基于分布式架構(gòu)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在廣東智慧水利的應(yīng)用

王 亮

(廣東省防汛保障與農(nóng)村水利中心，廣州 510635)

近幾年，隨著信息化不斷向廣度、深度發(fā)展，以及國家實(shí)施大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、圖像識(shí)別等技術(shù)得到快速發(fā)展。廣東水利為進(jìn)一步提升水利信息化水平，以發(fā)展數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的“互聯(lián)網(wǎng)+”產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)為抓手，積極推進(jìn)智慧水利建設(shè)[1]。但目前廣東省智慧水利建設(shè)還存在全面感知不夠、全面互聯(lián)差距大、基礎(chǔ)平臺(tái)支撐不足、共享不充分、智能應(yīng)用不夠等問題。而水利的主要管理對(duì)象江河湖泊和水利工程，及為防汛抗旱、水資源開發(fā)利用等建設(shè)的水利基礎(chǔ)設(shè)施的全面感知不足是制約我省智慧水利發(fā)展的根本原因。

為提升廣東省江河湖泊和水利工程的感知能力，解決水安全在線監(jiān)控，加強(qiáng)水安全隱患分析和防御，確保我省江河湖泊、水利工程安全監(jiān)管落實(shí)到位，水利行政主管部門需及時(shí)獲取我省重點(diǎn)江河湖泊、水利工程的水位和工程運(yùn)行狀況等信息。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的廣東省大規(guī)模高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過前端監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)采集我省重要江河湖泊、水利工程的水情、水生態(tài)環(huán)境等視頻圖像信息，并記錄重要堤防、閘壩的運(yùn)行情況，用以全面提升水利管理部門對(duì)水資源監(jiān)管[2]、江河調(diào)度、工程運(yùn)行[3]、應(yīng)急處置的能力。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則

1.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

在廣東省重要河流的交匯處和險(xiǎn)工險(xiǎn)段、水庫大壩、水閘、水文站等防汛關(guān)鍵區(qū)域、沿河人口密集區(qū)域新建高清視頻監(jiān)控點(diǎn)，并接入水利已建視頻監(jiān)控點(diǎn)，以及水文、氣象、海洋漁業(yè)等涉水部門的視頻資源，整合水利數(shù)據(jù)中心的水情、雨情、臺(tái)風(fēng)等專題數(shù)據(jù)，利用省政務(wù)云平臺(tái)和共有云資源構(gòu)建廣東水利視頻監(jiān)控綜合應(yīng)用系統(tǒng)。全省各級(jí)水利部門可通過系統(tǒng)調(diào)用監(jiān)控點(diǎn)的視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)江河湖泊的水位、水利工程運(yùn)行狀況的在線監(jiān)管，為水資源監(jiān)管、江河調(diào)度發(fā)揮重要的支撐保障作用。為此，系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能：

1) 監(jiān)控點(diǎn)在水利一張圖上集中展示

系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)所有視頻監(jiān)控資源基于全省水利一張電子地圖集中展示。所有監(jiān)控點(diǎn)在地圖上標(biāo)注準(zhǔn)確的位置，清晰展示各流域、行政區(qū)域的視頻監(jiān)控資源分布情況，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控點(diǎn)在線狀態(tài)，并能分區(qū)域可視化統(tǒng)計(jì)設(shè)備暢通率，監(jiān)控點(diǎn)點(diǎn)擊熱度等信息。

2) 監(jiān)控點(diǎn)遠(yuǎn)程操控和視頻信號(hào)輪詢

為快速實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控視角和聚焦調(diào)整，系統(tǒng)中所有監(jiān)控點(diǎn)都須支持在顯示畫面上用鼠標(biāo)拖曳的方式調(diào)整攝像頭的焦距、監(jiān)控方位、視角等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)控畫面拉近、調(diào)遠(yuǎn)、定焦特點(diǎn)區(qū)域；系統(tǒng)須存儲(chǔ)各監(jiān)控點(diǎn)云臺(tái)移動(dòng)軌跡，調(diào)用軌跡時(shí)攝像機(jī)會(huì)沿著記錄自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。為方便各級(jí)用戶管理所轄區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控點(diǎn)，用戶可將經(jīng)常需要訪問的監(jiān)控點(diǎn)加入自動(dòng)輪詢列表，點(diǎn)擊視頻輪詢功能后系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)展示各監(jiān)控點(diǎn)圖像。

