好地解决图像实时传输的问题。通过合适的视频载荷格式，视频流分片 规则和组包算法，能以有效的反馈和最小的开销使图像传输效率最佳化。 由于局域网中有多个运营支撑系统共享网络带宽，数据传输过程中丢包和延迟 是不可避免的。采用端到端的自适应反馈控制及其优化策略，使图像传输过程既能 充分利用带宽又不引起网络拥塞，从而减小时延，降低丢包率，解决监控画面的抖 动和失真问题，保证图像监控的实时效果。 关键字：图像监控，m p e g 一4 ，实时传输协议，反馈拥塞控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et e l e c o mp o w e rc e n t r a l i z e ds u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t s o ft w os e t so fs y s t e m ，n a m e l y , p o w e rs u p p l ym o n i t o r i n gs y s t e ma n dr e m o t ev i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e m w h i l et h ef o r m e ri sac o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mu s i n gi n t r a n e ta s t r a n s p o r tp l a t f o r mb a s e do ne t h e m e to v e rf i b e r , t h el a t t e ri m p l e m e n t sm o n i t o r i n go f r e a l t i m ei m a g e st h r o u g he1l i n e s t h ei n d e p e n d e n c eo ft h e s et w os y s t e m sc a u s e sa s e r i o u sw a s t eo fr e s o u r c e sa sw e l la st h ec o m p l e x i t yo fr o u t i n em a i n t e n a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i at e c h n o l o g i e sa n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s ，t h e b e s tw a yt ow o r ka r o u n dt h i sp r o b l e mi st ob u i l dd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mo n c o m p u t e rn e t w o r ko fp o w e rs u p p l ym o n i t o r i n gs y s t e m t h u s ，t h et w os y s t e m sw i l lb e i m p l e m e n t e do nt h es a l t l ep l a t f o r m t om a k ev i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m w o r k s t a b l y o ni n t r a n e t ，t h er e a l t i m e t r a n s m i s s i o no fi m a g ed a t ai st h ek e ye l e m e n t t a k i n ga d v a n t a g eo ft h em p e g - 4 o b j e c t b a s e dc o m p r e s s i o nf o r m a t ，w ew i l lb ea b l et oa c h i e v eh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t e w h e nw o r k i n gi n c o n j u n c t i o nw i t hr e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，w e c a r l e f f e c t i v e l yc u tc o s t sa n di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s p o r t t h e r e f o r e ，w ec a ni m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fr e a l ，t i m ei m a g ed a t at r a n s m i s s i o nb ys e l e c t i n