基于云服务的电力移动视频监控系统设计

    

    

    

    摘 要：文章基于分布式的云服务架构，研发适用于省市级电力公司检修和安监等部门的电力移动视频监控系统，实现对施工/检修现场、设备巡检、输电线路等各类移动视频的集中监控、统一存储和统一管理，为安全生产提供有效的监管手段。

    關键词：云服务；移动视频；监控系统

    作者简介：杨建旭（1983— ），男，福建建瓯。

    随着我国电力事业不断发展，电力系统自动化水平不断提高，各变电站、高压输电线路等都要实现少人或无人值守，以提高生产效益。变电站施工、检修、安全巡检、高压输电线路等施工现场及设备区域，由于环境的特殊性，基本不具备变电站一样的供电及传输网络条件，传统的基于电力数据网传输的视频监控系统不能应用在这些场所，因此在这些场所部署基于无线传输、快速部署的移动视频监控系统很有必要性。通过移动视频监控平台对施工/检修现场、安全巡检、输电线路的视频进行有效的集中监控，从而提高安全生产管理水平。

    1 系统概述

    基于云服务的电力移动视频监控平台应用在省市级电力公司的检修公司和安监部等部门，实现对施工/检修现场、设备巡检、输电线路等各类移动视频的集中监控、统一存储和统一管理，并在此基础上对现场的运维检修作业行为进行监控管理，为安全生产提供有效的监管手段。平台采用基于分布式的云服务体系架构设计，监控规模和业务功能具备良好的扩展性，并支持工作站、Web浏览器和移动终端等多种访问形式。平台对各类便携式、可穿戴的移动摄像机进行监控和录像存储，实现现场作业行为的记录。利用智能分析技术，通过区域检测、运动检测、安全帽等智能分析功能，实现对作业行为全过程监督，实时检测作业违章行为，及时发出告警，保证作业人员的安全，提高安全生产效益。平台支持双向的语音对讲功能，方便信息的沟通和指令传达。支持对视频数据、GPS信息及报警信息等内容的存储和查看，方便事后追溯。

    1.1 物理架构

    系统物理构架如图1所示，由平台层和前端设备层两级架构构成。平台层由流媒体服务器、存储服务器、管理服务器、数据库服务器以及移动终端、工作站、Web浏览器等客户端组成。前端设备层主要包括部署于现场的便携式摄像机、布控球等设备。

    1.2 软件架构

    系统的软件架构采用C/S+B/S的混合架构设计，由前端设备、云服务管理、云存储、接口服务层和应用层等平台模块组成。软件框架如图2所示。

    1.2.1 云服务平台层

    该层是云服务平台的核心，主要包含云服务管理模块、数据库模块、前置模块和云存储模块等，提供主要的数据处理和功能服务。其中数据库由实时数据库和历史数据库组成。实时数据库为内存数据库，满足采样数据的实时刷新和显示。

    1.2.2 接口服务层

    平台层对外提供的统一中间件接口服务，实现云服务平台与应用层的对接。

    1.2.3 应用层

    系统的人机界面显示层，用户通过浏览器或安装相应客户端程序实现远程访问，支持PC机和移动终端（手机、Pad）等。监控中心的监控人员可通过PC的专业客户端或浏览器对系统进行全面的监控和管理。移动终端上的APP应用主要提供系统的监视和告警查看功能。

    1.3 技术实现

    1.3.1 流媒体技术

    流媒体服务器采用分布式架构，分布式系统因其有良好的可扩展性，可以通过增加服务器数量来增强分布式系统整体的处理能力，从而大大提高了系统对高并发访问和海量数据处理实时性、可扩展性等性能的要求。通过在接近用户的物理网络区域部署用户接入服务器，视频流就近上传，提高整个系统的访问速率。分布式设计打破了单点接入的弊端，每一个部分都可以平滑地扩容，在用户访问、流媒体访问和设备接入上，都具有良好的可扩展性和伸缩性，可以大大提高整个系统的容量、稳定性和可靠性。流媒体分布式架构示意如图3所示。

    1.3.2 RTP/RTCP、RTSP视频传输技术

    前端设备的视频数据通过RTP/RTCP，RTSP协议传输至平台的流媒体服务器，流媒体与客户端之间视频数据也通过RTP/RTCP、RTSP协议传输。在视频数据的传输过程中，RTP 协议用来封装具体的实时视频流数据，RTCP 提供质量控制和流量控制等功能，RTSP 用于控制流媒体数据在 IP 网络中的具体传输过程。RTP/RTCP、RTSP等视频传输技术通过jrtp，live 55等开源软件包实现。RTP/RTCP，RTSP的关系如图4所示。

    1.3.3 基于3G/4G网络的视频数据传输技术

    本系统采用3G/4G作为无线接入方式，鉴于传输的视频数据量较大，采用拥有更高压缩比的第二代压缩技术的H.264算法进行视频压缩。视频传输过程中网络带宽为3G的均值码率300 kb/s，传输延时约为50 ms，路由队列管理则选用最简单的直接丢弃方式。3G信道的示意如图5所示。