3) 水雨情預(yù)警信息與周邊監(jiān)控站點(diǎn)智能聯(lián)動(dòng)

整合省廳數(shù)據(jù)中心水、雨情、臺(tái)風(fēng)路徑等專題數(shù)據(jù)，當(dāng)江河湖泊發(fā)生水位超過警戒水位的預(yù)警信息，或大雨、暴雨、臺(tái)風(fēng)等預(yù)警信息，系統(tǒng)能自動(dòng)查詢并顯示預(yù)警信息區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控視頻信號(hào)。

4) 水位分析、水中漂浮物識(shí)別等智能應(yīng)用

監(jiān)控點(diǎn)需實(shí)時(shí)判別監(jiān)控區(qū)域內(nèi)水面與河岸或大壩的交界處，判斷水位是否存在漫壩、超警戒水位等告警情況，并將識(shí)別出的告警信息主動(dòng)發(fā)送給相關(guān)管理人員。監(jiān)控點(diǎn)需自動(dòng)識(shí)別水體顏色特征，判別水質(zhì)好壞，并主動(dòng)將分析得到的水質(zhì)變壞結(jié)果推送給所轄區(qū)域系統(tǒng)管理員。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)在平臺(tái)架構(gòu)、智能視頻分析功能方面應(yīng)能持續(xù)迭代升級(jí)，保證系統(tǒng)在建成后一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)因技術(shù)落后而大規(guī)模調(diào)整；展示界面清晰、操作簡(jiǎn)潔，以便于用戶管理和維護(hù)；系統(tǒng)的軟硬件配置應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的升級(jí)、擴(kuò)展、維護(hù)問題，須具有標(biāo)準(zhǔn)接口，還要提供開放的軟件接口，用以對(duì)外共享平臺(tái)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)軟件平臺(tái)應(yīng)采用嚴(yán)格的授權(quán)訪問策略，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)不少于5 000路高清視頻監(jiān)控點(diǎn)的接入，并整合接入水利、水文等部門現(xiàn)有的500多路非高清視頻監(jiān)控資源，同時(shí)支持監(jiān)控視頻圖像的智能分析，支持多終端、大并發(fā)量的視頻圖像調(diào)用，滿足系統(tǒng)在線熱備的需求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為分別在互聯(lián)網(wǎng)公有云平臺(tái)和政務(wù)外網(wǎng)云平臺(tái)部署兩套應(yīng)用系統(tǒng)[4-5]。部署于公有云平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本次新建高清視頻信號(hào)的接入和存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)終端和微信小程序訪問；部署于省水利政務(wù)外網(wǎng)云平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)省水利已建視頻監(jiān)控點(diǎn)視頻資源的接入，及水利內(nèi)網(wǎng)終端訪問。省政務(wù)云平臺(tái)和公網(wǎng)云平臺(tái)之間通過3Gpbs光纖通信專線連通，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平臺(tái)接入的不同視頻信號(hào)快速互相傳輸和數(shù)據(jù)同步。在不同網(wǎng)絡(luò)的云平臺(tái)上部署兩套系統(tǒng)除了能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也有效避免省水利廳通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器資源的大幅升級(jí)改造。當(dāng)其中一個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以通過另一個(gè)平臺(tái)訪問系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)在線熱備需求[6-7]。系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣東水利視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意

2.2 系統(tǒng)核心部分實(shí)現(xiàn)

