數字視頻技術在核電廠實物保護系統中的應用

汪永忠 ，呂 敬

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中國核工業集團公司，北京 100822）

近年來，隨著國際及國內形勢的不斷變化，對核電廠安全運行的管理提出了越來越高的要求。在新形勢下如何保證核電廠的安全運行，阻止破壞核實施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉移核材料，保障核材料和核設施的安全，成為核電廠實物保護系統的重要任務。

1 概述

1.1 核電廠實物保護系統有效性及其對視頻監控系統的要求

實物保護系統是指采用探測、延遲及反應的技術和能力，阻止破壞核設施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉移核材料活動的安全防范系統。核電廠實物保護系統是針對設計基準威脅所建立的一套完整、可靠、有效并且具有縱深防御和均衡保護的系統工程，用于保障核材料及核設施的安全。

視頻監控系統作為實物保護系統重要組成部分，在實物保護系統中擔負重要的作用。其作用覆蓋范圍包括入侵報警復核、人員出入監控、車輛出入監控、重要設施監控以及應急響應等方面。因此，要求系統具有報警快速復核、連續監視及連續錄像的能力；要求系統在自然環境不利的條件下都能正常工作，圖像能覆蓋整個受保護區域，不出現盲區和死角；要求系統圖像質量清晰，能對報警部分做出正確評估，能在系統失效、外界有攪擾等事件時，迅速發出報警信號。

1.2 國內核電廠實物保護系統中視頻系統應用現狀

目前國內已運行的核電廠實物保護系統的視頻監控系統均采用模擬視頻系統，但核電廠廠區范圍大，需要報警復核的目標多；重要出入口和設施的監控目標多；視頻圖像的存儲時間長以及高質量的圖像清晰度等特點，對視頻監控系統的性能提出了很高的要求。

國內核電廠傳統視頻監控系統視頻圖像的存儲調用目前普遍采用磁帶錄像機或DVR方式。因視頻數據存儲容量大，造成管理操作復雜、數據查詢調用困難、事件難追索，同時還存在圖像回放質量差、無法實現全系統時鐘同步以及無應急備用系統等問題，使得傳統模擬監控系統很難在現有基礎上提供完整的系統解決方案，無法滿足法規的要求。

1.3 數字視頻技術應用的特點

近年來，隨著計算機技術和網絡技術的快速發展，數字視頻技術有了質的飛躍，圖像傳感技術、圖像處理技術、圖像處理算法、傳輸方式及記錄方式不斷取得新進展，以數字化、網絡化、智能化為特點的數字視頻監控系統已成為視頻監控系統的發展方向。

隨著數字視頻技術的發展，數字視頻監控技術的應用為核電廠實物保護系統視頻監控系統提供了一個新的解決方案。數字視頻技術通過軟件實現了傳統矩陣的功能，具有安全性能高、易于集中管理、信號傳輸無損耗、系統靈活、擴展性強、操作靈活、界面直觀、全系統時鐘同步并且視頻存儲功能強大等優點。

雖然數字視頻系統也存在系統運行依賴網絡、延時明顯、圖像壓縮后質量有損耗等缺點，但數字視頻系統具有直觀、查詢方便、技術實現靈活等特點，能很好地滿足核電廠現場環境條件變化大、報警復核點位多、監控范圍廣、圖像質量要求高、視頻存儲容量大等特點對視頻監控系統性能提出的要求，極大改善了核電廠實物保護系統中視頻監控系統的應用能力。

2 技術方案分析

2.1 視頻監控系統框架

某核電廠在實物保護系統建設過程中，通過全面比較模擬視頻監控系統與數字視頻監控系統之間的優劣（見表1），最終采用了模擬+數字相結合的視頻監控系統構架，進行實物保護系統視頻監控系統的建設。

系統設計方案前端采用模擬攝像機，通過光纜或同軸電纜將模擬視頻信號傳輸至控制中心。在控制中心通過信號分配器將視頻信號分成兩路：一路送至模擬視頻監控系統的視頻矩陣，用于周界、出入口及重要目標實時圖像的查看及報警復核,作為報警復核的快速響應；另一路視頻圖像送至數字視頻監控系統的編碼器，壓縮成數字信號，通過網絡進入數字視頻系統進行視頻數據的存儲。當進行歷史圖像調用時，系統將數字圖像通過解碼器送至視頻矩陣在監視器墻上顯示模擬圖像，或通過數字視頻管理工作站調用數字視頻圖像。數字視頻系統主要用于大容量視頻數據的存儲管理、調用，同時還作為模擬視頻系統的應急備用。

