基于WPON和SIP協議的高清視頻智能平臺應用

王世文，謝 波

(河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州 450052)

責任編輯:任健男

0 引言

隨著國家電網公司智能電網“十二五”規劃，電力通信網數字化、寬帶化、網絡化發展進一步推動了智能變電站的興起，而且智能變電站對視頻監控的需求越來越高，高清視頻監控系統應用在未來將會全力支撐智能電網的發展［1］。2010年，國家電網公司頒布《國家電網公司企業標準－電網視頻監控系統及接口》規范［2］，進一步規范了全網各視頻監控站點和各級監控中心的建設模式和標準，將推動電力行業高清視頻監控系統的快速發展。

1 WOPN無源光網絡傳輸通道

高清視頻監控的視頻畫質清晰、成像分辨力高，調閱多個高清攝像機監控點的視頻，需要足夠大的帶寬，高清攝像機即使采用H.264等高壓縮比的算法壓縮后依然需要多達每路數兆的帶寬，勢必造成電力專網廣域網系統的帶寬的瓶頸，很大程度上限制了“企業級”大規模高清視頻應用，電力專網帶寬需求是高清視頻發展迫切需要解決的問題之一。WPON無源光網絡是當前光通信行業內的前沿技術，其將波分復用技術運用在PON中［3］，為高清視頻監控提供了專用IP網絡通道，很好地解決了傳輸帶寬的問題，具有以下優勢:

1)WPON具有高速率、支持多業務、傳輸距離遠、擴展性和擴容性強等優點，特別適合電力專網變電站群遠距接入IP業務的需求，適合大顆粒IP數據包的傳送。

2)WPON具備智能電網通信所要求的高速雙向、高可靠性、高帶寬的特點，在雙鏈狀拓撲結構中實現多斷點條件下的光網絡自愈功能。

3)WPON系統對業務完全透明，無需任何封裝協議，各波長相互獨立工作，同一PON口下所有ONU物理隔離，所承載的業務之間采用專業交換芯片進行物理隔離，具有極高的安全性。

4)WPON網管系統可以進行靈活的業務、安全、通道及設備維護等綜合管理，在實際應用中組網靈活、維護方便。

2 高清視頻智能平臺系統構架

基于WPON和SIP協議的變電站高清視頻智能監控平臺采用分層設計的架構，將平臺分為4層，由下至上分別為接入層、交換層、核心層和業務層。基于軟交換的視頻監控統一通信平臺分層架構見圖1。

圖1 基于軟交換的視頻監控平臺分層架構

2.1 接入層

接入層主要包括前端系統各個廠商的視頻服務器(DVS)、硬盤錄像機(DVR)、網絡攝像機(SIP協議)、各類報警輸入/輸出裝置和輸電線監測系統等，實現對變電站視頻監控數據的采集，對非標準格式的前端系統或設備通過協議轉換網關轉換為符合國家電網企業標標中定義的標準接口接入平臺，并通過WPON無源光網絡與平臺連接，對于前端標準的SIP高清網絡攝像機無須經過協議轉換網關直接接入平臺。

2.2 交換層

傳輸網絡由WPON無緣光網絡傳輸設備與千兆交換機交換設備組成，是視頻監控系統的承載基礎。交換層將各系統設備通過協議轉換網關，把信令控制協議統一為SIP協議，把媒體控制協議統一為RTCP和RTSP協議，把媒體傳輸協議統一為RTP協議［4－5］，將數據封裝傳輸轉換成標準的音視頻數據接入統一平臺。

2.3 核心層

核心層主要由軟交換服務單元、流媒體回放服務單元、錄像存儲服務單元、媒體轉發分發服務單元、網絡管理服務單元、Web服務單元、認證服務單元和輸電線數據分析服務單元等組成，完成呼叫的認證、建立及媒體流存儲、分發等相應功能，為用戶提供網絡視頻監控服務。

2.4 業務層

業務層主要包括監控中心視頻客戶端、維護客戶端、應急指揮中心客戶端、IE通用客戶端、SIP協議可視話機、多媒體終端等設備，實現對多媒體信息的展示、監控和對多業務平臺的管理功能。與多媒體調度通信系統、IP視頻會議系統、軟交換系統、WiFi/3G手機、程控交換機進行融合，實現互聯互通，達到統一監控、統一管理的目的。

3 智能平臺協議交互流程

省級視頻監控平臺通過電力信息網與地市供電公司視頻監控平臺互聯，地市供電公司視頻平臺與變電站通過WPON無源光網絡系統實現互聯。智能視頻監控平臺基于SIP會話初始協議，它是由IETF組織提出的在IP網絡中進行多媒體通信的應用層控制協議，以下一代網絡(NGN)SIP協議為基礎構建的智能電網視頻監控平臺能夠承載高并發、大數據量［6］，平臺間采用符合國家電網公司企業標準《電網視頻監控系統及接口》的規范要求設計。

