變電站視頻監控系統多級聯網研究

練筆戰，王文彬

（河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州450052）

1 引言

隨著無人值守變電站的建立，圖像監控技術在電力系統中的應用越來普遍。圖像監控可以使相關部門通過現有的電力通信網或公網對所屬變電站、桿塔、搶修現場實現遠程實時圖像監控、指揮處理，提高電網運行的安全性和可靠性，逐步實現電網的可視化監控和調度以及應急現場的可視化指揮。

從實際應用現狀看，不同地域應用的電力遠程視頻監控系統應用水平參差不齊，電力系統尚未形成統一的相關技術標準。現在的變電站視頻監控系統建設主要以各地市公司為主，各地市公司中在各個集控站設置分監控中心對所轄的無人值守站進行監控。一般一個地市有幾個集中控站，設置幾個分中心。由于建設時間不同，設備選型也不完全一致，廠家應用的技術也存在較大差異，各部門間統一協調、統一管理的需求越來越明顯,多級監控、全局監控的建設逐漸成為電力行業構建新一代監控網絡的必然要求[1-3]。要實現多級聯網需要解決“兩多”的問題，一個是解決多品牌設備的接入問題，另一個是多級結構的框架設計問題。

2 基于服務器級聯技術和中間件技術的解決方案

省級電力圖像監控系統具有分布廣、待接入的設備種類多的特點，系統包括變電站、地區監控中心和省監控中心，在變電站安裝子站，在站內的關鍵部位安裝攝像機和報警探頭，并接入子站的圖像控制設備和報警控制設備，實現圖像的切換、記錄和報警聯動。同時把子站的圖像、報警信息傳送到主站，供運行值班人員集中監控。子站主要設備為視頻控制設備和報警控制設備。視頻控制設備可以是嵌入式硬盤錄像機或者是安裝了視頻壓縮卡的工控機，主要負責視頻信號的采集、編碼傳輸和本地錄像。子站報警控制設備主要是可編程的單板機或運行了相關程序的工控機，主要完成主控室溫、濕度信息、告警信號采集以及空調、燈光的控制。

在地區監控中心，多個變電站的圖像信號和報警信號都傳送過來,可以實現顯示、控制、存儲、輸出、檢索等功能。地區監控中心包括管理服務器、動力環境服務器和流媒體服務器。省監控中心的功能和設備與地區監控中心基本相同，在省級監控中心可以調看所有地區監控中心能監控的變電站信息，因此省級監控中心的視頻流負載可能會比較大，需要考慮視頻流的負載均衡問題，因此需要多臺高性能的流媒體服務器。

2.1 多級聯網的實現

視頻多級聯網技術研究實現可靈活擴展的多級互聯遠程視頻監控體系和技術，河南省電力圖像監控系統為三級結構，即省監控中心—地區監控中心—變電站。要實現真正多級結構，主要技術涉及流媒體服務器和管理服務器的級聯訪問，即實現控制指令的級聯轉發和視頻流的級聯轉發。

省級服務器和地區級服務器應處于不同級別，省級終端對地市公司管理的變電站的圖像信息調用是通過地市服務器完成的，而不是直接訪問變電站的視頻監控主機。這樣可最大程度地復用資源，尤其是網絡帶寬資源，同時也不會給視頻監控主機帶來額外負擔。各個地市公司服務器有自己的數據庫，省級服務器也有自己的數據，但它們之間沒有重復數據，通過網絡通信進行實時的數據共享。這樣可以提高可靠性，數據一致性好。

每級監控中心都設置流媒體服務器，省級流媒體服務器通過地區流媒體服務器代理訪問變電站前端視頻監控主機實現多級轉發。流媒體服務器級聯對于構建穩定可靠的多級互聯監控系統發揮了重要作用，由于一臺流媒體服務器的代理轉發能力受到網卡實際能力的限制，隨著接入變電站數量的增加，省或地區監控中心接入的視頻路數越來越多，就需要采用多臺流媒體服務器組成集群進行視頻流轉發。

假設省公司的用戶需要查看某地市公司一變電站的視頻，請求與應答過程如圖1所示，依次為：①省公司客戶端請求圖像；②省級管理服務器轉達圖像請求給省級流媒體服務器；③省級流媒體服務器判斷圖像源不在本地，下發圖像請求給地方管理服務器；④地區級管理服務器轉達圖像請求給地區級流媒體服務器；⑤地區級流媒體服務器下達圖像請求給變電站視頻主機；⑥視頻監控主機發送相應的視頻給地區級流媒體服務器；⑦地區級流媒體服務器再發送視頻流給省級流媒體服務器；⑧省級流媒體服務器將視頻流發送客戶端。

2.2 多品牌設備的接入實現

變電站目前采用的視頻編碼設備的品牌種類繁多，不同的視頻編碼設備的通信接口、碼流格式都存在很大差異，給接入主站帶來很大困難。中間件是處于底層的視頻編碼設備和應用程序之間的軟件，其作用是為處于上層的應用軟件提供運行與開發的環境，便于靈活、高效地開發和集成復雜的應用軟件，屏蔽底層視頻編碼設備的異構性。中間件具有標準的程序接口和協議，是不同硬件設備和系統平臺共享監控資源的一種獨立的系統軟件或服務程序，能有效解決子站視頻編碼設備的異構性問題。

系統軟件結構上是基于中間件的分層結構，如圖2所示，在應用層之下設置設備抽象層，通過插件方式將不同視頻編碼設備的SDK嵌入到軟件平臺。應用層不直接與設備進行通信，而是通過調用設備抽象層的插件接口函數完成。這樣就實現了不同類別不同技術的視頻編碼設備的任意擴展和動態接入，滿足了大型視頻監控系統的開放性要求。插件由兩部分組成：1）設備通信插件，負責與設備進行網絡通信和數據交換；2）音視頻解碼插件，負責對通過設備通信插件獲得的音視頻數據流進行解碼，得到還原后的圖像和聲音。

