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1、黄河下游引黄涵闸远程视频监控系统项目设计方案第一章 系统设计综述1.1引言2001年，黄河水利委员会启动一项旨在利用“数字化”手段统一处理黄河问题、提升治黄科技含量和管理水平，推动黄河水利现代化的宏伟工程“数字黄河”工程，预计到2006年基本完成框架建设，2010年建立全面的业务应用系统并投入运行。2003年4月水利部以“水规计（2003）166号”文正式批复了黄河水利委员会报送的“数字黄河”工程规划报告，这也是我国水利系统首家或水利部批复的数字流域规划。实施“数字调水”、“数字工管”是“数字黄河”的重要内容。“数字水调”建设中，通过对引黄涵闸进行技术改造，改变落后的管理方式，从而实现引黄涵闸
2、的远程监控与监视，为黄河水量统一调度提供强有力的技术保障。引黄涵闸属于黄河大堤上的穿堤建筑物，位置重要，能否安全渡汛，直接关系到黄河的安危。在“数字工管”建设中，通过引黄涵闸技术改造，设置相应的安全检测设施，实时掌握涵闸工程安全状况，以防患于未然。黄河属资源性缺水流域，水资源供需矛盾日益突出，黄河下游河道断流已成为黄河水资源管理与调度工作解决的一项重大课题。随着工农业和城市用水需求的增大，对黄河下游水管与调度工作的要求越来越高，调度方案的实施与监督工作的难度也越来越大。因此，必须加强对引黄涵闸的监督管理，利用先进的传感器技术、微电子技术、计算机网络与通信技术、网络流媒体技术等，实现对黄河下游引
3、黄涵闸的远程监测、控制和监视，及时获取河道引水和工程状况信息，进行实时调度，对确保黄河防汛安全和黄河不断流、维持河流生命、促进下游社会经济的可持续发展具有重大意义。远程视频监视系统是黄河下游引黄涵闸远程监控系统的子系统，主要实施对涵闸现地闸前、闸后和闸室环境及设备状况进行全方位的远程实时监视，是远程涵闸监控系统建设的重要内容之一。我公司多年来一直从事集中监控系统的开发和研制工作，并成功地开发了通信机房、移动基站、无人值守变电站、公安和银行安防等数字图像监控系统，积累了丰富的监控系统开发和研制的经验。特别是在网络数字图像监控领域，在国内率先提出网络视频分布式接入、接出、视频调度管理、分布式共享访
4、问等先进理念，并相继开发了基于H.261、MPEG1、MPEG4等系列完全具有自主知识产权具有国内先进水平的系列产品，成功地应用于国内电力、电信、公安、交通等多个领域。根据黄河水利委员会远程涵闸视频监控系统的建设要求，建设一套技术先进、运行安全可靠的远程视频监控系统，是我们的追求目标。1.2系统建设规模黄河下游引黄涵闸远程监视系统为水量调度部门的黄河水量调度中心、河南和山东水调分中心及两省所属的13个市级、32个县级分中心及闸管所等各级机构的用户提供对黄河下游引黄涵闸的远程监视功能，黄河下游引黄涵闸为84座，已建19座，待建65座（2003年建设42座，2004年建设22座）。系统建成以后，将
5、具有1个总监控中心、2个省监控分中心、13个地市监控分中心、32个县级分中心和84个闸管所视频监视站。本次项目招标主要包括内容如下：l 为2003年建设的42座引黄涵闸提供软硬件设备，包括：视频编码器（视频接入终端）42套（多路视频输入的编码器，数量为42套，单路数入的编码器为126套）；l 市局视频服务器13台，省局视频服务器2台，黄委水调中心视频服务器1台，共计视频服务器16台；l 黄委水调中心、河南和山东两省局视频解码器各1台，共计视频解码器三台，分别用于为监视大屏幕提供视频信号；l 黄河下游引黄涵闸远程监视系统配套软件，包括视频服务器端软件16套和远程监视终端软件（远程监视终端软件包括
