一種指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控方法1

王青平 鄭 超 肖 健 林巖釗 張樹君

（福建省地震局，福州 350003）

引言

按照“福建及臺灣海峽三維地殼結(jié)構(gòu)陸海聯(lián)合探測實驗（2016—2018）”的總體規(guī)劃方案，分三期在三個區(qū)域開展探測工作，予以查明福建及臺灣海峽主要斷裂帶的深部構(gòu)造背景。2016、2017 年分別完成了第Ⅰ、Ⅱ區(qū)塊的探測工作（張藝峰等，2017；金震等，2018），2018年繼續(xù)在福建及臺灣海峽北部地區(qū)完成第Ⅲ區(qū)塊的三維陸海聯(lián)測探測工作，陸上利用移動式水庫氣槍震源系統(tǒng)在泉州龍門灘水庫、南平沙溪口水庫進行主動源激發(fā)；海上震源船在福州、莆田、泉州外海沿測線進行走航式和定點式氣槍主動源激發(fā)探測（見圖1）。陸海均布置地震儀，實現(xiàn)陸海雙向激發(fā)和雙向觀測。

2016、2017 年陸海聯(lián)測實驗期間，在廈門設立現(xiàn)場指揮部，搭建氣槍震源運動監(jiān)控系統(tǒng)（陳超賢等，2017；王青平等，2019）、信號自動處理（林彬華等，2017；黃艷丹等，2017）、信號人工分析（陳惠芳等，2017）等多套技術(shù)系統(tǒng)，對陸域水庫定點激發(fā)、海域定點激發(fā)和走航式激發(fā)的激發(fā)效果進行評估，同時搭建2 套視頻會議系統(tǒng)，保障陸域水庫和海域震源船與指揮部音視頻互聯(lián)互通（林巖釗等，2016）。經(jīng)過多年努力，現(xiàn)場指揮部技術(shù)系統(tǒng)的信息化和自動化水平得到顯著提升（肖健等，2017；張樹君等，2018）。但技術(shù)人員需到現(xiàn)場指揮部才能看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)；陸域水庫和海域震源船的科技人員無法快速掌握氣槍激發(fā)效果；行業(yè)專家需蒞臨現(xiàn)場指揮部才能對氣槍激發(fā)效果進行綜合評估。亟需一套能在移動終端上對現(xiàn)有指揮部技術(shù)系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控的系統(tǒng)。

圖1 2016-2018 年陸海聯(lián)測工作區(qū)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the Land-sea joint survey work area in 2016—2018

本文以實際需求為導向，在原有指揮調(diào)度系統(tǒng)的基礎上，通過多套IP 視頻流轉(zhuǎn)換器和一套網(wǎng)絡硬盤錄像機，利用視頻編碼器將指揮部技術(shù)系統(tǒng)的輸出視頻信號轉(zhuǎn)換為ONVIF 協(xié)議的標準視頻流，通過局域網(wǎng)接入硬盤錄像機，最終在移動終端上安裝硬盤錄像機客戶端，進而實現(xiàn)對指揮部技術(shù)系統(tǒng)的可移動監(jiān)控。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 視頻信號

視頻信號的組成和存儲方式可分為模擬視頻和數(shù)字視頻，模擬視頻即由連續(xù)的模擬信號組成視頻圖像，傳統(tǒng)電視、錄像帶上的畫面通常以模擬視頻的形式出現(xiàn)，計算機輸出的VGA視頻為典型的模擬視頻信號。模擬視頻監(jiān)控以其技術(shù)的成熟性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在國內(nèi)外監(jiān)控領域占據(jù)一席之地，但因其在視頻清晰度、視頻傳輸距離等方面存在限制，影響其應用范圍與發(fā)展（張海燕，2013）。隨著數(shù)字視頻處理與計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻信號的發(fā)展如火如荼，以高清畫質(zhì)、方便性、易擴展性等優(yōu)勢已成為未來發(fā)展趨勢。計算機輸出的DVI、HDMI 視頻為典型的數(shù)字視頻信號。

