无人值守变电站智能化远程图像监控系统

1、第29卷第2期Vol.29 2计算机工程Computer Engineering文献标识码：A2003年2月February 2003中图分类号： TP39103 工程应用技术与实现文章编号：10003428(200302 0218无人值守变电站智能化远程图像监控系统胡 珊，顾其威(南京航空航天大学，南京210016摘要：在分析国内电力行业应用需求的基础上，研究了数字化远程图像监控系统的体系结构，对系统中的关键技术图像压缩、视频库结构、智能化处理、传输方式进行了探讨，并给出了具体实现方案，最后对该系统的发展前景进行了展望。关键词：无人值守；远程图像监控；图像压缩算法；IP 多播Remote V

2、ideo Monitoring System for Non-attended SubstationHU Shan，GU Qiwei(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016【Abstract 】The paper analyzes the actualities in remote monitoring system of power enterprise in our country, discusses the structure of the system, presents key techn

3、ology of the image compression, video database, intelligentize management and transport ways,and proposes the implementation.Future work is discussed also.【Key words】Non-attended ；Remote video monitoring system；Image compression；IP multicasting视频图像监控作为一种新型的安防手段，从20世纪80年面分割器能同时显现前端多个摄像机输出的画面。代起，广泛应用于

4、各行各业的安全监视领域。然而，因为视前端监控主机将摄像机采集的音像信号 (即图像信号和频图像传输条件的限制，该项技术在电力自动化系统中未能声音信号 进行数字化处理并压缩。录像数据是压缩过的图得到很好的推广应用。像，以节约硬盘空间；数据可以存储在本地或是远端的其他近几年，电力行业一直在致力于无人/少人值守变电站分控主机。压缩后的录像数据传送到通信设备，用于远程的的推广应用。目前已有相当多的变电站实现了“四遥”，即显示和回放。同时在网络上传输的还有分控计算机发来的控遥测、遥信、遥控、遥调功能。然而，实现变电站综合全面制信号，实现远程的云台控制、录像控制及一些管理控制。的自动化管理，大面积推广无人值

5、守变电站的必要保证是建对报警的布防和撤防可以在监控主机设置，也可以远程设立一套完善的远程监视/报警系统电力行业称之为“遥置。当报警发生时，监控主机产生报警联动(即当该前端任视”。 “遥视”功能使电力调度部门可以远程监视变电站何一个监控区域报警探头检测到警情时 ,自动将现场图像录的设备及现场环境。“遥视”作为传统“四遥”的补充，进制在本地硬盘上实现报警记录 ,发出报警声并呼叫报警电话一步提高了电力自动化系统的安全性、可靠性。因此，越来等 。越多的电力局把远程图像监控系统作为无人/少人值守变电站管理的重要手段。进入20世纪90年代后期，随着数字图像技术的发展，使电力自动化系统“遥视”功能的推广成为

6、可能。近两年，数字图像监控开始应用于电力系统中，该技术的应用为电力安全生产提供了较为有效的辅助手段，大大加强了对无人值守变电站的管理力度。目前市场上的图像监控系统大多应用于银行、智能化小 区等领域。这些系统的主要需求是图像的实时监控、录像及事后回放功能，对于图像的远程传输需求较少。而电力行业中无人值守变电站的监控现场一般与控制站点相距较远，图像的远程传输问题就显得格外突出。怎样使普通安防监控系统适应电力行业的需要，已经成为电力行业自动化建设的重要课题之一。1 远程图像监控系统的总体结构远程图像监控系统一般包含3个部分4：前端设备，通信设备和后端设备。如图1所示。监控前端由监控主机及一些外围设备

7、构成(如图2 。外围设备一般包括摄像头、云台、压缩卡、画面分割器等。云台镜头控制器用于控制摄像机的转动及镜头的变焦和聚集，控制现场照明灯通断，控制防尘罩的雨刮器、清洗、加热和吹风；压缩卡可以完成视频的实时数字化压缩存储；使用画通信设备是指所采用的传输信道和相关设备。通信网络支持 PSTN、DDN 、ISDN 、LAN/ WAN、E1专线、微波、无线扩频或卫星线路等多种方式，在无人值守变电站与监控218中心之间建立数据传输通道。传输的内容是视频、报警等录像数据和控制信号。后端监控设备由Web 视频监控服务器和若干远程分控计算机组成，Web 视频监控服务器包括视频监控服务器和Web 服务器，这两个

8、服务器可以安装在相同或不同的主机上。远程分控计算机既可以是局域网内的主机，也可以是通过Modem 拨号上网的主机。来自不同监控站点的数据，通过通信设备输入视频监控服务器，由监控服务器将其转发到网络上，采用点到点传输和组播相结合的技术。这样，局域网和广域网上的分控主机都可以通过浏览器同时进行监控。每个用户可同时监控多个前端，即" 一点对多点" ；不同用户也可同时监控同一前端，即" 多点看一点" ， 具有很大的灵活性。Web 视频监控服务器除转发音视频数据外，还完成对整个监控系统的管理、控制和远程分控管理、控制的传输。2 远程图像监控系统的关键技术2.1 图