6、独立安装的视频终端软件及二次开发的相应接口函数或控件，不包括远程监视终端的硬件设备）119套，其中闸管所42个，县局分中心32个，市局的分中心26个（每个分中心配2个），省局分中心8个（每个分中心配4个），黄委配置11个。1.3设计标准在系统的设计过程中，我们遵循了国家与行业有关的设计规范和标准，具体1.4设计依据本方案设计时主要依据：黄河水利委员会招标采购黄委远程涵闸视频监视系统视频服务设备和相应软件项目招标文件，亚太招标邀200333-1号1.5设计原则根据项目的技术要求，系统遵循以下原则设计，确保研制系统的完整性、先进性、实用性、可靠性、开放性和可扩性。1规范化系统设计依据最新的国际标准
7、、国家标准和行业标准，遵守开放的原则。系统设计有外部接口，很容易与其他应用系统共享数据，实现无缝衔接。2安全可靠性建立完善的网络与信息安全保障体系，确保系统运行有高度的可靠性和安全性。使用消息队列、数据冗余等技术保证数据的完整性，即使在网络暂时中断时也不会丢失数据。3控制优先级使用全局统一的逻辑授权机制，保证全局同步更新授权，避免造成控制混乱。4实用性采用成熟的技术，并结合黄河下游引黄涵闸远程监控系统的实际需要，“量身订做”的设计出一套最适合于黄河各级水调部门的监控系统。遥测、遥视、遥控功能三位一体，功能强大，性能优良、界面醒目、友好，系统各种操作简单、易学易用。5先进性采用成熟的先进技术，保
8、证具有较好的先进性、实用性和较长的生命周期。要充分考虑到现代信息技术的飞速发展，使系统具有较强的开放性，为技术更新、功能升级留有余地。6可扩展性系统采用模块化设计，具有较强的扩展性，可以方便的实现规模的扩充和业务的延伸。软件支持在线升级、扩充，可实现平稳过渡。7可维护性系统设计时充分考虑到系统的可维护性，可实现远程维护，具有维护操作简单、维护工作量小的特点。8经济性系统开发运行平台均采用当今最为通用的各种操作系统和开发工具，充分利用了我们在其他监控领域中成功应用的中间件和模块，大大减少在系统平台方面的投入，具有极高的性能价格比。1.6 系统建设目标系统的总体建设目标是：以成熟的高新技术为支撑，
9、借鉴当今先进的管理技术和管理手段，建设一个具有一定实用性、先进性、可靠性、开放性的“引黄涵闸远程视频监控系统”。系统依托于黄委黄河计算机广域网，以黄委水调中心为核心，连接省、地（市）、县三级河务局的水调管理部门，通过授权可以在各级水调部门实现对百座引黄涵闸现地情况进行全方位的具有可视、可调的远程监控系统。1.7系统组织结构根据黄委各级水调部门的业务隶属关系，系统的组织结构如图1.1所示。 图1.1 系统组织结构图1.8系统功能需求根据“系统需求规范”系统以黄委水调中心为核心，通过黄委广域网络连接省、地（市）、县三级河务局的水调管理部门和下游各涵闸现地监控点，实施对涵闸现地的闸前、闸后和闸室环境
10、和设备状况进行全方位的视频监控。各级水调管理部门根据授权，皆可对现地视频进行远程共享访问控制。其视频共享访问功能如下：l 视频监视视频监视就是在黄委各级水调部门，利用黄河计算机广域网，通过各级视频服务器系统，能够实现监视引黄涵闸的闸前、闸后和闸室图象。闸前监视点可以观察闸前、河道的状态；闸后监视点可以观察闸后引水情况；闸室监视点可以观察启闭机的工作状态和机房的状况。系统具有单路或多路图像同时监视功能。l 视频控制视频控制就是控制涵闸现地三个摄像机的云台、镜头、雨刷和照明灯，达到最好的监视效果。控制动作包括： 摄像机的左、右、上、下转动 光圈调节 焦距调节 雨刷控制 照明灯控制l 视频录象和画面
11、捕捉功能视频录象是把要监控的视频信号保存为视频文件，以便查询；视频捕捉是指在远程视频监视时，根据需要随时能够进行涵闸现场重要图像的画面捕捉，以便仔细观察、记录保存和打印存档。从触发机制上分，录象分为三种：手工、定时和联动录象。手工录象是操作人员根据工作需要对涵闸进行的随机录象；定时录象是系统在某个规定的时间区间对涵闸进行自动录象；联动录象是指系统可与涵闸状态监控系统进行联动控制录象。当发生特殊事件时，系统会自动触发录象功能，对该时刻的涵闸进行录象。触发录象的特殊事件包括： 报警事件 闸门控制事件等。l 系统管理维护功能系统管理维护功能是指系统各级管理员，根据授权通过管理终端可对其所辖范围内的系