1.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控通常由前端視頻采集設備、傳輸系統(tǒng)、控制設備、監(jiān)控顯示和數(shù)據(jù)存儲等組成（王金等，2015）。視頻采集設備通常為紅外高速球機、紅外一體機、激光夜視儀、高清網(wǎng)絡攝像機等；傳輸系統(tǒng)由同軸電纜、網(wǎng)線或視頻光端機與光纜等組成；控制設備主要由視頻矩陣切換器、視頻拼接器和控制鍵盤等組成；顯示單元主要為監(jiān)視器或電視墻等，負責顯示控制設備調(diào)度的視頻信號；數(shù)據(jù)存儲主要為硬盤錄像機，常見的有錄制模擬視頻的模擬硬盤錄像機（Digital Video Recorder，簡稱DVR）、錄制數(shù)字視頻的網(wǎng)絡硬盤錄像機（Network Video Recorder，簡稱NVR）及DVR 與NVR 的混合體XVR。

1.3 陸海聯(lián)測指揮部視頻信號

陸海聯(lián)測指揮部監(jiān)控包括技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 視頻、HDMI 視頻及指揮部現(xiàn)場監(jiān)控視頻，涉及模擬視頻和數(shù)字視頻，信號種類多樣，如表1 所示。

表1 陸海聯(lián)測指揮部技術(shù)系統(tǒng)視頻信號 Table 1 Video signal of land-sea joint survey command

傳統(tǒng)的DVR 硬盤錄像機只能錄制指揮部現(xiàn)場監(jiān)控BNC 視頻，而其他技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 和HDMI 視頻無法直接錄制，雖可利用VGA 轉(zhuǎn)BNC 轉(zhuǎn)換器或HDMI 轉(zhuǎn)BNC 轉(zhuǎn)換器將視頻信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)成BNC，但轉(zhuǎn)換后的BNC 模擬視頻較原始信號的清晰度差距較大（見圖2）。因此，傳統(tǒng)DVR 硬盤錄像機無法滿足地震波波形等精細化顯示的實際需求。

圖2 原始計算機VGA 信號和轉(zhuǎn)換后的BNC 信號 Fig.2 Comparison of original computer VGA and converted BNC signal

而主流的NVR 硬盤錄像機無法直接接入VGA、HDMI 和BNC 信號。若使VGA、HDMI視頻信號接入NVR 硬盤錄像機，需通過統(tǒng)一的協(xié)議將VGA 或HDMI 視頻信號轉(zhuǎn)成可接入NVR 硬盤錄像機的轉(zhuǎn)換設備。

1.4 ONVIF 協(xié)議

2008 年5 月，由安訊士聯(lián)合博世及索尼公司宣布攜手共同成立國際開放型網(wǎng)絡視頻產(chǎn)品標準網(wǎng)絡接口開發(fā)論壇，取名為ONVIF(Open Network Video Interface Forum)，并以公開、開放的原則共同制定開放性行業(yè)標準，目標是在世界范圍內(nèi)推動不同廠商視頻監(jiān)控產(chǎn)品的相互兼容（鄧凱等，2016）。ONVIF 標準為網(wǎng)絡視頻設備之間的信息交換定義通用協(xié)議，包括裝置搜尋、實時視頻、音頻、元數(shù)據(jù)和控制信息等。目前，ONVIF 已擁有近500 家會員，主要來自基于IP 的監(jiān)控產(chǎn)品市場，涵蓋制造商、軟件開發(fā)商、系統(tǒng)集成商、終端用戶和咨詢公司等，國內(nèi)攝像頭廠商海康威視和大華也已加入，作為ONVIF 成員，其產(chǎn)品完全支持ONVIF協(xié)議。