gp r o p e rp a y l o a df o r m a t ， f r a g m e n tr u l ef o rv i s u a ls t r e a ma n dp a c k e t i z a t i o na l g o r i t h m a sm o r et h a no n eo p e r a t i o ns u p p o r t s y s t e mo nt h e i n t r a n e ts h a r en e t w o r k b a n d w i d t h ，l o s sa n dd e l a yo fp a c k e t sa r ei n e v i t a b l e e n d t o - e n df e e d b a c kc o n g e s t i o n c o n t r o la n df u r t h e ro p t i m i z a t i o nw i l ll e a dt og o o dv i d e oq u a l i 移a n de f f i c i e n tu t i l i z a t i o n o f n e t w o r kr e s o u r c ew i t h o u tc a u s i n ga n yc o n g e s t i o n k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，m p e g - 4 ，r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ， f e e d b a c kc o n g e s t i o nc o n t r o l i j 独创性声明 小人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 7 j ir q 柚，e 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 lk tec 二体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 ! m 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 学位论文作者签名： 日期：如巧年r 月7 学位论文版权使用授权书 前、晓厦 日 小1 1 “节论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 眦1 t ? i 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 嘲小人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 1i , l lff 0 把可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解罾后适用本授权书。 不保密酉。 ( 睛在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 力乒 ii 期：? ，哆年f 月? 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及背景 1 绪论 目前湖北电信武汉分公司建设了动力设备及环境、图像集中监控网络。工程覆 盖了武汉全部市县的4 7 个长途、市话汇接交换局，整个网络成三级结构，设1 个集 中监控中心、1 6 个区域监控中心及4 7 个被监控交换局。监控对象主要包括通信电源 系统和各种环境变量，其中通信电源系统包括各种开关电源、交直流配电屏、蓄电 池组及柴油发电机组等，环境变量包括专用空调、机房门禁、温湿度、烟感、水浸 等。 在工程实施中，集中监控系统采用艾默生能源公司的p s m s ( p o w e rs u p p l y m o n i t o r i n gs y s t e m ，动力设备及环境集中监控系统) 系统及v i e w p o i n t 远程图像监 控系统。由于电信企业特有的通信资源优势，拥有丰富多样的传输资源，为集中监 控系统传输网络的构建提供了多种选择远程数据的传输采用各自的传输方式，两 套系统相对独立。p s m s 系统传输平台是采用武汉电信公司内部的以光纤以太网构建 的企业内部网，也称9 7 网。而图像监控系统则采用e 1 方式传输，在监控中心和远 端监控中心需要专用的e 1 传输转换设备，实现数据从远端监控现场到监控中心的传 输，这样就增加了维护的复杂性。并且图像监控系统图像处理设备采用工控机结构， 计算机仅作为控制台，需要单独的传输资源，图像控制设备和其它监视器、录像设 备等其它附属设备，未能充分利用现有的动力环境集中监控系统的计算机设备及其 网络，造成传输资源及设备资源的浪费。 当前武汉电信局域网采用交换局域网技术，各局站之间用光纤传输，网络技术 的发展使网络的容量和传输速度有了很大的提高，企业的多种管理支撑系统都运行 在这样一个网络平台上，加上视频数据处理技术的进步，使得图像监控系统也能很 好地运行在此网络平台上。