2.2 數字視頻監控系統組成

如圖1所示，數字視頻監控系統由監控接入層、網絡交換層、控制管理層、視頻應用層四個架構層次組成。

（1）監控接入層: 監控接入層用于完成攝像機圖像數據化并使其在網絡中傳輸，關鍵設備是數字編碼器。

（2）網絡交換層: 網絡交換層是數字視頻系統的基礎。數字視頻系統所有的視音頻、報警和控制信號都是通過網絡進行傳輸，是一個集數據、視頻為一體的網絡通信平臺。為保證數字視頻監控系統視頻碼流的傳輸，同時還包括實物保護系統集成管理系統控制碼流以及出入口控制系統相關數據碼流的傳輸，核電廠實物保護系統設置了專用局域網。局域網以核心層交換機作為整個網絡的核心，采用核心、匯聚和接入三層架構，統一提供與各匯聚點及所有接入層的互聯，實現全網的數據交換，同時局域網采用模塊化網絡架構設計使網絡更為靈活，方便網絡的實施和排障。

（3）控制管理層: 系統采用集中式的管理方式，通過視頻管理服務器及數據管理服務器對前端設備進行集中的管理和控制，同時還對存儲終端設備進行集中管理?？刂乒芾韺邮菙底忠曨l監控系統的核心部件，主要負責整個系統的信令控制，系統中所有的設備都是通過控制管理層來實現相互的通信和管理。控制管理服務器只負責處理認證、控制、配置、注冊等信令，不進行圖像的集中處理，服務器發生故障時不影響視頻流的存儲和監視。用戶只需要在一臺客戶端上就可以對整個網絡設備進行批量配置下發、遠程升級、遠程操作、業務實現等操作。

表1 模擬視頻系統與數字視頻系統優缺點對比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between the analog and digital video systems

（4）視頻應用層: 視頻應用層主要包括數據網絡存儲方案管理、數據網絡存儲計算、存儲系統可靠性選擇、智能分析及報警的應用。通過上述功能實現數字視頻系統存儲容量有效計算，視頻存儲數據可靠性的選擇，實現大容量視頻數據的集中管理、檢索與調閱，同時通過利用視頻智能分析技術實施視頻動態圖像的分析及報警。

2.3 模擬+數字視頻監控系統應用特點

通過數字視頻技術在實物保護系統視頻監控系統中的應用，優化并改進了視頻監控系統的技術性能，提高了實物保護系統的可靠性和有效性。其特點主要表現在：

（1）實現報警快速復核。視頻采用模擬視頻監控系統的矩陣作為視頻報警復核的主切換設備，當接到入侵報警系統傳來的報警信號后，可實時在控制中心顯示報警防區的視頻圖像，使安保人員第一時間了解現場的情況，對入侵行為做出快速響應。

（2）實現管理人員的便捷操作。通過視頻工作站，可實時快速查閱數字視頻系統中所有現場錄像回放，減少了視頻查找回放的環節，提高工作效率。

（3）實現大容量高質量的圖像存儲有效管理。系統采用網絡數字視頻存儲服務器（NVR），實現了大容量視頻數據存儲的需要。同時存儲圖像采用高分辨的圖像分辨率，使圖像質量清晰可辨，便于后期追索查尋。

（4）提高了重要圖像存儲的可靠性保障。網絡數字視頻存儲服務器（NVR）通過采用RAID技術實現數據存儲的冗余備份，同時通過存儲分區上設置重要圖像存儲備份區，確保了重要圖像的再備份。

（5）實現系統動態報警功能。通過視頻動態圖像的分析技術，使視頻監控系統具有了動態圖像的報警功能。通過把它應用到工程中的某些特殊場所，有效地提高了入侵探測報警的覆蓋防區，提高了探測報警的覆蓋范圍。

（6）增加了系統有效性。視頻監控系統采用數模結合方式，使得系統可以互為補充，當模擬視頻監控系統失效后，數據視頻監控系統可以實時接替工作；當數字視頻監控系統出現問題時不影響模擬視頻監控系統報警復核的實時響應，極大提高了視頻監控系統的技術性能。

3 經驗總結及展望

隨著數字視頻技術的快速發展，目前國內大型安防工程中數字視頻監控系統的應用已經成為主流。

作為第一個把大規模數字視頻監控系統運用到核電廠實物保護系統，在工程建設初期無法徹底驗證系統性能，但通過系統安裝調試過程中的多次性能測試及功能測試，通過系統運行以來的初步應用，證實了數字視頻監控技術的應用極大地提高了實物保護系統視頻監控系統的技術性能，不僅有效地提高了實物保護系統的可靠性和有效性，同時也為今后核設施實物保護系統視頻監控系統的建設提供了一個可借鑒的成功案例。

隨著視頻編解碼技術的不斷升級，編解碼設備的小型化、集成化，數字存儲技術的優化以及視頻高清技術的發展，使得相關設備所占用的空間更小、功耗更低、圖像更清晰S、管理更便捷、運行更安全，同時隨著動態圖像分析技術在視頻管理軟件發展（如車牌識別、目標識別、面部識別等技術），數字視頻技術在核電廠實物保護系統中將得到更大范圍的應用，為核電廠安全運行提供越來越多的保障。

[1] 核實施實物保護（核安全導則 HAD501/02）.