基于云服務的電力移動視頻監控系統設計

摘 要：文章基于分布式的云服務架構，研發適用于省市級電力公司檢修和安監等部門的電力移動視頻監控系統，實現對施工/檢修現場、設備巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監控、統一存儲和統一管理，為安全生產提供有效的監管手段。

關鍵詞：云服務；移動視頻；監控系統

作者簡介：楊建旭（1983— ），男，福建建甌。

隨著我國電力事業不斷發展，電力系統自動化水平不斷提高，各變電站、高壓輸電線路等都要實現少人或無人值守，以提高生產效益。變電站施工、檢修、安全巡檢、高壓輸電線路等施工現場及設備區域，由于環境的特殊性，基本不具備變電站一樣的供電及傳輸網絡條件，傳統的基于電力數據網傳輸的視頻監控系統不能應用在這些場所，因此在這些場所部署基于無線傳輸、快速部署的移動視頻監控系統很有必要性。通過移動視頻監控平臺對施工/檢修現場、安全巡檢、輸電線路的視頻進行有效的集中監控，從而提高安全生產管理水平。

1 系統概述

基于云服務的電力移動視頻監控平臺應用在省市級電力公司的檢修公司和安監部等部門，實現對施工/檢修現場、設備巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監控、統一存儲和統一管理，并在此基礎上對現場的運維檢修作業行為進行監控管理，為安全生產提供有效的監管手段。平臺采用基于分布式的云服務體系架構設計，監控規模和業務功能具備良好的擴展性，并支持工作站、Web瀏覽器和移動終端等多種訪問形式。平臺對各類便攜式、可穿戴的移動攝像機進行監控和錄像存儲，實現現場作業行為的記錄。利用智能分析技術，通過區域檢測、運動檢測、安全帽等智能分析功能，實現對作業行為全過程監督，實時檢測作業違章行為，及時發出告警，保證作業人員的安全，提高安全生產效益。平臺支持雙向的語音對講功能，方便信息的溝通和指令傳達。支持對視頻數據、GPS信息及報警信息等內容的存儲和查看，方便事后追溯。

1.1 物理架構

系統物理構架如圖1所示，由平臺層和前端設備層兩級架構構成。平臺層由流媒體服務器、存儲服務器、管理服務器、數據庫服務器以及移動終端、工作站、Web瀏覽器等客戶端組成。前端設備層主要包括部署于現場的便攜式攝像機、布控球等設備。

1.2 軟件架構

系統的軟件架構采用C/S+B/S的混合架構設計，由前端設備、云服務管理、云存儲、接口服務層和應用層等平臺模塊組成。軟件框架如圖2所示。

1.2.1 云服務平臺層

該層是云服務平臺的核心，主要包含云服務管理模塊、數據庫模塊、前置模塊和云存儲模塊等，提供主要的數據處理和功能服務。其中數據庫由實時數據庫和歷史數據庫組成。實時數據庫為內存數據庫，滿足采樣數據的實時刷新和顯示。

1.2.2 接口服務層

平臺層對外提供的統一中間件接口服務，實現云服務平臺與應用層的對接。

1.2.3 應用層

系統的人機界面顯示層，用戶通過瀏覽器或安裝相應客戶端程序實現遠程訪問，支持PC機和移動終端（手機、Pad）等。監控中心的監控人員可通過PC的專業客戶端或瀏覽器對系統進行全面的監控和管理。移動終端上的APP應用主要提供系統的監視和告警查看功能。

1.3 技術實現

1.3.1 流媒體技術

流媒體服務器采用分布式架構，分布式系統因其有良好的可擴展性，可以通過增加服務器數量來增強分布式系統整體的處理能力，從而大大提高了系統對高并發訪問和海量數據處理實時性、可擴展性等性能的要求。通過在接近用戶的物理網絡區域部署用戶接入服務器，視頻流就近上傳，提高整個系統的訪問速率。分布式設計打破了單點接入的弊端，每一個部分都可以平滑地擴容，在用戶訪問、流媒體訪問和設備接入上，都具有良好的可擴展性和伸縮性，可以大大提高整個系統的容量、穩定性和可靠性。流媒體分布式架構示意如圖3所示。

1.3.2 RTP/RTCP、RTSP視頻傳輸技術

前端設備的視頻數據通過RTP/RTCP，RTSP協議傳輸至平臺的流媒體服務器，流媒體與客戶端之間視頻數據也通過RTP/RTCP、RTSP協議傳輸。在視頻數據的傳輸過程中，RTP 協議用來封裝具體的實時視頻流數據，RTCP 提供質量控制和流量控制等功能，RTSP 用于控制流媒體數據在 IP 網絡中的具體傳輸過程。RTP/RTCP、RTSP等視頻傳輸技術通過jrtp，live 55等開源軟件包實現。RTP/RTCP，RTSP的關系如圖4所示。