2.2.1新建高清視頻監(jiān)控點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于本次新建的高清視頻監(jiān)控點(diǎn)分布在全省江河湖泊附近，大多數(shù)都位于較偏僻的野外環(huán)境，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)需要監(jiān)控的范圍廣，監(jiān)控設(shè)備易受雷電、水面反射、雨衰等惡劣環(huán)境影響，還需滿足24 h不間斷的監(jiān)控需求，因此，新建視頻監(jiān)控點(diǎn)選用超低照度高清球型攝像頭，可實(shí)現(xiàn)夜間不間斷監(jiān)控。為滿足1 080 p高清視頻信號(hào)實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸?shù)男枨螅⒂行Ы档拖到y(tǒng)建設(shè)成本和后期通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難度，前端視頻監(jiān)控信號(hào)通過租用運(yùn)營(yíng)商帶寬不低于10 Mbps的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦性破脚_(tái)上實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)[8]。

前端高清視頻監(jiān)控點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。監(jiān)控點(diǎn)主要由高清網(wǎng)絡(luò)球型攝像頭、光纖傳輸設(shè)備、硬盤錄像機(jī)、供電線路、通信線路、防雷接地等組成。高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭輸出信號(hào)使用國標(biāo)六類網(wǎng)線與光纖傳輸設(shè)備連接，通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)將視頻圖像信號(hào)傳送到公有云平臺(tái)處理和存儲(chǔ)。為有效防止受到雷擊而引起電器設(shè)備損壞，本方案須在立桿頂部安裝一支避雷針，避雷針與電阻值小于4 Ω的地網(wǎng)相連。為防止通信網(wǎng)絡(luò)中斷后前段視頻圖像缺失，方案為每個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)配置了1臺(tái)存儲(chǔ)容量為3 TB的硬盤錄像機(jī)，在監(jiān)控點(diǎn)本地存儲(chǔ)1個(gè)月的高清視頻圖像數(shù)據(jù)作為云平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的備份。

圖2 前端視頻監(jiān)控點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意

2.2.2系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)須滿足大量高清和非標(biāo)清視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和控制，這些功能需要占用足夠多的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求很高。因此，為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，將系統(tǒng)同時(shí)部署在公有云和省水利私有云平臺(tái)上，采用J2EE跨平臺(tái)技術(shù)，在同一云平臺(tái)上通過虛擬化技術(shù)將大量異構(gòu)的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)建成統(tǒng)一的資源池[9]，為大規(guī)模高清視頻監(jiān)控提供可擴(kuò)展的海量存儲(chǔ)資源和超強(qiáng)計(jì)算能力[10]，以保障其中1臺(tái)主機(jī)出故障后能夠快速漂移到集群中的其他主機(jī)運(yùn)行。

平臺(tái)所有構(gòu)件及子平臺(tái)采用分布式無狀態(tài)設(shè)計(jì)，選用面向服務(wù)的SOA組件作為底層核心支撐模塊，以確保系統(tǒng)具備高性能并發(fā)訪問能力，并可根據(jù)外部訪問數(shù)量橫向擴(kuò)展，降低單個(gè)應(yīng)用實(shí)例的負(fù)載壓力，提升應(yīng)用系統(tǒng)的吞吐能力、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問節(jié)點(diǎn)采用分布式集群方式，既保證數(shù)據(jù)的容錯(cuò)容災(zāi)能力，又能提升數(shù)據(jù)訪問速度。平臺(tái)各功能模塊采用服務(wù)化分布式部署及調(diào)用方式，以確保部分服務(wù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后不影響整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的正常使用。 平臺(tái)安全與監(jiān)控服務(wù)能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行的所有服務(wù)和外部用戶訪問進(jìn)行自動(dòng)化日志跟蹤和運(yùn)維數(shù)據(jù)收集分析，以保障運(yùn)維人員能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行情況，并及時(shí)解決問題。系統(tǒng)云平臺(tái)邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)云平臺(tái)邏輯架構(gòu)示意

2.2.3系統(tǒng)展示平臺(tái)