軟交換服務器完成SIP協議的轉發和路由，AAA認證服務器完成用戶認證和鑒權，管理服務單元實現各服務單元、接入前端設備用戶的管理及對服務器的訪問，協議轉換單元完成前端設備接入，轉發分發服務單元完成媒體轉發和分發;流媒體服務單元實現媒體流式回放，錄像服務單元實現媒體集中存儲。軟交換協議平臺組成單元及協議見圖2。

圖2 軟交換協議平臺組成單元及協議

平臺各組成部分基于指定的協議攜帶交互信息，完成UA(平臺內軟件以及客戶端軟件)注冊和注銷，協議轉換單元注冊和注銷，訪問實時音視頻和結束實時音視頻，開始和結束錄像，開始和結束回放等功能［7］。圖3是以協議轉換單元注冊說明各功能單元如何通過SIP協議傳遞注冊流程信息。

圖3 協議轉換單元注冊流程

4 高清視頻接入方案

視頻監控統一服務平臺主要由軟交換服務器、認證服務器、流媒體服務器、網管服務器、Web服務器、電視墻服務器、監控客戶端、管理客戶端等主要設備組成，提供各種遠程視頻監控所需功能，實現用戶遠程視頻監控的統一服務［8］。平臺可以通過客戶端工作站和大屏幕電視墻同步實時顯示變電站視頻圖像信息［9］，高清視頻組成結構見圖4。

圖4 高清視頻組成結構圖(截圖)

4.1 變電站原有視頻監控系統接入

前端變電站原有視頻監控系統中的各個不同廠家、不同型號的硬盤錄像機(DVR)或視頻服務器(DVS)、IP攝像機和控制設備通過內部局域網與協議轉換網關相連。變電站視頻監控端通過TCP/IP網絡上的RTP將視頻數據流發給監控中心，遠程監控中心通過SIP(RTCP，RTSP)向變電站視頻監控端發送控制和操作命令。實現用戶訪問遠端不同視頻廠家的攝像機和對遠端攝像機的視頻實時監控。

4.2 變電站高清視頻監控接入

在變電站龍門架設計位置安裝高清攝像機以及傳感系統，變電站是強電磁環境，對前端高清攝像機設備的抗干擾性要求嚴格，變電站現場具有強電磁場和傳輸距離長的特點，高清攝像機采用光纖接口輸出視頻的網絡監控可解決電磁干擾和傳輸距離問題。前端變電站部署的高清攝像頭設備通過內部局域網與協議轉換網關相連，協議轉換網關對其私有信令進行轉換，把控制協議統一為SIP協議，把媒體控制協議統一為RTCP和RTSP協議，把媒體傳輸協議統一為RTP協議，并將數據封裝通過WPON傳輸至上級主站中心平臺，實現高清視頻監控的接入。

4.3 輸電線監測系統接入

輸電線檢測系統集成了各種氣象條件參數監測功能，將線路導線的重量變化、絕緣子的傾斜角/風偏角以及桿塔受力變化等參數實時采集后，進行壓縮處理，通過WLAN無線網絡實時傳輸數據至平臺，智能平臺進行微氣象數據、覆冰載荷、覆冰生長機理、導線舞動、桿塔和金具強度等參數的分析，結合智能軟件和各種修正理論模型給出冰情預報，及時給出除冰信息，計算出覆冰危害程度，讓生產部門及時準確地了解氣象預報盲區或局部地區的氣象狀況，當出現異常情況時，采用聲、光報警，最終使高清視頻平臺軟件實現智能分析傳感器采集信息與圖像之間的聯動，提高對變電站發生事故時的應急處置能力。

5 結束語

數字圖像處理技術、傳輸通信技術、多媒體技術以及智能分析技術的發展，進一步推動了智能化變電站高清視頻監控系統的快速發展，以WPON無源光網絡大帶寬傳輸通道為依托、SIP協議軟交換為構架，構建視頻智能化、網絡寬帶化、集成平臺化、圖像高清化的高清視頻監控平臺，可以實現變電站視頻圖像信息多級共享，為電力企業帶來潛在的經濟效益。

［1］許萬軍，孝小昂.智能變電站綜合狀態監測系統的研究與應用［J］.陜西電力，2010，38(10):33－35.

［2］Q/GDW 517.1—2010，電網視頻監控系統及接口第1部分:技術要求［S］.2010.

［3］何青林，陳朝武，盧煜.基于SIP的視頻監控聯網系統的設計與實現［J］. 電視技術，2009，33(5):116－118.

［4］沈元隆，顧林君.下一代無源光網絡技術［J］.通信技術，2010，43(9):95－97.

［5］高偉，雷杰.SIP協議在網絡視頻監控中的應用研究［J］.光通信技術，2006，30(12):50－51.

［6］馬卉慧，董青，許都.軟交換中高速數據獲取與過濾系統的設計［J］.信息工程大學學報，2010，11(5):582－585.

［7］張鑒燮，潘勇偉.軟交換在電網應急指揮中的應用研究［J］.電力系統通信，2010，31(8):14－16.

［8］何浩，王玲，馬文科.基于H.264無線網絡視頻監控系統的設計［J］.電視技術，2008，32(10):82－84.

［9］梓墨.高清視頻監控系統的分析與應用［J］.中國安防，2009，6(6):121－124.