1.3.3 基于3G/4G網絡的視頻數據傳輸技術

本系統采用3G/4G作為無線接入方式，鑒于傳輸的視頻數據量較大，采用擁有更高壓縮比的第二代壓縮技術的H.264算法進行視頻壓縮。視頻傳輸過程中網絡帶寬為3G的均值碼率300 kb/s，傳輸延時約為50 ms，路由隊列管理則選用最簡單的直接丟棄方式。3G信道的示意如圖5所示。

從低帶寬傳輸視頻的角度考慮并兼顧視頻傳輸的高效性和可控性，網絡傳輸協議在網絡層用UDP實現，而可靠性和可控性由應用層的RTP/RTCP完成。為了提高網絡利用率，將RTP包的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）定為512，以適應3G/4G的網絡傳輸環境。

為了防止3G無線網絡出現因外界干擾、遠近效應、小尺度衰落等導致丟包率波動而產生的偽擁塞現象，引入一個低通濾波器，以便在真正擁塞發生時及時調整傳輸速率，并保證傳輸速率的平滑，避免出現碼率的振蕩調節。經過濾波的丟包率數據能更好地反映網絡的實際情況，從而有效調整視頻數據的發送模式。在網絡狀況較好的情況下可以使用CIF畫質并逐漸提升幀率，但是如果網絡出現了擁塞，可以改為QCIF畫質并逐漸下調幀率。目前的碼率控制算法中，基于加性增乘性減（Additive Increase and Multiplicative Decrease，AIMD）的算法，由于其較小的計算復雜度得到了廣泛的應用。但是由于該算法是線性的，不能對快速變化的無線網絡提供較好的適應性和快速收斂性。為了減少發送端的計算量，采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一個簡化模型：

（1）

式（1）中MTU是傳輸所采用的最大傳輸單元（byte），λ是丟包率，回路往返時間（Round-Triptime，RTT），SendRate為該式確定的吞吐量（bit/s）。其中往返時間的計算需要用到 RR包中的LSR字段，用當前時間減去LSR可得RTT，發送端根據B（P）調整編碼器輸出碼率。

1.3.4 基于ICE的中間件接口設計

ICE（Internet Communications Engine）是一個面向對象的中間件，提供分布式應用程序的解決方案，具有體積小、跨平臺、效率高等特點。ICE支持Windows，Linux等多種操作系統，并支持在多種開發語言上使用，如C++，C，Java，RUBY，Python，VB等。服務端可以是以上的任意一種語言實現，客戶端也可以根據自己的實際情況選擇不同的語言實現，如服務端采用C語言實現，而客戶端采用Java語言實現。ICE處理了所有底層的網絡接口編程，使我們可以專注于應用邏輯的開發。本系統通過ICE封裝平臺的流媒體、告警和數據庫等服務模塊接口，提供跨平臺的統一接口，支撐Web服務、移動終端的調用。

1.3.5 視頻存儲模塊

支持視頻數據的集中存儲、檢索和回放技術，存儲形式支持前端存儲、客戶端存儲和平臺存儲等多種方式。為了滿足流媒體高性能讀寫需求，視頻存儲服務采用緩存+分布式文件系統架構，緩存區負責存儲當前一段時間內數據和讀數據緩存，架構如圖6所示。

寫數據時，先在視頻時序索引中插入該視頻文件版本號與視頻位置的對應關系，然后將數據寫入到“寫數據緩存區”，“寫數據緩沖區”再定期或根據數據量達到限制將數據寫入到分布式文件系統。

讀數據時，先從視頻時序索引中獲取該視頻文件起始版本號，然后從緩沖區中讀取，若讀到所需數據直接返回，若讀取失敗，則從分布式文件系統中讀取。

2 系統功能

（1）支持對現場移動視頻的實時播放、云臺控制、預置位調用和抓圖等功能；（2）實現對現場移動視頻的錄像存儲，并可按時間、地點等條件檢索錄像列表以及回放、下載錄像視頻的功能；（3）支持通過電子地圖顯示現場設備的位置、通信狀態、告警等信息，并可在電子地圖上點擊調閱設備視頻；（4）支持對現場設備的遠程配置、對時、重啟等功能；（5）系統支持通過Web瀏覽器、移動終端等多種方式使用；（6）系統具備用戶、用戶組、權限管理功能。

3 結語

基于云服務的電力移動視頻監控系統，可應用于省市級電力公司的檢修公司和安監部等部門，實現對施工/檢修現場、安全巡檢、輸電線路等各類移動視頻的集中監控、統一存儲和統一管理。系統的應用將有效降低運維管理人員日常管理的工作量和工作難度，為用戶節省設備成本、人力資源成本和運行維護成本，提升電力安全作業水平。

[參考文獻]

[1]張原，史浩山.分布式智能視頻監控系統設計與實現[J].計算機應用研究，1999（11）：98-101.

[2]陳建新.電力行業作業現場無線視頻監控系統[J].信息安全與技術，2013（6）：106-108.

[3]丁小路，呂開麗.基于3G網絡的遠程視頻監控系統在電力施工現場的應用[J].無線互聯科技，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