数字视频监控系统在电力系统中的应用

摘要：本文介绍了图像视频监控系统的发展过程，分析了基于IP组播与MPEG-4视频编码的网络视频监控系统的特点和优势，并给出了应用于电力系统安全生产监控的一个实例。实际应用表明，基于MPEG-4 标准和IP 组播技术的系统具有更高的压缩率、更高的网络带宽利用率等特点。
Abstract：This paper introduces picture video evolution of surveillance system, Analysed the characteristic and advantage based on IP multicast and MPEG-4 video code of the video surveillance system，Give and publish apply to power system safe a instance of surveillance system. Practical application indicate, sow on the basis of MPEG-4 standard and IP multicast system of technology have in high compression rate, high network width utilization ratio,etc. characteristic. 关键词：视频监控，IP组播，MPEG-4、电力系统 Keywords：Video Surveillance，IP Multicast，MPEG-4，Power system 分类号：TM7　文献标识码：A

一、概述
        当前，随着电力体制改革的深入发展，厂网分离，电厂与电网企业为了提高经济效益，提高劳动生产率，都准备在变电站、变电所实现无人值守；同时，各级变电站、变电所都积极建设通讯网络，这使得基于网络的远程监控成为可能。在电力调度通讯中心可以建立监控中心，能够对各变电站、所有关数据、参量、图像进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握各变电站、所的情况，并及时对发生的情况作出反应。
        变电站现在一般都有"四遥"系统，可以在此基础上增加遥视系统，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，监控中心接收编码后的视频数据和监控数据,进行监控、存储、管理。变电站遥视监控系统的实施为实现变电站、所的无人值守，从而为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有力的技术保障。
        当前一些变电站、所使用的视频监控系统都是早期的模拟监控，性能和稳定性不高。现在随着网络技术和计算机技术的发展，基于TCP/IP协议的IP网的应用得到广泛普及。高速宽带主干网的建成和各地区高速接入系统的迅速发展，促进了基于IP技术的各种视频通信应用,如网络远程视频监控系统的发展。所以在电力安全监控系统中引入现代网络远程视频监控系统将是一种趋势。

二、图像监控系统的发展
        图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系统的技术水平直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况，而计算机及网络技术的发展将图像监控技术提到了一个新的高度。
        过去因为网络带宽不够而限制了网络上的多媒体应用。随着光纤网的迅速普及，网上多媒体应用（如视频会议，数字监控等）正为传统的计算机应用注入新的技术和内容。网络多媒体技术的发展也导致了基于IP技术的网络远程现场视频浏览应运而生。从模拟监控到数字监控，实现了监控技术的一次飞跃，目前最先进的技术就是通过专用视频服务器（瘦服务器）把模拟图像信号转化为数字图像信号后上网，同时通过管理程序对多个视频流进行统一管理，获得授权的用户便可以通过网络看到任何一个监控现场的实时图像，并且可以控制监视器的视角和焦距。按图像监控的发展历程，可以将图像监控系统分为三类。

1、本地模拟信号的图像监视
        从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统就已诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。本地图像监控系统一般采用模拟方式传输，采用视频电缆(少数采用光纤)，传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。

2、基于编解码器的远程视频监控
        基于编解码器的远程视频监控是从本地模拟监控发展起来的，它使用传统的监控技术加上一对视频编解码器实现远距离的视频传输，在监控中心使用专用的监控键盘进行控制，其本质上还是属于模拟监控，很难与其它的系统互连互通。

3、基于TCP/IP网络的数字视频监控
        采用TCP/IP网络的数字视频监控是近年比较流行的监控方案，符合网络化、IP化的时代潮流，技术含量高，其最大的特点是传输距离不受限制，且能很方便的与其它系统互连互通，录像与事故调查都很方便，另外还可以方便地接入其它安全防范设备，如温度、湿度、烟感、入侵等报警器；同时可以连动灯光、警号、锁具等动作设备，这使得它可以方便地组成一套功能强大的安全防范系统。

        数据量大，占用系统主机资源及网络通道资源高一直是数字视频监控面临的两大难题，如何能有效的解决这两个问题是整个系统的关键所在，广东中钰科技的ZV-2002产品采用IP组播传输与MPEG-4视频编码相结合的途径有效的解决了这两个难点。