3 基于SIP協議和協議轉換服務器的解決方案

SIP（Session Initiation Protocol）協議由 Internet工程任務組提出，與IP網絡結合較緊，信令簡單，呼叫建立時間短，易于擴展。SIP協議順應了NGN的需求，具有較好的發展前景。SIP用來生成、修改和終結一個或多個參與者之間的會話。這些會話包括因特網多媒體會議，因特網或局域網電話呼叫和多媒體發布。會話中的成員能夠通過多播或單播聯系的網絡來通信。SIP支持會話描述，它允許參與者在一組兼容媒體類型上達成一致，同時通過代理和重定向請求到用戶當前位置來支持用戶移動性，SIP不與任何特定的會議控制協議捆綁。

將SIP協議應用于遠程視頻聯網具有一定的技術先進性，基于SIP的視頻監控聯網系統主要由交換服務器、流媒體服務器、管理服務器、動力環境服務器等組成[4-7]。采用SIP協議的視頻聯網系統與采用服務器級聯技術的視頻聯網系統最大的區別在于前者增加了交換服務器。交換服務器是統一平臺的核心，采用SIP作為主要信令控制協議，負責全網的呼叫控制，它包含了SIP代理、重定向、注冊等功能。交換服務器完成的主要功能包括呼叫控制、媒體控制、資源分配、協議處理、消息路由、用戶認證等，并提供編程接口。交換服務器控制著本域內所有設備和服務單元，為完成多級級聯并控制下屬的交換服務平臺，交換服務器可與指定域的交換服務器進行交互。

3.1 SIP協議下級聯的實現

采用SIP協議的子站在信號采集、視頻編碼傳輸和控制攝像機等功能的基礎上增加了認證和注冊功能和視頻轉換功能。子站包括SIP用戶代理、視頻協議轉換網關、視頻控制設備和報警控制設備。視頻協議轉換網關實現不同視頻格式的轉換，視頻控制設備主要負責視頻信號的采集、編碼傳輸和本地錄像，報警控制設備完成主控室溫、濕度信息采集、告警信號采集以及空調、燈光的控制。

省公司客戶端主要實現認證和注冊、接收和播放視音頻流、控制子站等功能。交換服務器負責提供注冊、路由選擇服務，具有一定的邏輯控制功能。流媒體服務器提供媒體轉發服務，將來自監控前端的媒體流復制、轉發到一個或者多個監控終端，這樣既減少了監控前端的并發接入服務壓力，又節省了監控前端占用的接入帶寬。假設省公司的用戶需要查看某地市公司一變電站的視頻，請求與應答過程如圖3所示，依次為：①省公司客戶端向SIP交換服務器請求目標服務器信息；②如果沒有路由信息則發給地市級SIP交換服務器進行路由；③地市級SIP交換服務器把相應的請求信息發送給地區級流媒體服務器；④流媒體服務器向變電站視頻監控主機請求圖像。完成定位后客戶端可以通過地區流媒體服務器接收變電站視頻監控主機發送的視頻流。

客戶端和子站完成注冊后，在客戶端建立與子站會話之前。客戶端需要從本級的SIP服務器獲取設備目錄信息，在跨級訪問的時候，就需要逐級發送路由查詢信息。如果在各級SIP服務器之間共享設備目錄信息可以提高路由速度。

3.2 采用視頻轉換網關實現多品牌設備接入

對于多品牌設備的接入，可以采用視頻協議轉換網關。視頻協議轉換網關設置在子站，實現對原有視頻監控系統的前端設備接入，通過協議轉換完成對不同廠家、不同型號的編碼設備的接入，把信令控制協議統一為SIP協議，把媒體傳輸協議統一為RTP協議，實現系統內的統一SIP協議傳輸和控制。

4 小結

變電站視頻監控系統聯網是大勢所趨，目前聯網技術主要分為基于服務器級聯技術和中間件技術的解決方案和基于SIP協議和協議轉換服務器的解決方案，這兩種方案各有優缺點，基于服務器級聯技術的聯網采用的協議缺乏通用性，但采用中間件技術解決多品牌接入的方法可以大大節省成本，保護了現有的資源。采用SIP協議聯網可以規范聯網協議，有利于建設更大的視頻監控網絡，應該是今后的發展方向，但采用視頻網關實現多品牌設備接入成本較高，如何將這兩種方案的優勢結合起來值得進一步研究。另外，盡快制定相應的變電站視頻監控系統建設規范也是當務之急，這樣可使實現各個新建變電站的圖像監控系統在規范指導下建設，實現平滑接入，大大節省投資，提高接入效率，實現資源共享。

[1]陳超.電力系統圖像監控技術的研究[J].硅谷，2008（22）：15-16.

[2]丁正勝.無人值班變電站遠程圖像監控系統應用[J].大眾用電，2009（3）：24-25.

[3]侯思祖，田新成，陸旭，等.變電站視頻監控系統設計研究[J].繼電器，2007，35（9）：60-64.

[4]鄧挺，李小兵.SIP協議在視頻監控系統中的應用[J].安防科技研究與探索，2007（8）：16-18.

[5]陳瑩.SIP協議在視頻監控系統中的應用[J].計算機系統應用，2009（1）：99-103.

[6]劉勇，陳延雄.SIP協議的研究及呼叫控制實現[J].微處理機，2008（3）：54-56.

[7]耿健.流媒體在網絡視頻監控中的應用[J].科技資訊，2009（26）：13-15.