3G遠程監(jiān)控技術(shù)在水利信息化中的實踐

摘 要：利用3G遠程視頻監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)對黃河防汛防凌關(guān)鍵區(qū)域的實時監(jiān)控，極大地增強了各級水利部門的快速應(yīng)急反應(yīng)能力。本文著重論述了3G無線接入平臺的站址選擇、視頻傳輸、視頻壓縮及存儲的技術(shù)實現(xiàn)，并對3G遠程監(jiān)控技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：第三代移動通信技術(shù)；遠程監(jiān)控；水利信息化

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-02

一、概述

沿黃省區(qū)經(jīng)濟的不斷發(fā)展對黃河流域綜合治理開發(fā)提出了越來越高的要求，流域機構(gòu)以防洪減災(zāi)和水量調(diào)度為核心，全力推動黃河水資源的綜合開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展。水利信息化是實現(xiàn)科學(xué)治水可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，利用先進的信息化技術(shù)手段快速準(zhǔn)確的采集工情水情信息并及時全面向決策部門和社會公眾的發(fā)布展示，為快速決策科學(xué)決策提供依據(jù)，極大的增強了各級水利部門快速應(yīng)急反應(yīng)能力，實現(xiàn)由被動防御向主動防御，由傳統(tǒng)手段向現(xiàn)代手段的轉(zhuǎn)變，使得精確指揮、扁平化指揮成為可能，為搶修搶險應(yīng)急疏散爭取了寶貴的時間，提高了組織工作的效率，有效的保護了國家和人民群眾的生命財產(chǎn)。

以黃河防凌為例。黃河地理位置獨特，在極端天氣作用下黃河寧夏內(nèi)蒙古河段和山東河段會出現(xiàn)凌汛。由于近年來全球極端天氣的增多，黃河防凌面臨越來越嚴(yán)峻的形式，傳統(tǒng)的水文人工測報方式適用于經(jīng)年數(shù)據(jù)的收集分析和預(yù)測，且信息采集手段落后，無法做到沿河多站實時同步測報，人工值守站點分散，機動靈活性差，面對突發(fā)情況無法滿足上級決策部門對現(xiàn)場信息的實時、動態(tài)、直觀的要求，對各級防汛部門及時有效的組織應(yīng)急搶險造成很大困難。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來各級黃河防汛部門開展了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的試點建設(shè)，水文測報也采用了人工測報和自動無線測報相結(jié)合的方式。但由于接入帶寬有限，清晰度不高，實時分辨率一般為QCIF（174*144），監(jiān)控效果不佳。黃河寧夏內(nèi)蒙古河段和山東河段由于接入手段有限，自建接入系統(tǒng)成本較高，公網(wǎng)通道租用費用昂貴，且多數(shù)監(jiān)控點無法保障電力供應(yīng)，很大程度上限制了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)用。

3G是第三代移動通信系統(tǒng)（3rd Generation）的簡稱，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，有數(shù)據(jù)顯示，理論上3G下行速度峰值可達3.6Mbit/s，上行速度峰值也可達384kbit/s，在3G信號覆蓋正常的區(qū)域內(nèi)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻的實時傳輸。3G在中國的大規(guī)模商用，使遠程監(jiān)控系統(tǒng)在黃河流域的規(guī)模應(yīng)用成為可能。

二、3G無線接入平臺

3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)運用3G移動通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻壓縮技術(shù)，實現(xiàn)對關(guān)鍵黃河防汛防凌關(guān)鍵區(qū)域的實時監(jiān)控，保障汛情凌情信息數(shù)據(jù)快速、安全、可靠的傳送，滿足黃河防總和各級防汛部門高清晰視頻遠程監(jiān)視的需求。在3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照流域信息化“信息編碼標(biāo)準(zhǔn)化，信息采集多樣化，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息管理集成化”的要求，組建3G無線接入平臺，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)全覆蓋的規(guī)模應(yīng)用，即避免了重復(fù)投資，又促進了資源共享，使流域機構(gòu)各級部門已建系統(tǒng)得以繼續(xù)發(fā)揮效益，提高了投資利用率、延長了系統(tǒng)壽命。

3G無線接入平臺建設(shè)分為3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和系統(tǒng)兼容改造兩部分。3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)包括無線視頻監(jiān)視點建設(shè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)搭建和視頻監(jiān)視中心建設(shè)三部分。系統(tǒng)兼容性改造主要通過直接對接、網(wǎng)關(guān)對接和SDK對接三種方式實現(xiàn)對已有系統(tǒng)改造，使得新舊系統(tǒng)得以兼容。