因此，完全可以对现有的远程图像监控系统的进行优化， 华申科技大学硕士学位论文 使其和p s m s 系统在同一网络平台上，实现图像数据i p 化，全数字化传输，便于管 理和维护。 1 2 通信电源集中监控的目的和意义 经过几十年的发展，中国电信具备了网络优势、品牌优势和人才优势。但与此 同时，现实又给改革分营后的中国电信提出了如何进一步减员增效，改进经营管理 机制，向现代企业制度迈进的课题。 武汉电信地处全国骨干电信网八纵八横的中心位置，是全国八大长途交换中心 之一，是仅次于北京和上海、位居全国第三的业务领导局。传统维护对机房动力设 备及环境情况完全依靠人员定期、定时巡视，这样需要花费大量的人力、物力，目 前为了减员增效，提高劳动生产率，增强竞争力，电信运营商均把提高维护质量和 维护水平放在首位，变传统维护为集中维护，使用动力及环境集中监控系统正是运 维体制改革迈出的坚实一步。 监控系统使传统的维护方式发生了变革，最主要的一点是从原来多人值维、预 检预修的维护方式逐渐变为集中监控、集中维护、集中管理的工作方式【1 1 0 原来需要 指派值班人员到机房现场观察动力设备运行情况，记录设备及环境参数，现在这些 工作完全可以依靠监控系统来完成。具体来说，只需在中心局监控中心派驻少量值 班人员执行7 x 2 4 小时值班工作，值班人员可以从监控系统软件界面观察各分局站点 的设备( 包括监控设备自身、动力、空调设备) 及环境参数，一旦监控系统反映的 设备及环境参数出现问题，可以迅速指派相应的维护人员赶到现场排除故障，相应 人员处理完毕后及时反馈回监控中心值班人员。另外每个局站定期( 每周或每月) 指派卜2 名维护人员对设备进行清洁和必要的维护保养，这样就改变了通信动力设 备传统的7 x 2 4 小时三班倒的“各局站”有人值守的维护体制，实现了动力设备及环 境的集中管理和维护。 动力设备及环境集中监控系统适用于对通信局站内各种动力设备、空调设备及 其环境进行实时监控，统一管理，保障电信系统运行的可靠性，降低其维护成本， 华中科技大学硕士学位论文 为电信维护体制的改革和最终实现通信局站的无人值守提供了有效的手段和工具。 其目的： 1 ) 与通信技术发展相适应，提高对通信电源设备的维护管理水平。 2 ) 提高通信电源供电质量，使供电系统有更高的可靠性和经济性。 3 ) 充分发挥计算机技术优势，使电源设备管理向自动化、智能化方向发展。 4 ) 实现通信电源设备少人、无人值守。 5 ) 提高维护效率，降低维护成本。 该监控网络建成后，使武汉电信的设备维护手段更加丰富，达到长途、市话汇 接等交换局实现少人或无人职守，能对武汉电信的所有被监控设备及机房环境进行 统一管理，为网络运行提供了先进的维护和管理手段，有力地支持武汉电信为用户 提供更优质的服务。 1 3 通信电源集中监控系统概述 动力设备及环境集中监控系统是用现代电子监测、控制装置代替人工，对分布 的通信局( 站) 的电源、空调、油机、蓄电池、高低压配电等多种设备和环境的各 种参数、图像、声音等进行遥测、遥信和遥控，实时监测其运行参数，诊断和处理 故障，记录和分析相关数据，从而实现通信局( 站) 少人或无人值守，并对设备进 行集中监控和集中维护的计算机控制系统。它是数据采集、网络传输、计算机软硬 件设备和其它多种技术的综合应用。所以其关键技术是如何以计算机技术为基础实 现图像、声音、信号的数据采集、存储、传输、分析、共享和管理，以及如何实现 设备、采集器件、监控机、监控服务器、各局、站层面上的计算机进行网络互连和 管理。即包括图像、声音数据的编码、压缩、传输、控制、解码、输出等关键技术， 也包括计算机网络技术中的t c p i p 等技术在其中的应用，还有数据库的安全与管理。 1 3 1 监控系统的构成 根据通信电源集中维护，统一管理基本模式，监控系统在结构上是一个多级的 华中科技大学硕士学位论文 分布式计算机监控网络，一般可分为四级，即城市监控级、区域监控级、局站监控 级以及前端现场部分( 包括智能设备、蓄电池检测仪、前端采集设备) ，其中局站监 控级的监控主机与前端部分构成二级分布式系统，通信接口方式为r s 4 8 5 r s 4 2 2 ，在 一定条件下也采用r s 2 3 2 。区域监控级监控主机与局站监控主机、城市监控级监控主 机与区域监控级监控主机通过通信网络进行连接，构成多级远程分布式网络【2 。 监控系统的物理结构有四层，从上至下依次为：监控中心s c ( s u p e r v i s i o n c e n t e r ) ，监控站s s ( s u p e r v i s i o ns t a t i o n ) ，监控单元s u ( s u p e r v i s i o nu n i t ) 和监 控模块s m ( s u p e r v i s i o nm o d u l e ) ，这实际上是基于行政管理的层次结构，如图卜l 所示。 通信局( 站) 设备监控 图卜1 通信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统结构图 目前监控网络从结构和信息交换方面大体可分为两种方式：一种方式是基于通 信网络进行数据交换的监控系统，另一种是基于计算机网络平台进行数据交换的监 控系统【3 】。前一种系统以通信网络为基础，利用实时多任务操作系统为软件平台实现 系统的数据通信、数据交换、监控管理等功能，后一种系统采用了比前一种更高的 平台。