12、统进行管理和维护操作，包括：站点和设备管理和维护、用户管理与维护、系统维护等。1.9系统核心技术简介1.9.1图像压缩技术视音频是流特性业务，数据量很大，未压缩的视频在Internet/Intranet上传输的效果是无法容忍的，而且会很容易地将网络资源吞没，造成网络拥塞甚至崩溃。因此，IP视频通信的第一步就是视频压缩。 视频压缩编码的理论基础是信息论。压缩就是从时域、空域两方面去除冗余信息，即将可推知的确定信息去掉。编码方法大致可分为三类： 1.考虑到图像信源的统计特性采用的预测编码方法、变换编码方法、矢量量化编码方法、子带-小波编码方法及神经网络编码方法等； 2.考虑到视觉特性采用的基于方向
13、滤波的图像编码方法、基于图像轮廓/纹理的编码方法； 3.考虑到图像传递的景物特征，采用的分形编码、基于模块的编码方法。 在IP视音频通信应用中，编码方法的选择不但要考虑到压缩比、信噪比，还要考虑到算法的复杂性。太复杂的编码算法可能会产生较高的压缩比，但也会带来较大的计算开销，软件实现时会影响通信的实时性。目前，在众多视频编码算法中，影响最大并被广泛应用的算法标准是ISO/IEC MPEG和ITU-T H.26x。 1.MPEG标准概况(1) MPEG-1 ISO的活动图像专家组（MPEG）在1991年11月提出了ISO/IEC172标准草案，通称MPEG-1标准。该标准于1992年11月通过，
14、1993年8月公布。它是为工业级标准而设计的，可适用于不同带宽的设备，如 CD-ROM、Video-CD、CD-I等。MPEG-1的编码速率最高可达4-5Mbitss。 (2) MPEG-2 1995年出台的MPEG-2（ISOIEC 13818），它所追求的是CCIR601建议的图像质量，即为DVB、HDTV和DVD等制定的3Mbps-10Mbps的运动图像及其伴音的编码标准。 MPEG-2在NTSC制式下的分辨率可达720486，MPEG-2还可提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道，和多达7个伴音声道（DVD可有8种语言配音的
15、原因）。同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。 对于最终用户来说，由于电视机分辨率限制，MPEG-2所带来的高清晰度画面质量（如 DVD画面）在电视上效果并不明显，倒是其音频特性（如重低音，多伴音声道等）更引人注目。 (3) MPEG-4 MPEG专家组继成功定义了MPEG-1和MPEG-2之后，于1994年开始制定全新的MPEG-4(IOS/IEC 14496)标准。MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，用于实现音视频（audio-visual）数据的有效编码及更为灵活的存取。MPEG-4试图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，MPEG-4引入了AV（AudioVisaul Objects）对象，使得更多的交互操作成为可能。 MPEG-4视频格式大大优于MPEG-1与MPEG-2: 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低。主要的原因在MPEG-4采用了ACE(高级编码效率)技术，它是一套首次使用于MPEG-4的编码运算规则。与ACE有关的目标定向可以启用很低的数据率。这可以将整部视频电影以完全PAL或者NT
