內河航道4G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

長江三峽通航管理局 史明

內河航道視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖傳輸將攝像頭采集的視頻圖像信號傳輸至監(jiān)控中心，用于實現(xiàn)對航道、錨地、船閘、碼頭和渡口等重點水域的實時監(jiān)控，其對于保障水域船舶航行安全、防治船舶污染、提升海事管理和應急搜救能力起到了良好的效果。本文基于已經(jīng)發(fā)展成熟的4G無線通訊技術，對內河航道視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，可有效解決視頻監(jiān)控盲區(qū)問題，提高海事管理的水平和執(zhí)法的準確性，使航道管理更加科學、更加富有成效。

1 概述

1.1 設計背景

作為內河航道重要的安全監(jiān)管手段，視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其直觀、可視和方便現(xiàn)場取證等技術優(yōu)勢一直被航道監(jiān)管部門所認可。但由于部分區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境條件限制，缺乏基礎的供電及光纖網(wǎng)絡，導致仍存在監(jiān)控盲區(qū)，無法實現(xiàn)航道視頻監(jiān)控全覆蓋。而隨著航運的不斷發(fā)展，船舶類型增多，噸位逐漸增大，碼頭泊位、航道和渡口、橋區(qū)等遮蔽水域不斷增多，若未能及時監(jiān)視并掌握現(xiàn)場情況，一旦發(fā)生突發(fā)情況，將為指揮決策帶來不便。因此亟需利用新設備新技術對重點航道實現(xiàn)視頻監(jiān)控全覆蓋，以滿足航道日常安全監(jiān)管和應急處置的需要。

1.2 設計目標

本次系統(tǒng)設計目標是以4G無線視頻傳輸技術為基礎，借助現(xiàn)有有線視頻監(jiān)控平臺架構，采用風光互補供電及惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲設備，解決無光纖網(wǎng)絡、無穩(wěn)定供電條件下的視頻監(jiān)控建設難題，彌補內河航道船舶監(jiān)控盲區(qū)，形成一套能夠全面覆蓋各類水域的視頻監(jiān)控管理平臺。

1.3 設計原則

《中華人民共和國公共安全行業(yè)標準》GB241.9-2000

《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB50198-94

《安全防范系統(tǒng)驗收細則》GA308-2001

《安全防范系統(tǒng)通用圖形符號》GA/T74-2000

《安全防范工程程序與要求》GA/T75-94

《安全防范工程技術規(guī)范》 GB50348-2004

《電視監(jiān)控工程程序與要求》GA/T75-94

《電視監(jiān)控工程費用概預算編制辦法》GA/T70-94

《防盜報警控制器通用技術條件》GB12663-2001

《民用閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB50198-94

2 總體設計

2.1 需求分析

根據(jù)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求，將內河航道無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對技術、功能、性能等具體需求歸納如下：

(1)系統(tǒng)能滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，包括視頻傳輸、存儲、實時預覽、錄像回放、云鏡控制、組織用戶管理、告警配置等。

(2)系統(tǒng)以4G移動通信網(wǎng)與現(xiàn)有光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為基礎，確保高清視頻圖像能實時傳輸至監(jiān)控中心。

(3)系統(tǒng)要求視頻要能夠達1080P分辨率。

(4)系統(tǒng)要求監(jiān)控能夠實現(xiàn)本地監(jiān)控錄像。

(5)系統(tǒng)能開放數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)資源共享。

(6)視頻錄像前端存儲，支持遠程下載。

2.2 架構設計

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括設備接入層、網(wǎng)絡傳輸層、核心應用層三層結構，系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 System topology diagram

(1)設備接入層。設備接入層主要指安裝在現(xiàn)場的視頻監(jiān)控及配套電源、傳輸、存儲設備，主要包括前端攝像機、風光互補供電設備、NVR硬盤錄像機、蓄電池、4G傳輸模塊等。

(2)網(wǎng)絡傳輸層。網(wǎng)絡傳輸層主要包括營運商4G網(wǎng)絡及已建光纖網(wǎng)絡，包括光纖轉發(fā)器、防火墻、網(wǎng)關、交換機等傳輸設備。

(3)核心應用層。利用已建視頻監(jiān)控平臺，核心應用層包括中心管理服務器、流媒體服務器、錄像存儲服務器、大屏幕顯示設備、客戶終端等，實現(xiàn)監(jiān)控平臺的基礎業(yè)務應用。

3 詳細設計

3.1 前端子系統(tǒng)設計

前端子系統(tǒng)主要包括前端監(jiān)控點和風光互補供電系統(tǒng)兩個部分。

3.2 前端監(jiān)控點

前端監(jiān)控點采用嵌入式NVR硬盤錄像機加網(wǎng)絡攝像機的方式實現(xiàn)對重點水域的視頻監(jiān)控，硬盤錄像機24小時保存現(xiàn)場視頻錄像，并通過4G網(wǎng)絡傳輸實時畫面到監(jiān)控中心。

3.3 風光互補供電系統(tǒng)組成

風光互補供電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、單晶硅太陽能板、風光互補控制器、鉛酸蓄電池、電纜及支撐輔助件組成一個發(fā)電系統(tǒng)。陰雨無光時由風能發(fā)電，光照充足時由太陽能發(fā)電，在光能及風能充沛的情況下，兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候的互補供電，比單獨使用風能和太陽供電能更加經(jīng)濟、科學、實用，如圖2所示。

圖2 風光互補供電系統(tǒng)拓撲圖Fig.2 Topology diagram of wind-solar hybrid power supply system