9、像压缩摄像头采集的原始图像数据是模拟图像数据，经过/转换后变成数字图像数据，但是它的数据量非常大，由于网络的带宽是非常有限的，同时为了节省录像后的磁盘空间，必须利用视频数据的时间冗余度和空间冗余度，对它进行压缩。现在视频数据的压缩技术发展迅速，MPEG1、MPEG2、MPEG4、H261、H263和H263+等多种图像数据压缩协议已经得到广泛运用。这些图像压缩编码都可用于数字远程图像监控，具体采用何种压缩算法应视信道资源情况和对图像的要求而定。有些低成本的系统采用MJPEG 进行图像压缩，适用于信道较宽而对图像帧率要求不高的场合。如果信道较窄，如电话线、64kbpsDDN 或基本速率ISDN

10、(128kbps，采用H263或H263+方式较好，有较高的图像清晰度和图像速率。若信道较宽，如对于局域网或E1信道(2.048Mbps，则可采用Wavelet 、MPEG1或H261，能保证较高的图像质量。若有更宽的带宽，如百兆以太网等，可采用Wavelet 或MPEG2等编码方法，从而获得很高的图像质量。在宽带条件下，Wavelet 、MPEG1、MPEG2或H261都可以采用。考虑到程序实现的复杂性，本文用图像压缩卡完成压缩功能。MPEG1为压缩卡的主流产品，技术比较成熟，在宽带条件下，使用MPEG1图像压缩卡进行硬压缩。由于公用电话网(PSTN和无线网络上的传输速率仍然很有限，而且误码

11、率高，上述的标准大多不能满足这类高压缩效率和强信道容错能力的应用要求。而H263+很好地解决低码率视频应用问题，它在提高编码压缩效率的同时，提高码流对高误码率信道的容错能力，而且都是通过选项的形式提供，方便灵活，且能够兼容本标准的以前版本(H263。由于实现成本较低，H263+标准已经越来越多地被采用。由于目前没有使用H263+标准的图像压缩卡，为了使图像能够在窄带条件下传输，现有的图像监控系统大多采用缺帧传输，致使图像抖动严重，出现" 动画" 效果，图像监控效果不佳。为了在带宽较窄的情况下，获得较好的图像质量，本文在远程传输时采用H263+算法软压缩，既适应了带宽要求，又

12、防止了监控画面的抖动问题。本系统结合了不同的网络环境、综合编程复杂性和图像质量等多种因素，宽带环境下，使用MEPG1的硬压缩，以保证较高的图像质量；窄带环境下，使用H263+的软压缩，以适应低码流、高误码率的通信环境。2.2 监控主机视频库结构视频监控数据库(Video Monitoring Database相对于一般的多媒体数据库来说，结构比较简单，如图3所示。视频信号采集后，一路进行软压缩，一路进行硬压缩，压缩后的数据直接送到视频发送缓冲区。当Web 视频监控服务器接收到用户的调看请求时，则根据用户所处的网络环境及具体需求，传送软压缩或硬压缩的相应通道数据；同时为了事故分析及巡视方便，前端

13、硬盘的历史库包括了报警录像、定时录像和手动录像视频数据库，分别用于存储报警录像、定时录像和手动录像。由于报警时必须记录报警前一段时间的情况，在内存里开辟了FIFO 堆栈区，视频信息在堆栈内不断刷新，有报警时自动记录。当有效硬盘空间少于预定值时，数据维护模块将自动删除历史库中时间最久的数据。由于视频数据量大，采用CSMA/CD的以太网容易出现数据拥塞，无法保证服务质量(QoS，将视频相关模块集中在同一台主机内，避免了因以太网阻塞而影响实时性3。 在Web 视频监控服务器上建立了历史回放视频数据库，由多个前端视频信息库组成，目的在于方便远程的分控调用，其维护方式与前端类似。为了节省硬盘空间、减少网

14、络传输，Web 视频监控服务器一般不自动存储信息。有4种情况例外：(1本地或远程的控制模块发出存储命令(手动录像 ；(2用户定义的录像时段来临(定时录像 ；(3前端发生了报警，服务器端检测到上传的视频信息中附加了报警信息，则自动将视频信息存储到相应的回放视频库中(报警录像 ；(4用户进行了抓拍。2.3 监控数据的智能化处理在无人值班变电站的监控前端，监控的目标很多都是静态实体。系统需要对这些目标进行监控、录像。虽然系统已经对视频数据进行压缩，但数字图像的信息量依然是非常巨大的。一帧 640×480的黑白图像，其信息量约为2.45MB 。如果24小时以每秒25帧速率连续采样这样大小的图