即计算机网络系统，在此基础上完成监控系统的数据交换、监控管理等功能， 现在采用这种方式构成的监控系统比较普遍，如以w i n d o w s 2 0 0 0 为网络操作系统构 4 华中科技大学硕士学位论文 成的广域网系统被广泛用作监控系统的网络平台。另外为了解决城市监控级、区域 监控级监控主机负担过重的问题，城市监控级、区域监控级在监控网络的基础上建 立完善的局域网系统，用来完成对监控系统的各种数据进行分析、处理、存储等功 能。目前大部分监控系统都在城市监控级、区域监控级建立起相应的局域网系统， 而使用较多的局域网络系统是e t h e r n e t ( i e e e 8 0 2 3 ) 。 1 3 2 监控软件特点和系统功能情况 通信电源监控系统是一个实时性要求很强的大型分布式网络系统，不论是以通 信网为基础平台进行数据信息交换，还是以网络系统为基础平台进行数据信息交换， 其监控网监控主机所采用的操作系统具有实时、多任务、网络功能的特点。监控软 件模块化、组态化是监控系统的又一特点，使监控系统有更灵活的设置和更好的扩 展功能，同时也特别强调其网络的可靠性、安全性和准确性。监控系统支持通用的 网络协议( 如t c p i p ) 是对现代监控网络的基本要求，以便使监控网具有良好的扩 展和接入其他网络的能力【4 】。 在功能上，为实现对电源设备少人、无人值守的要求，电源监控系统更强调对 电源设备故障事件的快速响应和故障告警的准确性。现在电源监控系统在对基本功 能，如遥控遥信遥测、监控信息查询、数据存储记录、实时历史趋势、系统配制、 远端操作、密码管理、支持联网等功能不断完善的基础上，同时不断扩展新的功能， 如监控系统自诊断、设备现场图像监控等。 1 4 图像监控系统发展现状 视频监控系统的发展大致经历了三个发展阶段： 在2 0 世纪9 0 年代初期，主要是以模拟设备为主的闭路系统，称为第一代视频监 控系统，即模拟视频监控系统。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们利用 计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，从而大大提高了图像质量，增 华中科技大学硕士学位论文 强了视频监控的功能。这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统，即 模拟输入与数字压缩、显示和控制系统。因为核心设备是数字设备，因此可以称为 数字视频监控系统。 到了2 0 世纪末特别是近两三年，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的 迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网 络时代，称为第三代视频监控系统，即全数字视频监控系统或网络数字视频监控。 第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心， 以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命。 第二阶段和第三阶段的视频监控系统可以统称为数字视频监控系统 5 1 。 目前国内的视频监控系统的发展情况是：模拟视频监控的比例急速减少，数字视 频监控系统逐渐占据主导地位。就其技术应用而言，网络数字视频监控系统是未来 数字视频监控系统的发展方向，具有很高的先进性和可扩充性。 1 4 ，1 模拟视频监控现状 到目前为止，模拟视频监控系统的技术己经很成熟，而且应用也非常广泛。典 型的模拟视频监控系统一般由图像摄像部分( 包括摄像机、镜头、云台、麦克风等) 、 图像传输部分( 一般采用电缆、光缆、应用射频技术等) 、系统控制部分( 包括操作键 盘、视频分配器、视频矩阵切换器、云台控制解码器、字符叠加器等) 和显示记录部 分四大部分组成，系统组成框图如图卜2 所示。 l 模拟摄像机i 视矩 - 】显示 l 频 隆 叫记录 图像模拟传输 分切 。 f 模拟摄像机i 7 配换 * - - t 操作键盘 u 1i l 云台解码器i 操作键盘 图卜2 模拟视频监控系统组成示意图 华中科技大学硕士学位论文 模拟视频监控系统目前已达到了很高的水平。摄像技术、传输技术、显示技术、 系统控制技术都取得了长足的进步。但传统的模拟闭路系统具有很多其自身的局限 性，主要有以下几点： 1 ) 通常只适合于小范围的区域监控。有线模拟视频信号的传输距离有限，若采 用同轴电缆，当传输距离大于1 0 0 0 m 时，信号容易产生衰耗、畸变、群延，并且易 受干扰，使图像质量下降，这就决定了模拟视频监控最适合于单个大楼、小的居民 区以及其他小范围的场所。 2 ) 布线工程量大，系统的扩展能力差，对于己建好的系统，如要增加新的监控 点，往往是牵一发而动全身，新设备也很难添加到原有系统之中。 3 ) 模拟视频监控系统大多采用录像机作为存储工具，磁带作为存储媒介，这种 方法不仅记录信息量有限，数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，而且磁 带易变形，磁头、磁带间磨损大，加上采用模拟信号方式记录读取，失真严重，重 放的音像质量远不能满足现场的要求之查询取证时也十分繁琐。 