系統(tǒng)展示平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)終端訪問、多監(jiān)控點(diǎn)視頻信號(hào)同時(shí)顯示、水雨情預(yù)警信息視頻聯(lián)動(dòng)、站點(diǎn)快捷查詢、云臺(tái)控制、錄像回放、抓拍、用戶權(quán)限管理等功能。因此，系統(tǒng)基于B/S技術(shù)架構(gòu)，顯示界面基于WebGIS電子地圖，利用WMS標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)，在底圖上疊加水利河流湖泊和水利工程等數(shù)據(jù)，并錄入所有監(jiān)控點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。主界面基于水利“一張圖”同時(shí)顯示所有監(jiān)控點(diǎn)的分布情況，可實(shí)現(xiàn)地圖的放大、縮小、移動(dòng)、定位等操作[11-12]。

為方便用戶快速查詢流域、市、縣行政區(qū)域已接入的視頻資源，展示平臺(tái)通過構(gòu)建不同的視頻圖層，支持視頻監(jiān)控點(diǎn)名稱、經(jīng)緯度、行政區(qū)域多維度的模糊檢索和定位。針對(duì)不同流域的水利管理部門，展示平臺(tái)綜合采用廣東水系流域分布數(shù)據(jù)，與GIS地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，在地圖上清晰地展示廣東省各水系流域的分布情況，實(shí)現(xiàn)在一張圖上直觀查看各水系流域的視頻監(jiān)控點(diǎn)分布，實(shí)現(xiàn)流域?qū)ｎ}性的實(shí)景視頻監(jiān)控。

同時(shí)，系統(tǒng)整合接入水庫水雨情數(shù)據(jù)，在地圖上展示重點(diǎn)水庫、江河的水位情況，當(dāng)出現(xiàn)水位、雨情預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)推送預(yù)警范圍內(nèi)的攝像頭列表，并可一鍵查看。

3 系統(tǒng)測(cè)試

目前，廣東水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)已完成600多路新建的高清視頻監(jiān)控點(diǎn)接入，整合接入省水文、氣象、海洋漁業(yè)以及地市水務(wù)局等部門已建視頻監(jiān)控點(diǎn)700多路。在水利一張圖上可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控點(diǎn)的位置，及設(shè)備在線、離線狀態(tài)信息，并統(tǒng)計(jì)在線、離線監(jiān)控點(diǎn)的總數(shù)。用戶單擊在線監(jiān)控點(diǎn)可查看該點(diǎn)實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，視頻顯示窗口支持1、4、9、16分屏顯示，系統(tǒng)主界面顯示4路視頻信號(hào)效果如圖4所示。每個(gè)顯示窗口可單獨(dú)放大、全屏、縮小，遠(yuǎn)程云臺(tái)控制，視頻畫面上右鍵可實(shí)現(xiàn)視頻關(guān)閉、碼流切換、本地錄像、錄像回放、抓圖、局部放大、進(jìn)入全屏等操作。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控點(diǎn)名稱、行政區(qū)域、流域監(jiān)控點(diǎn)、不同行業(yè)監(jiān)控站點(diǎn)等多種檢索方式，可方便用戶快速在地圖上定位需要查看的監(jiān)控點(diǎn)。

為便于各單位系統(tǒng)管理員高效的管理和維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析，基于“運(yùn)維一張圖”展現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)的點(diǎn)擊查詢情況、監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)行狀況(暢通率、故障處理、報(bào)警)，對(duì)故障易發(fā)生的視頻點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并及時(shí)將故障點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)訪問情況，分析熱點(diǎn)視頻區(qū)域的分布，為后期系統(tǒng)規(guī)劃及擴(kuò)容提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 系統(tǒng)主界面顯示4路視頻信號(hào)效果

4 結(jié)語

廣東水利視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)基于水利“一張圖”開發(fā)，充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全省共1 300多路水利、水文、氣象、海事等部門視頻監(jiān)控信號(hào)的接入、存儲(chǔ)和智能分析，通過視頻圖像可實(shí)時(shí)獲取我省重要江河湖泊的水位信息，并記錄重要堤防、閘壩的運(yùn)行情況，顯著提升了廣東省水安全在線監(jiān)管、水資源監(jiān)管、江河調(diào)度、工程運(yùn)行、應(yīng)急處置能力。