ONVIF 基于互聯(lián)網(wǎng)思想，設備管理和控制部分所定義的接口均以Web services 的形式提供，采用基于XML 的WSDL 描述。服務端與客戶端的數(shù)據(jù)交互采用SOAP 協(xié)議，ONVIF中的其他部分如音視頻流則通過RTP/RTSP 協(xié)議進行。其優(yōu)勢在于為網(wǎng)絡視頻設備之間的信息交換定義通用協(xié)議，遵循ONVIF 標準的產(chǎn)品間兼容性更強，其協(xié)議族完備，支持廠商數(shù)量多，市場成熟度和占有率高（張園等，2018）。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括中心管理單元(Center Manager Unit，CMU)、監(jiān)控前端單元（Prefocus Unit，PU）和客戶端單元（Client Unit，CU）。其中PU 負責在CMU 控制下使用攝像機采集視頻流、使用麥克風采集音頻流、使用控制口采集報警信息、對攝像機云臺鏡頭進行控制等；CU 負責將PU 采集到的視頻流、音頻流、報警信息提交給監(jiān)控用戶，并根據(jù)用戶要求操作PU 設備的云臺等。

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖3 所示。PU 設備上線后向CMU 注冊，建立連接后，CMU與PU 進行指令交互，獲取相應的配置參數(shù)；CU 設備上線后，也向CMU 注冊，建立連接后，CMU 與CU 進行指令交互，傳輸設備列表；最后CU 向PU 請求實時數(shù)據(jù)流。

使用ONVIF 協(xié)議后，視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程為（見圖4）：PU 上線后，向CMU 發(fā)送Hello消息，CMU 需要搜尋設備時，向PU 發(fā)送Probe 消息，CMU 與PU 進行指令交互，獲取相應的配置參數(shù)；CU 上線向CMU 注冊，建立連接后，CMU 與CU 進行指令交互，傳輸設備列表；最后在CMU 的協(xié)調(diào)下，CU 向PU 請求實時數(shù)據(jù)流。使用ONVIF 協(xié)議PU 與CMU 的交互方式發(fā)生了變化，CMU 不再與PU 保持長連接。

圖3 傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程 Fig.3 Process of traditional video surveillance system

圖4 使用ONVIF 協(xié)議的視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程 Fig.4 Process of video surveillance system with ONVIF

由于采用WSDL+XML 模式，使ONVIF 規(guī)范的后續(xù)擴展較順利。不同廠商提供的產(chǎn)品均可通過統(tǒng)一的“語言”進行交流，方便了系統(tǒng)的集成；終端用戶和集成用戶不被某些設備的固有解決方案所束縛，大大降低了開發(fā)成本。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框架

圖5 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu) Fig.5 Architecture diagram of mobile monitoring system of Command technical system

系統(tǒng)由硬件支撐層、信息資源層、服務產(chǎn)品層和用戶應用層組成。其中硬件支撐層主要由視頻分配器、視頻編碼器、硬盤錄像機及網(wǎng)絡設備等組成，為系統(tǒng)提供運行支撐的基礎平臺；信息資源層是指揮部技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)出的各類信號源，包括VGA 視頻源、HDMI 視頻源和監(jiān)控視頻源；服務產(chǎn)品層是系統(tǒng)的核心，主要包括視頻錄制、現(xiàn)場監(jiān)控和可移動監(jiān)控服務；用戶應用層是系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn)，為指揮部技術(shù)系統(tǒng)提供實時視頻錄制服務，為現(xiàn)場指揮人員提供現(xiàn)場監(jiān)控服務，為不在指揮部的技術(shù)人員和行業(yè)專家提供可移動監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)流程

圖6 所示為指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控系統(tǒng)流程。通過VGA 或HDMI 視頻ONVIF 轉(zhuǎn)換器，將技術(shù)系統(tǒng)輸出的VGA 和HDMI 視頻信號轉(zhuǎn)換成ONVIF 標準視頻流，與監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流一起匯入混合硬盤錄像機，進行視頻錄制，同時在現(xiàn)場的PC 和不在現(xiàn)場的可移動終端上提供監(jiān)控服務。

圖6 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程 Fig.6 Data flow chart of mobile monitoring system of Command technical system