因此，随着数字技术的发展，图像数据压缩编码技术及标准的改进，芯片成本 的不断下降，数字视频监控系统也迅速发展起来。 1 4 ，2 数宇视频监控系统 数字视频监控系统以计算机为中心，数字视频处理技术为基础，利用图像数据 压缩的国际标准( j p e c ，m p e g l 或m p e g 一4 等) ，综合利用图像传感器、计算机网络、 自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统1 6 】。数字视频监控系统将摄像机获得 的模拟电视信号转变为数字视频信号以便于计算机处理，或者由数字摄像机直接输 出数字视频信号，在计算机显示器上显示多路活动图像的同时，可将各路信号分别 存储于计算机的硬盘内或在网络上进行传剃刀。在实时情况下，每路信号在监视、记 录、回放时都能达到最大为2 5 f s 的活动图像的效果。 数字视频监控系统组成示意图如图卜3 所示。 华中科技大学颈士学位论文 图卜3 数字视频监控系统组成示意陶 目前大部分的数字视频监控系统是通过图像采集卡将模拟摄像机传输过来的模 拟视频图像转换为数字视频图像信号，因此图像采集编码卡是基于p c 机的数字视频 监控系统中的关键设备，一块卡往往支持一路到四路视频采集压缩，一台计算机可 以插上l 块卡或4 块卡，从而支持l 路到1 6 路视频采集。基于p c 机的数字视频监 控系统采用软件来实现摄像机到监视器的视频矩阵切换、录像、云台和镜头的控制 等功能。计算机是数字视频监控系统的核心，配备有大屏幕显示器、大容量硬盘， 也可再配上光盘刻录机。数字视频监控系统能充分利用计算机资源，使视频监控系 统随计算机技术的发展而不断进步，同时其开发性的结构特性更可使之与其他多种 系统如等实现互动集成。这种模式实际上是处在数字视频监控发展的第二阶段中， 是模拟输入传输、数字视频采集和编码，也就是图卜3 中数字视频监控系统的第一 种方式。 数字输出摄像机的出现产生了真正的全数字视频监控系统。数字摄像机直接传 输数字化后并经过压缩编码的数字视频图像流，通过网络将视频流传输到计算机中。 这种数字摄像机还可以就地输出控制信号控制云台解码器。这就是图卜3 中数字视 频监控系统的第二种方式 就技术应用而言，数字视频监控系统的第二种方式是未来数字视频监控系统的 华中科技大学硕士学位论文 发展方向，具有很高的先进性和可扩充性。但这两种方式具有各自的应用场合，如 果已经具备远程传输的计算机网络，那么上述第二种方式的采用就有了用武之地， 性价比很高。如果尚没有计算机网络，第二种方式未必就比第一种方式性价比高i 引。 由于电信企业特有的优势，已构建了高速的计算机网络，因此可以轻易地选择第2 种设计方案。 数字视频监控系统除了具有传统闭路电视监视系统的所有功能外，还具有远程 视频传输与回放、自动异常监测与报警、结构化的视频数据存储等功能。与数字视 频监控系统相关的主要技术有视频数据压缩、视频的分析与理解、视频流的传输与 质量控制等。 1 4 3 数字视频监控系统的发展前景 许多数字视频监控系统设备中具有图像识别和特征提取的功能，通过图像分析 实现运动探测和报警、控制相关的机构，使之更具智能化。这些将成为今后数字视 频监控系统的主要形式。实际上，目前的部分数字视频监控系统中也开始具备这些 功能。以下是一些新功能： 1 ) 图像探测将成为防入侵报警探测的主要手段，报警系统误报率高这一问题将 会解决。摄像器件本身就是一种光电探测器件，非常适于空间的多维探测和多参数 探测。目前应用的视频报警和运动探测是通过对图像信号的亮度电平变化的监测和 对图像中不同的点的亮度电平变化的分析来实现报警和对目标运动过程的判断。这 是通过对模拟电视信号进行后期处理来完成的，实质上是把摄像机作为一种光强探 测器件。 2 ) 压缩比的提高。新一代图像压缩技术标准m p e g 一4 是面向对象的压缩方式，根 据图像内容，将其中的对象( 物体、人物、背景) 分离出来分别进行压缩，可以有很 高的压缩比吼 3 ) 摄像机将不再是系统唯一或主要的信源。由于图像处理功能和能力的提高将 促使新的成像技术的出现和实用化，如毫米波成像、超声波成像等。这将把电视从 9 华中科技大学硕士学位论文 可视范围扩大到不可视的范围，数字视频监控系统将是具有探测和特征识别功能的 综合系统。 4 ) 与网络结合起来。数字视频监控系统的网络化将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，组成分布式监 控系统。 5 ) 可靠性的提高，传输质量的有效控制。采用对网络带宽具有自适应功能的流 媒体技术，可以提高视频传输的可靠性。数字视频监控系统硬件和软件采用标准化、 模块化和系列化设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活控 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、容错 能力强等特点。 1 4 。4 远程图像监控系统实现的关键技术 一是图像数据的压缩和解压缩。视频图像的信息量是巨大的，例如，l 幅6 4 0 * 4 8 0 中分辨度的彩色图像( 2 4 b i t 像素) ，其数据量为0 9 2 m b ，如果以每秒3 0 帧的速度 播放，则视频信号的数码率高达2 7 6 m b p s 。