3G無線接入平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

三、3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

3G遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流主要包括控制指令的下達和音頻視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳兩種類型，與一般無線業(yè)務(wù)不同，視頻遠程監(jiān)視系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要集中在上行信道，1路實時圖像需要約300kbps的帶寬（CIF，352*288），TD-SCDMA制式上行理論帶寬為384kbps，實測約為128kbps左右，無法滿足傳輸要求。根據(jù)實測情況，中國聯(lián)通的WCDMA的上行帶寬最大（5.75Mbps），所以在信號覆蓋滿足建站需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇WCDMA制式。

3G無線接入系統(tǒng)包括接入和傳輸兩部分。無線視頻監(jiān)視點通過3G無線信道實現(xiàn)接入，實時監(jiān)控信息經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)送至位于流域管理機構(gòu)的監(jiān)視中心，通過中心視訊平臺完成訪問控制和視頻轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸方案示意圖

此外，考慮到無線傳輸通道的穩(wěn)定性較差，各種傳輸參數(shù)總處在動態(tài)變化之中（基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)傳輸本身就具有很多不確定性因素），前端采集系統(tǒng)選用具有流量控制和檢錯糾錯功能的H.264視頻編碼壓縮系統(tǒng)，具有高壓縮比的同時還擁有流暢的高質(zhì)量圖像。

四、配套設(shè)施

（一）系統(tǒng)存儲

系統(tǒng)存儲為分級分布式存儲架構(gòu)，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬情況及存儲需求，在具體存儲機制上會有一定差別，新建平臺建立完整的三級存儲架構(gòu)，前端通過NVR進行全天候存儲，監(jiān)控分中心和監(jiān)控中心則僅對特別重要視頻點位及報警錄像等進行存儲。對于各級防汛部門已建平臺視頻的存儲，根據(jù)平臺接入方式的不同，分別通過平臺接入、設(shè)備接入（SDK）和新增設(shè)備三種方式實現(xiàn)不同的存儲的接入。

（二）系統(tǒng)供電

由于監(jiān)視點均分布在沿黃大堤兩岸，設(shè)備的電力供應(yīng)成為系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。根據(jù)監(jiān)視點是否具備供電條件，分別配備UPS電源和光伏太陽能供電系統(tǒng)。UPS電源能夠提供穩(wěn)定可靠的AC220V交流電源。一般情況下，UPS電源應(yīng)保證本站通信傳輸設(shè)備正常運行48小時以上。鑒于農(nóng)電存在電壓波動較大的特點，應(yīng)配置穩(wěn)壓設(shè)備保證系統(tǒng)的正常運行。光伏太陽能供電系統(tǒng)（又稱太陽能光伏穩(wěn)壓逆變電源）作為UPS電源供電方式的補充；當(dāng)遇到陰雨天氣時，后備電池應(yīng)保證本站通信傳輸設(shè)備正常運行5天以上。

五、推廣應(yīng)用

在3G無線接入平臺系統(tǒng)框架下，3G遠程監(jiān)控技術(shù)逐步推廣應(yīng)用，截止2013年底，在河南、山東、山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙等地一期建設(shè)相繼完成了三湖河口等28個（含移動）防凌遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)；并根據(jù)黃河調(diào)水調(diào)沙“四庫聯(lián)調(diào)”的監(jiān)控需要，在小浪底等4個水庫建設(shè)了5個水庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)，為黃河調(diào)防汛減災(zāi)和水量調(diào)度提供了有力的技術(shù)支持。

2013年12月工信部向中國移動等三家運行商頒發(fā)了TD-LTE 4G牌照。4G集3G與WLAN于一體，上行帶寬可達20Mbps?？梢灶A(yù)見，4G技術(shù)的商用必將極大促進遠程監(jiān)控技術(shù)的在流域管理和水利信息化中的應(yīng)用，并與空間地理信息技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、無線傳感技術(shù)、綜合決策會商技術(shù)一起，成為構(gòu)建“感知黃河”、“智慧流域”的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

參考文獻：

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[作者簡介]王鵬（1981-），男，工程師，碩士，研究方向：信息技術(shù)與通信工程；史偉（1980-），男，講師，碩士，研究方向：信息技術(shù)與計算機應(yīng)用；劉衛(wèi)蘭（1979-），女，助理實驗師，本科，研究方向：醫(yī)學(xué)職業(yè)技術(shù)教育。