本文提出的指揮部技術(shù)系統(tǒng)移動監(jiān)控具有如下特點：

（1）輸入信號兼容性強：系統(tǒng)輸入的視頻信號為指揮部技術(shù)系統(tǒng)輸出的計算機視頻信號，主要為HDMI 或VGA 信號，均可通過相應的HDMI 或VGA 視頻編碼器轉(zhuǎn)換成標準ONVIF協(xié)議的視頻流接入混合硬盤錄像機，這些輸入的計算機HDMI 或VGA 信號均可在移動監(jiān)控終端上進行監(jiān)控顯示，輸入信號兼容性強。

（2）快速部署擴展性好：只需將視頻編碼器接入硬盤錄像機所在局域網(wǎng)的交換機，即可實現(xiàn)信號的接入，無需復雜布線，安裝簡單。指揮部新增技術(shù)系統(tǒng)時，只需將新增的視頻編碼器接入局域網(wǎng)即可，可擴展性好。

（3）移動終端通用性好：使用者無需二次開發(fā)，直接使用硬盤錄像機自帶的移動客戶端軟件即可實時查看指揮部技術(shù)系統(tǒng)輸出的計算機視頻信號。移動客戶端軟件既支持Windows平臺，又支持Android 平臺，還支持iOS 平臺，通用性好。

（4）多維度視頻查看：移動客戶端軟件既可實現(xiàn)單個技術(shù)系統(tǒng)畫面的查看，也可實現(xiàn)多個技術(shù)系統(tǒng)畫面的分屏查看；既可實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)實時畫面的查看，又可對歷史畫面進行查看。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 重要組成部件

指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部件如表2 所示。

表2 指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部件 Table2 Important components of mobile monitoring system of command technical system

3.2 設備連接

指揮部技術(shù)系統(tǒng)設備連接如圖7 所示。各技術(shù)系統(tǒng)的計算機輸出視頻信號經(jīng)視頻分配器一分為二，一路信號送到視頻矩陣，經(jīng)調(diào)度后在指揮部顯示幕上進行顯示，并利用監(jiān)控攝像機對顯示幕進行拍攝；另一路信號通過ONVIR 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成ONVIF 標準視頻流，與現(xiàn)場監(jiān)控攝像機實時視頻流一起接入混合硬盤錄像機。指揮部的技術(shù)人員可通過局域網(wǎng)，利用瀏覽器登錄硬盤錄像機管理界面，實時查看各技術(shù)系統(tǒng)；在外的技術(shù)人員、行業(yè)專家可通過互聯(lián)網(wǎng)，利用移動終端客戶端軟件，實時查看各技術(shù)系統(tǒng)運行界面。

圖7 指揮部技術(shù)系統(tǒng)設備連接 Fig.7 Device connection diagram of command technical system

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

2018 年福建及臺灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測實驗中，華為M5 平板上顯示的各指揮部技術(shù)系統(tǒng)截圖如圖8 所示，此次共接入8 路視頻信號：1 路模擬信號（監(jiān)控攝像頭拍攝的指揮部全景畫面）、1 路HDMI 高清信號（圖8 右上角第2 個信號源，數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)）和6路VGA 視頻信號。

圖8 在華為終端上顯示的指揮部技術(shù)系統(tǒng) Fig.8 Command technology system displayed on Huawei terminal

4 結(jié)語

本文提出一種基于ONVIF 協(xié)議的指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控解決方案，利用視頻編碼器將指揮部技術(shù)系統(tǒng)的輸出信號轉(zhuǎn)換成ONVIF 協(xié)議的標準視頻流，通過局域網(wǎng)接入硬盤錄像機，最終在移動終端上安裝硬盤錄像機客戶端，進而實現(xiàn)對指揮部技術(shù)系統(tǒng)的可移動監(jiān)控，提升指揮部技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)控和管理水平，在2018 年福建及臺灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測實驗中得到應用，獲得良好的效果。

在實際災害應急救援過程中，指揮部技術(shù)系統(tǒng)可移動監(jiān)控方法可為應急指揮與輔助決策人員，特別是前方?jīng)Q策人員提供各類技術(shù)系統(tǒng)信息，便于采取高效準確的救援措施，提高災害處置能力，最大限度地減輕災害造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

致謝 審稿專家提出了寶貴意見，編輯部老師在成文過程中給予了一定的幫助，在此一并表示感謝！