显然，视频压缩技术数字化是压缩技术 的关键 1 0 - 1 1 】。 二是图像数据的实时传输技术。数字视频远程监控系统的数据通信有以下特点 1 2 - 1 3 1 ：实时性：视频数据属于实时数据必须实时处理，例如。实时压缩、解压缩、 传输、同步。分布性：现场图像采集和发送主机和图像接收显示主机位于不同地点， 通过计算机局域网或广域网连接。同步性：尽管视频信息具有分布性，但在用户终 端显示时必须保持同步，另外，声音与视频也必须保持同步。 国际通信联合会( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 和国际互联 网工程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 设计了一个实时传输协议 r t p ( r e a lt i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 来解决传输实时性数据的难题 1 4 - 1 5 1 。r t p 一般 运行在不可靠的协议层上如u d p ( 事实上经数学统计u d p 包的可靠性在9 9 以上) 。 每个经过r t p 传输的数据包中有时间信息和一个相关的序列号，这个信息使应用程 1 0 华中科技大学硕士学位论文 序混合音频和视频信息相对容易。由于应用程序可以很容易地决定当视频帧需要略 过时将跳到的正确数据包号，因此同每个包相关的时间信息可以平滑同步过程。 1 5 本文的主要研究内容 本论文的主要研究任务是针对武汉电信通信电源集中监控系统中图像监控系统 建设存在的不足，提出在后期工程中利用公司的光纤以太网构建的局域网平台，建 设基于网络的远程视频监控系统，系统采用m p e g 一4 数字图像压缩编解码技术和r t p 实时传输协议，直接利用已有的动力设备集中监控系统的传输网络实现图像监控系 统的实时传输。同时使用多媒体计算机技术，实现图像数据直接在计算机网络上的 存储和传输，以及计算机上的多画面显示。这样既节约了硬件投资，也方便了维护 管理。 本文结合当前远程视频监控技术及网络技术的发展，对当前的远程图像集中监 控系统的传输模式进行了优化，提出了建设基于局域网的远程数字图像监控系统设 计方案，并对视频数据在网络上实时传输的关键技术进行了研究。论文共分为六章。 第l 章是绪论部分，对课题的背景、来源以及意义，视频监控的发展概况进行 简略介绍。 第2 章对当前的通信电源集中监控系统和图像监控系统的结构进行介绍和分 析。是后续章节建立的基础。 第3 章主要就如何在p s m s 电源监控系统平台上建设远程图像监控系统进行研究 分析，提出设计思想和具体实现结构设计。 第4 章主要对图像监控系统的实时传输技术进行研究。提出采用r t p r t c p 协议 实现视频数据的实时传输，并针对m p e g 一4 编码方案提出具体载荷格式、分片规则， 组包方案和实时传输拥塞控制策略。 第5 章总结了论文所做的工作及取得的成果，提出了下一步的工作目标。 华中科技大学硕士学位论文 2 通信电源监控系统及图像监控系统的现状分析 本论文的主要研究内容是针对现有系统的情况提出的优化设计方案，在提出优 化方案之前，有必要对武汉电信已建设的动力设备及环境监控系统及远程图像监控 系统的总体结构和实现功能进行了解。 目前武汉市电信分公司机房动力设备、环境及图像集中监控系统( 一期) 由1 个市局监控中心( s c ) ，1 6 个区域监控中心( s s ) ，4 7 个监控单元( s u ) 组成。1 6 个 区域监控中心设在：洪山路长途局、合作路长途局、营房村长途局、八大家、友谊 路、合作路市话局、民主路、十里铺、南垸、街道口、吴家山、纱帽、江夏、新洲、 黄陂、蔡甸。 4 7 个监控单元( s u ) 中包括3 9 个市话s u 、3 个长途s u 和4 个郊县s u 以及信 息港端局。其中有5 个s u ( 洪山路长途局、街道1 3 、尤里村、新关山、左岭) 建有 图像监控系统。本章将对现有系统做具体分析。 2 1 通信电源监控系统的体系结构和工作原理分析 2 1 1 系统总体结构 系统为标准的s c s s - s u 三级结构，传输平台采用光纤以太网构建的企业内部网 ( 也称9 7 网) 。系统中s u 是数据采集层，s s ( 区域监控中心) 和s c ( 监控中心) 具 有管理功能，属于管理层。 p s m s 系统按逻辑划分可分为：采集予系统、传输子系统、软件子系统、相 对独立的图像监控子系统。 p s m s 系统的基本组成环节包括端局采集设备、传输网络和中心管理设备。监控 站由数据库服务器和业务台构成。他们组成一个局域网。前置机完成数据的采集， 处理和上报任务，同时可以接收执行从业务台发来的控制命令，对设备进行控制。 2 华中科技大学硕士学位论文 其中i d a 采集器是系统硬件的主要组成部分，前置机和数据库服务器、业务台一起构 成系统的软件部分。图像监控系统相对独立，由远端处理机控制现场摄像机实现画 面的采集，数据的压缩处理，并通过e l 线路传输到监控中心的主处理机上，由中心 处理机进行解码输出到监视器上。