風光互補方案特點：

(1)根據(jù)具體的太陽能風力資源情況及現(xiàn)象設備耗電量確定所需供電容量。

(2)可滿足現(xiàn)場監(jiān)控設備持續(xù)穩(wěn)定工作。

(3)監(jiān)控設備可滿足全天供電，也可以定制為分時供電，最大每日供電時間為24小時。

(4)風光互補控制器具有過充、過放、過載、短路、防反接、開路、過轉速剎車、過電流剎車、過風速剎車、太陽能防反充、防雷等完善的保護功能。

(5)485通訊接口方便與現(xiàn)有球機或者槍機通訊。

(6)LCD顯示型控制器可直觀顯示光伏電壓電流功率，風機電壓電流功率、蓄電池電壓等設備系統(tǒng)運行參數(shù)。

(7)連續(xù)使用陰雨天長，可達5～7天。

(8)采用專業(yè)光伏免維護蓄電池作為儲能設備，工作溫度在-40℃～+60℃之間，具有高壽命高性能的特點。

3.4 傳輸子系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡包括運營商4G通信網(wǎng)絡和已建光纖網(wǎng)絡。

3.5 中心管理平臺設計

采用已建視頻監(jiān)控平臺。該平臺是一套集成化、智能化平臺，可通過接入視頻監(jiān)控、報警監(jiān)測等設備實現(xiàn)安防信息化集成及聯(lián)動。平臺以電子地圖為載體，融合豐富的智能化應用，可實現(xiàn)對各個資源的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一部署。

4 主要產(chǎn)品及技術參數(shù)

4.1 智能球型攝像機

支持寬幅電壓：9～18V；設備運行最大功耗18W，休眠模式功耗2.6W，靜止圖像功耗4.6W；支持最大1920×1080@30fps高清畫面輸出；支持H.265高效壓縮算法，可較大節(jié)省存儲空間；支持超低照度，0.005Lux/F1.6(彩色），0.001Lux/F1.6(黑白)，0 Lux with IR；支持23倍光學變倍，16倍數(shù)字變倍；采用高效紅外陣列，低功耗，照射距離最遠可達100m；支持 360°水平旋轉，垂直方向-15°～90°（自動翻轉）；支持960p@60fps、720p@60fps高幀率輸出；支持三碼流技術，每路碼流可獨立配置分辨率及幀率；支持人臉抓拍、區(qū)域入侵偵測、越界偵測、移動偵測等智能偵測功能；支持斷網(wǎng)續(xù)傳功能保證錄像不丟失，配合Smart NVR實現(xiàn)事件錄像的二次智能檢索、分析和濃縮播放；支持寬動態(tài)范圍達120dB，適合逆光環(huán)境監(jiān)控；支持3D數(shù)字降噪、強光抑制、電子防抖、SmartIR；支持300個預置位，8條巡航掃描；支持定時任務、一鍵守望、一鍵巡航功能；支持最大256G的Micro SD/SDHC/SDXC卡存儲，內置 EMCC存儲，支持人臉斷電續(xù)傳。

4.2 硬盤錄像機

支持1路/25M接入/25M存儲/80M轉發(fā)/4G全網(wǎng)通/1個 HDMI、1個 VGA同源輸出/6路1080P解碼/1個千兆網(wǎng)口/1個USB3.0，含3.5寸監(jiān)控級硬盤，1TB/64MB(3Gb/秒 NCQ）/5900RPM/SATA3。

4.3 水平軸風力發(fā)電機(如圖3所示)

圖3 風光互補供電系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical diagram of wind-solar hybrid power supply system

額定功率：300W；輸出電壓:12V/24V/48V；葉片直徑：1.16m；啟動風速：2.5m/s；切入風速：3m/s；最大安全風速：25m/s；葉片材質：玻璃尼龍纖維復合材料；輪轂結構：采用鑲嵌式結構，防止高風環(huán)境下葉片飛脫機身全鋁合金，SKF耐低溫進口軸承，48mm鋼管連接。

4.4 單晶太陽能板

轉換率：17%以上；最大電壓：36V；最大電流：6.94A；最大功率：250W/塊。

4.5 風光互補控制器

自動切換風機輸入功率：300～600W；太陽能輸入功率：400～800W；通訊方式：RS485；功能特性：LCD 液晶顯示系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)，限壓、限流充電方式，直流最大輸出電流10A。

4.6 膠體蓄電池

采用免維護風光互補專用電池，12V 200AH，工作溫度：-20℃～60℃。

4.7 集成配電箱

包含防雷保護系統(tǒng)，過壓保護系統(tǒng)，斷路保護系統(tǒng)，過流保護系統(tǒng)；箱體規(guī)格：550×900×200mm/1.2mm；系統(tǒng)電壓輸出：220VAC-300VA；含整套系統(tǒng)電纜連接線：RVV及BVR電纜；功能特性：冷扎板戶外掛桿箱，箱體內置風扇，自帶散熱功能。

4.8 防水地埋箱

蓄電池地埋箱，防水防腐蝕，可保持電池恒溫。

5 結語

綜上，通過對內河航道無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，結合4G無線通訊技術及市場視頻監(jiān)控產(chǎn)品，可有效解決復雜環(huán)境下的視頻監(jiān)控覆蓋需求，從而提高監(jiān)管工作質量與效率，使水上安全監(jiān)督管理工作更嚴密、更規(guī)范，為現(xiàn)場執(zhí)法人員提供更準確、清晰的船舶作業(yè)、航行狀態(tài)，可在船舶安全監(jiān)管、船舶污染防治和水上交通安全等方面發(fā)揮重要作用。