三、IP组播传输技术
        在传统的网络传输中，大都采用点对点的传输方式，这种方式比较可靠，但对于一点向多点传输相同的数据的情况下，这种方式就不能充分利用带宽，使传输的路数有限。例如在一个网络上有100个用户需要接收相同的视频流时，传统的解决方案要么把这一信息分别发送100次，以便确保需要数据的用户能够得到所需的数据；要么采用广播的方式，在整个网络范围内传送数据，需要这些数据的用户可直接在网络上获取。这些方式都浪费了大量宝贵的带宽资源，特别是网络上只有少数用户需要数据时，这种浪费更加明显。IP组播就是为了解决这个棘手问题而开发出来的。IP组播采用了组地址的概念，把需要视频流数据的用户编入用户组，并利用一些高级的网络协议来确保最经济地利用带宽，把数据通过用户组传递给真正需要的用户。IP组播还能减轻服务器的负担，提高视频服务器应用程序的效率，从而革命性地改变网络的性能，节省大量的网络带宽。
       简单来说，IP组播是一种保存带宽的技术，它采用的方式是把一个单独的信息流同时传送到许多接收者那里，从而减少了网络的流量，如下图所示：



      
        IP 组播技术作为一种网络层的点对多点传输方式，IP 组播利用组播路由器进行IP 包的复制和分发，IP 包沿一条"组播树"从一个发送端传送给多个接收端。这比在端系统进行复制、分发的效率高得多。IP 组播技术为数字图像监控系统中的图像多点传输提供了灵活高效的支持。

四、MPEG-4视频编码技术
       在过去的20 多年中，音/视频技术的发展经历了重大的变化，出现许多成功的标准，如MPEG-1/2 等。但是这些标准的应用目标主要是针对中高比特率，因此对应用于象可视电话和远程监控等这些受网络带宽限制的场合有很大限制。
MPEG-4旨在将众多的多媒体应用集于一个完整的框架内，为不同性质的视音频数据制定通用、有效的编码方案，提出基于具体内容（Content-based）的视频对象（Video Object）的编码标准。
        MPEG-4是一种高效率的编码标准，其最低码率可达到5-64kbps。在开发低码率编码的同时，更注重具体视频对象的交互性和可操作性，并对多媒体应用领域的各种编码进行兼容。
       MPEG-4又是第一个使用户可在接收端对画面进行操作和交互访问的编码标准。由于MPEG-4基于对音视频对象（AVO）独立编码，必须同时传送编码对象的组成结构信息棗“场景描述”，它不属于AVO的特征信息，仅表示场景中各AVO对象之间的时空结构关系。“场景描述”信息是独立传输的，解码时在解码端可改变选定AVO的“场景描述”参数，对图像和声音的有关内容进行编辑和操作。例如：增删某个对象、改变某个音视频对象的音调、激活分级编码信息等，编码端无需任何改变。
        MPEG-4引入了合成与自然混合编码（Synthetic and Natural Hybrid Coding SNHC）。以往的编码把人工合成信息视为自然信息的一个子集，如把计算机图形视为视频，MPEG-4把这类数据视为一种新的数据类型，支持对人工合成AVO数据与自然AVO数据混合编码，提供对人工合成信息的具体描述，设计了合成图形对象的描述框架及通用的数据流结构和灵活的接口，定义了有关图形文本的多种表达方式。对于频繁出现的视觉对象分别定义了它们的纹理形状和动画参数。这样的合成编码不仅可极大地提高编码效率（可获得1kbps的超低码率），而且为制作新的人脸等对象提供了方便。
        MPEG-4提供了基于内容（对象）的随机存取方式，在有限的时间内能以较高的分辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。例如，可以一个序列中的某个音视频对象为目标进行快进搜索。
        MPEG-4的编码系统是开放的，为各种多媒体应用提供一个灵活的框架和一套开放的编码工具，不同的应用可选取不同的算法。解码器是可编程的，各种解码工具可与信息内容本身一起下载。
        MPEG-4 围绕一个核心设计低比特率编码方法。这个核心是运动补偿DCT 算法，该方法在MPEG-1/2 的压缩算法的基础上作了扩展。尤其是MPEG-4 允许更多的运动补偿方式，包括标准的8×8 或16×16 基于块的运动估计，基于8 个运动参数的全局运动补偿，或子图的运动补偿（分静态子图：如描述全景背景的大静止图像和图像间的运动补偿；动态子图：图像的许多区域，从场景中产生后进行运动补偿）。
        MPEG-4不仅能满足数据视频监控的应用需求，对超媒体EMS系统也必将产生深远影响。