武汉电信电源监控系统典型组网方案如图2 - 1 所 示。 s s 服务器主业务台备用业务台s s 服务器 l a n 集中监控中心 多 服务器业务台多端局前置机 l a n 区域监控中心 多 监控主机( 电源监控前置机) 图2 - 1 电源监控系统的总体结构 1 ) 监控中心s c 的组成 监控中心s c 是整个本地网动力及环境集中监控系统的监控和管理中心，主要完 成全网的监控信息的统计处理及分析。监控中心s c 一般由数据库服务器、监控业务 华中科技大学硕士学位论文 台、打印机及相关附属设备所组成。数据库服务器主要完成监控数据的存储，是监 控系统的数据存储和管理中心。运行w i n d o w sn t w i n d o w s2 0 0 0 操作系统和s y b a s e 数据库系统。s c 业务台是监控中心的系统操作平台，主要负责收集、分析、统计和 查询各监控单元s u 的动力监控实时数据、告警信息及历史数据，告警信息产生时系 统会相应进行声光告警，提请值班操作人员紧急处理。 2 ) 监控站s s 的组成 监控站s s 的设备配置组成类似于s c ，但是监控站s s 相对于监控中心s c 的重 点功能是设备监控和维护。一般情况下，除了与监控中心s c 的配置相同之外，监控 站s s 配置有若干台，对其所监控的监控单元s u 数据进行采集和处理。在二级系统 结构中监控中心s c 同时具备s s 的功能。 监控站s s 是联接监控端局和监控中心的桥梁，是整个监控系统数据处理的核 心，其主要功能是对端局采集器的原始数据进行处理，并将处理结果发送给监控业 务台和数据服务器，同时接受业务台的控制命令对端局设备实施控制。 3 ) 监控端局s u 的配置 监控单元s u 也就是监控局( 站) 内的前置机，周期性地采集各监控模块传来的各 类信息，随时接收并快速响应来自监控局站的监控命令，具有与监控站进行通信的 功能，完成监控模块和监控站之间的遥测、遥信及遥控数据的传送。 ( 1 ) 基本型s u ( 中、小模式) 在规模适中或规模较小的端局，无智能设备或智能设备种类不超过5 个时，可 将各采集设备挂接在一条数据总线上，直接通过通信链路将数据传到多端局监控主 机。一般市话局支局、模块局和基站采用中、小局模式。基本型监控端局由智能协 议处理器o c e 、采集器、传感器等设备组成。适用于大部分的无人值守的局站。 ( 2 ) 增强型s u 配置( 大模式) 中心局、枢纽局采用大局模式，大局模式需采用监控主机。对于己建立数字通信 网的端局，使用监控主机。 增强型端局配置由多端局监控主机、采集器、传感器等组成。用于枢纽局、市 话分局、汇接局、设备数量很多，或要求实现就地管理的大型局站。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 。1 2 系统各层间的传输方式 依据各层的具体传输的数据量和数据传输频率来考虑，选择的传输方式如下： 底层即监控模块s m ，由i d a 一体化集成数据采集设备和o c i - 6 协议转换设备组成。 系统以s u ( 前置机) 为界线，s u 以下为计算机问的直接通信，或专用总线方式通信， 而s u 以上部分是基于t c p i p 协议的广域网互联，兼容和扩展能力较强。i d a 采集器 和前置机间采用数字公务信道进行传输，采用的是r s - 4 2 2 总线方式。o c i - 6 主要是 提供了一种物理接口，实现通信接口r s 一2 3 2 与r s 一4 2 2 的转换。s u 上的前置机和s s 的数据库服务器、s s 数据库服务器和s s 业务台之间采用局域网作为传输资源，传输 带宽为i o m l o o m ；监控对象和监控单元之间可为r s 4 8 5 4 2 2 、r s 2 3 2 、现场总线；监 控单元和监控站之间也通过局域网传输，使用t c p i p 协议进行通信，监控站和监控 中心之间也与此相似，监控中心和网管中心之间可通过高性能交换机及集线器组成 局域网，网络交换机与服务器之间用高速以太网相连。 2 1 3 数据采集方案 根据端局内设备连接情况，武汉电信的端局采集方案均为前置机+ 采集器方案， 如图2 - 2 所示。 计算机 图2 - 2 数据采集方案 该种方案有以下优点： 1 ) 非常适合设备多，信号多的端局，处理速度高。 2 ) 在端局可以直接浏览信号和告警信息。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 方便设备调试和配置优化及维护。 4 ) 前置机可直接接入局域网。 5 ) 前置机上报数据策略可减小网络占用。 2 1 4 系统的主要计算机软硬件资源及实现功能 1 ) 前置机 前置机又称前置处理机、监控主机。主要用于处理来自各个监控模块的遥测、 遥信数据和对监控模块下达遥控、遥调命令。它负责处理与监控模块数据通讯的细 节，并承接着将来自不同监控模块的数据有序地传输到监控系统其他软件模块的功 能。前置机采用普通的台式计算机。其基本配置如下：c p u ：p 42 2 6 g ；内存：2 5 6 m ； 硬盘：8 0 g ：显示器：1 7 英寸；网络接口： i o m i o o m ；操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 ： 配件：m o x a 多串口卡或4 8 5 卡，根据监控模块的通讯方式而定。 