    从低带宽传输视频的角度考虑并兼顾视频传输的高效性和可控性，网络传输协议在网络层用UDP实现，而可靠性和可控性由应用层的RTP/RTCP完成。为了提高网络利用率，将RTP包的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）定为512，以适应3G/4G的网络传输环境。

    为了防止3G无线网络出现因外界干扰、远近效应、小尺度衰落等导致丢包率波动而产生的伪拥塞现象，引入一个低通滤波器，以便在真正拥塞发生时及时调整传输速率，并保证传输速率的平滑，避免出现码率的振荡调节。经过滤波的丢包率数据能更好地反映网络的实际情况，从而有效调整视频数据的发送模式。在网络状况较好的情况下可以使用CIF画质并逐渐提升帧率，但是如果网络出现了拥塞，可以改为QCIF画质并逐渐下调帧率。目前的码率控制算法中，基于加性增乘性减（Additive Increase and Multiplicative Decrease，AIMD）的算法，由于其较小的计算复杂度得到了广泛的应用。但是由于该算法是线性的，不能对快速变化的无线网络提供较好的适应性和快速收敛性。为了减少发送端的计算量，采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一个简化模型：

    （1）

    式（1）中MTU是传输所采用的最大传输单元（byte），λ是丢包率，回路往返时间（Round-Triptime，RTT），SendRate为该式确定的吞吐量（bit/s）。其中往返时间的计算需要用到 RR包中的LSR字段，用当前时间减去LSR可得RTT，发送端根据B（P）调整编码器输出码率。

    1.3.4 基于ICE的中间件接口设计

    ICE（Internet Communications Engine）是一个面向对象的中间件，提供分布式应用程序的解决方案，具有体积小、跨平台、效率高等特点。ICE支持Windows，Linux等多种操作系统，并支持在多种开发语言上使用，如C++，C，Java，RUBY，Python，VB等。服务端可以是以上的任意一种语言实现，客户端也可以根据自己的实际情况选择不同的语言实现，如服务端采用C语言实现，而客户端采用Java语言实现。ICE处理了所有底层的网络接口编程，使我们可以专注于应用逻辑的开发。本系统通过ICE封装平台的流媒体、告警和数据库等服务模块接口，提供跨平台的统一接口，支撑Web服务、移动终端的调用。

    1.3.5 视频存储模块

    支持视频数据的集中存储、检索和回放技术，存储形式支持前端存储、客户端存储和平台存储等多种方式。为了满足流媒体高性能读写需求，视频存储服务采用缓存+分布式文件系统架构，缓存区负责存储当前一段时间内数据和读数据缓存，架构如图6所示。

    写数据时，先在视频时序索引中插入该视频文件版本号与视频位置的对应关系，然后将数据写入到“写数据缓存区”，“写数据缓冲区”再定期或根据数据量达到限制将数据写入到分布式文件系统。

    读数据时，先从视频时序索引中获取该视频文件起始版本号，然后从缓冲区中读取，若读到所需数据直接返回，若读取失败，则从分布式文件系统中读取。

    2 系统功能

    （1）支持对现场移动视频的实时播放、云台控制、预置位调用和抓图等功能；（2）实现对现场移动视频的录像存储，并可按时间、地点等条件检索录像列表以及回放、下载录像视频的功能；（3）支持通过电子地图显示现场设备的位置、通信状态、告警等信息，并可在电子地图上点击调阅设备视频；（4）支持对现场设备的远程配置、对时、重启等功能；（5）系统支持通过Web浏览器、移动终端等多种方式使用；（6）系统具备用户、用户组、权限管理功能。

    3 结语

    基于云服务的电力移动视频监控系统，可应用于省市级电力公司的检修公司和安监部等部门，实现对施工/检修现场、安全巡检、输电线路等各类移动视频的集中监控、统一存储和统一管理。系统的应用将有效降低运维管理人员日常管理的工作量和工作难度，为用户节省设备成本、人力资源成本和运行维护成本，提升电力安全作业水平。

    [参考文献]

    [1]张原，史浩山.分布式智能视频监控系统设计与实现[J].计算机应用研究，1999（11）：98-101.

    [2]陈建新.电力行业作业现场无线视频监控系统[J].信息安全與技术，2013（6）：106-108.

    [3]丁小路，吕开丽.基于3G网络的远程视频监控系统在电力施工现场的应用[J].无线互联科技，2014（11）：30.

    Abstract： Based on the distributed cloud services architecture， researched and developed the power mobile video monitoring system which applied to the provincial and municipal power company maintenance and safety supervision departments， to realize the construction/maintenance site， equipment patrol， transmission lines and other types of mobile video monitoring， unified storage and management， to provide effective means for safety supervision.

    Key words： cloud service； mobile video； monitoring system