五、数字视频监控系统在电力系统中的应用
       为了提高电力系统生产的安全性，减少灾难性事故的发生，必须要建立一套变电站安全监测系统，加强对变电站的实时监控。在对广东省中山市电力分公司长州变电站的视频监控系统设计过程中，我们考虑到基于IP组播与MPEG-4的网络视频监控系统的优点和现场的实际需要，采用了广东中钰的ZV-2002视频监控产品，取得了较好的效果。

1、应用需求
数字视频监控系统应用于变电站，主要体现在以下几个方面：
1）通过图像监控、安防系统，保护无人值守变电站设备的安全。
2）通过图像监控结合远程和本地人员操作经验的优势，避免误操作。
3）通过图像监控、报警联动、环境监测监视现场设备的运行状况，起到预警和保护作用。
4）通过报警录像与点播功能，可以回放报警发生时现场的录像，起到事故追查的作用。
5）配合其他系统（如变电站综合自动化系统等）的工作。

2、ZV-2002系列产品简介
       ZV-2002数字视频监控系统是广东中钰科技自主研发的，采用IP组播技术与MPEG-4技术，采用先进的互联网技术和标准开发的性能卓越、功能完备的新一代远程视频监控系统。系统采用标准的互联网协议，能架构在局域网、广域网和无线网络之上，可以与各种类型的不同的以太网设备无缝连接。系统无须铺设专用的视频和控制电缆，授权用户可在网络的任何计算机上对监控现场实时监控，同时能与本地MIS和SCADA系统紧密结合，真正做到一网多用。
       ZV-2002数字视频监控系统包含系统服务器、数据库服务器、媒体服务器、WEB服务器、客户端、通信网关以及RVU（Remote Video Unit）等组成部分，其中系统服务器用来对整个系统的资源，包含各站的设备配置、用户权限以及告警事件等进行统一的管理；数据库用来存储系统数据与操作日志等信息；媒体服务器主要用来进行报警录像、手工录像、定时录像以及视频点播等；WEB服务器主要负责WEB监控的发布与代理；通信网关主要负责与调度SCADA系统的互连；RVU主要负责视频数据与报警信号的采集与发送。

3、实现方案
       整个视频监控系统结构如下图所示：


      
        摄像机的视频输出通过BNC连接到ZV3208AC视频矩阵的输入，矩阵的视频输出连接到RVU的视频采集卡上，矩阵与RVU之间通过RS-232接口相连，智能球或云台解码器通过RS-485总线与矩阵相连，RVU通过RJ45以太网接口与中心交换数据，因为是采用E1通道，所以中间加上了一对G.703/10BaseT的协议转换器。
        此外，还可以将其他变电站安全监测设备如：温度传感器、烟感检测设备、报警设备等通过辅助的输入设备连接到ZV3208AC视频矩阵上，实现对其它环境量的监测。

六、结束语
        IP组播技术与MPEG-4视频编码技术是实现该图像监控系统的基础。由于本系统采用MPEG-4的视频编码技术，MPEG-4的视频压缩流占用的带宽较小，使得在同一线路上能传输更多路数的视频信号。在传统的利用点到点的传输方式中，也就是分别进行点到点传输，网络的负载不仅大，而且增加发送主机的负载，况且对于象视频这样需要实时传输的数据流，更无法忍受大的延迟。
        因此本系统利用IP 组播技术传输视频信号，解决了这个问题。从系统的应用来看，运行还是比较稳定的，效果较好。
        随着TCP/IP技术与视频编码技术各个领域都得到发展和应用，基于IP技术与图像编码技术的视频监控系统必将在变电站安全生产监控上得到更广泛的应用，并会影响到整个变电站安全监测系统甚至综合自动化系统的发展方向，超媒体的综合自动化系统在不久的将来将会成为主流。


参考文献：
[1] RFC　1112　Host　Extensions　for　IP　Multicasting　Deering　August　1989
[2] RFC　1700　ASSIGNED　NUMBERS　October　1994
[3] ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, "MPEG-4 Draft International Standard " October, 1998
[4] 夏天,陈磊,余兆明 MPEG-4的基于内容的视频编码技术 电子工程师 1999.10
[5] Rob Koenen MPEG-4 Overview - (Melbourne Version) October 1999/Melbourne
[6] 谢益善 高新华等 电力远程图像监控系统技术标准（试行）广东省广电集团 2002.7
[7] 余兆明 李晓飞 陈来春 MPEG标准及其应用 北京邮电大学出版社 2002.11

作者简介：王先来，男，华中科技大学硕士，广东中钰科技有限公司技术副总经理，电力行业遥视系统资深专家，参与多项行业标准制定工作，参与华中科技大学罗毅教授《电力系统遥视》书籍的编写。