前置机软件的基本功能： ( 1 ) 根据不同监控模块的接入形式，采用不同的硬件和软件模块与监控模块进行 通讯。 ( 2 ) 定时轮询所接入的监控模块，对监控模块上行的遥测、遥信数据进行汇总 处理。 ( 3 ) 根据预先设定的条件。产生数据包和告警包，并根据服务器、业务台等的请 求，上行数据。 ( 4 ) 根据预先设定的条件，对需要进行记录和统计的数据和告警信息进行存储。 ( 5 ) 根据预先设定的条件，产生告警联动、定时联动等自动动作，并将动作记录。 ( 6 ) 根据业务台的请求，将控制信息下行到监控模块，产生实际的动作。 ( 7 ) 产生系统维护所需信息，并将这些信息存储或上行到服务器、业务台等。 ( 8 ) 提供用户和调试人员数据观察，调试、配置和维护的界面。 2 ) 服务器 服务器又称数据服务器，主要进行监控系统核心数据和主要业务数据的存储工 6 华中科技大学硕士学位论文 作。通常使用微机服务器。其基本配置如下： c p u ：p 42 4 g ；内存：5 1 2 m ；s c s i 硬 盘：3 6 4 g 4 ；显示器：1 5 英寸；网络接口：i o m i o o m ：操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 s e r v e r ：数据库系统：s y b a s e1 2 5 。 服务器主要实现数据的存储，其功能相对比较单一，基本功能如下： ( 1 ) 进行监控系统核心数据和主要业务数据的存储。 ( 2 ) 进行用户权限认证，并对用户登录、操作等事件进行存储。 ( 3 ) 根据前置机上行的数据产生中间数据表，从而提高数据查询和分析速度。 ( 4 ) 根据需要作为数据协议转换网关，进行监控系统和其他系统数据济议转换。 ( 5 ) 服务器的配置主要根据系统规模和用户对系统可靠性的要求配置双机冗余 系统和磁盘阵列。在需要配置浏览器的监控系统中，服务器也作为w e b 服务器使用， 在其上存储浏览器所需的程序和运行配置数据。 3 ) 业务台 业务台是监控系统业务体现的主要平台，其全面处理来自被监控对象的数据， 下达用户的操作命令，并提供用户进行数据查询分析的手段。业务台使用台式计算 机。其基本配置如下：c p u ：p 42 2 6 g ：内存：5 1 2m ：硬盘：8 0g ；显示卡：a g p 显 卡，3 2 m 显存：显示器：1 7 英寸。网络接口：i o m i o o m ，t c p i p ；操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0 ；配件：声卡、音箱、麦克风、激光打印机。 业务台软件的基本功能： ( 1 ) 对所辖的各个监控中心、监控单元、监控对象的实时数据、实时告警进行全 面监视、观察和浏览。 ( 2 ) 对所辖的各个监控中心、监控单元的监控对象的遥控、遥调量进行控制。( 在 权限许可的情况下) ( 3 ) 可以针对不同监控对象的特点进行数据、告警的呈视和控制。 ( 4 ) 可以提供告警弹出窗口、告警语音提示和告警短消息提示。提供用户告警 确认和告警人工取消的功能，并将这些用户操作记录入库。 ( 5 ) 可以进行人工或按时间对各个监控对象的遥测遥信量进行告警撤布防，并可 华中科技大学硕士学位论文 以对告警撤布防状态进行查询。 ( 6 ) 可以根据用户的需要，按照监控单元的划分、监控对象的类型、物理地域或 行政权限、需要重点监控的对象、单元或区域等不同的归类原则对监控对象的数据、 告警、设备信息等进行监控。 ( 7 ) 可以对当前的告警和操作事件进行全面或分i q 另j j 类的查询和处理( 查询条件 如时间、地点、种类、监控对象、告警级别等) 。 ( 8 ) 可以对运行数据产生运行曲线：可以对各种历史资料进行查询，处理和分析， 产生各种数据报表和数据曲线；可以根据用户的需要进行报表组态，可以将各种数 据报表转换成e x e c l 报表输出，供用户归档使用。 ( 9 ) 可以对监控系统进行在线配置和在线维护。 ( 1 0 ) 根据用户名、密码、用户级别等信息进行用户权限控制和安全管理，并提 供用户管理和用户操作、登录等事件查询功能。 2 1 5 电源监控系统在动力设备维护中的作用 1 ) 故障告警。 2 ) 实时监视供电设备的运行。 3 ) 远程控制设备。 4 ) 集中管理设备。 5 ) 结合门禁，管理人员考勤。 6 ) 监视机房的环境。 7 ) 自动抄表、打印报表。 8 ) 数据查询，故障分析。 2 2 图像监控系统的系统结构和工作原理分析 武汉电信目前在部分局站建设了远程图像监控系统。该系统直接利用2 m 线路传 输图像、声音、信令和监测量值。图像监控系统从大体上可分为监控中心和监控端 华中科技大学硕士学位论文 局两部分，监控中心和监控端局之间用e l 线连接。中心主处理机放置在监控中心， 通过局域网和监控后台相连，它和远端主处理器之间用e l 线路连接。 监控中心完成显示、处理各监控端局的视频、语音和告警信号的功能，并可以 控制各监控端局的监控设备：监控端局则完成对视频、语音和告警信号的采集和控 制功能。 武汉电信建有图像监控系统的系统组网示意图如图2 3 所示。 l 服务器jl a lf 业务台 l 图