15、像，仅一个通道一天的信息量就高达5308.4B ，显而易见这样根本无法达到长期监视静态实体的目的。为了长期长时间监控并且节约硬盘空间，需要对视频数据的录像进行智能化处理。摄像头连续不断地将监视区画面采集入计算机，由计算机根据用户的事先定义，自动判断有无异常情况发生，即判断前后两帧图像的变化比例，如果该比例超过了用户的定义，则视为有异常发生。一旦有异常侵入发生，计算机报警，并开始录像，跟踪画面达到一种新的静态平衡，这时中心计算机生成停止画面并停止记录存储。219来区别发送源(多播地址不能作为源地址 ，因此用目的地如前一部分所介绍，在内存里开辟FIFO 堆栈区，视频信息在堆栈内不断刷新，则在发生报

16、警时，报警发生前的录像数址、目的端口、源地址、源端口组成的特定值来表示会话中某发送者的信息流。当接收端调用函数WSARecvFrom(从据硬盘上也会保存。如果变化的比例小于用户的定义，则说明监控对象的变化属于正常变化。再进行录像不仅会产生信相应的套接字中读取数据时，应用程序首先应加入指定的IP 息冗余，而且浪费硬盘空间。所以在此情况下，不再记录监多播组。它主要通过调用一组函数WSASocket(、WSAIoctl(和WSAJoinleaf(来实现。控图像。系统引入智能化处理后，即使用户需要对监控前端长时多播套接字的设置：间记录数据，也能够较好地完成。WSASocket (AF_INET，SOC

17、K_DGRAM，IPPROTO_UDP，NULL ，0，WSA_FLAG_OVERLAPPED|2.4 图像传输WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF|图像监控中，前端多个不同远程计算机可能要求同时调WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF；看同一个通道的图像，这样Web 视频服务器就要给互联网中WSAIoctl( SIO_MULTICAST _LOOPBACK函数的命令的多个IP 站点发送同一数据。如果采用点到点的单播方式，码用来设置或检查多播数据是否循环返回套接字。发送多播则同样的视频数据要发送多次，造成不必要的重叠发送；如数据时，采取的默认行为是让发给多播组的任

18、何数据都成为果采用广播方式，则图像数据会发送给无关客户机，会无谓套接字接收队列内的进入数据。当然，只有在该套接字亦属地增加其负担，并可能造成网络资源的大量消耗，严重影响于目标多播组的一名成员时，这种“循环返回”才有意义。传输效率。因此，本文采用IP 多播技术进行图像传输。WSAIoctl( SIO_MULTICAST _SCOPE函数的则用来设 IP“多播”是指在互联网上对一组站点进行数据传置或获取多播数据的存活期。所谓“作用域”，实际是指数送，这一组IP 站点是动态形成的，每一站点都可以动态地加据最多允许路由至多少个网段。默认情况下，这个值的设定入或退出这个组。多点播送的地址是D 类地址，它

19、是动态分是1。若多播包抵达一个路由器，其TTL 值便会减1。一旦配和恢复的瞬态地址。对一个网络内的工作站来说，只有在TTL 值变成了0，那个包便会被丢弃。上面运行的进程表示自己“有兴趣”(加入多播组 ，多播数通过对IP 数据报头数据域的TTL(生存时间 的设置来限据才会传递给它们。而且多播信息只在多播传递树中的分叉定Multicast 流的范围，防止数据流从指定网络进入另一网处被复制。这样，可有效减轻网络通信负担，避免资源的无络，引起网络的数据阻塞(TTL=1将数据报限制在子网内 。谓浪费。WSAJoinleaf(函数用来加入一个叶子节点到多播组。在本系统中，变电站的每个摄像头都建立一个多播组

20、，3 结束语每个想实时监视某个摄像点的主机都可申请加入该摄像点的无人值守变电所远程图像监控作为一门新兴的综合性技多播组。多播组名称必须唯一，这由系统中的Web 视频监控术，涉及到计算机、通信和图像处理等多个技术领域。本文服务器的集中管理来保证。同时，Web 视频监控服务器还负在改善远程图象传输的质量和效率，以及智能化处理等方面责多播地址和端口的分配、远程监控站视频和其他信号采集做了一些工作，并在实际工程中进行了应用尝试。随着电力参数的设置以及远程监控规则的更新等。行业自动化进程的推进，智能化远程图像监控将得到广泛的针对IP 多播，Winsock 提供了两种不同的实现方法，具应用。体取决于使用的Winsock 版本。Winsock1中，要求通过套接参考文献字选项来加入一个组。Winsock2则引入了一个新函数，专1 美Jones A.Windows网络编程技术北京机械工业出版社. :,1999门负责多播组的加入。这个函数便是WSAJoinleaf(，它与2 黄惠汇何