水電站視頻智能技術(shù)研究

季 石 宇， 王 德 兵， 徐 涵

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

視頻監(jiān)控作為保障水電站運(yùn)行安全的主要功能，被廣泛應(yīng)用在水電站各個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)之中，包括應(yīng)用于工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等[1]。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及高速無(wú)線傳輸技術(shù)等的不斷發(fā)展，水電站內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸由全場(chǎng)孤立式運(yùn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺?、智能化的系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水電站內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多，應(yīng)用場(chǎng)景也不斷擴(kuò)展[2，3]。

水電站內(nèi)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端攝像機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、后端服務(wù)器等部分組成，能實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的工業(yè)設(shè)備運(yùn)行、作業(yè)安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和視頻數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的檢測(cè)和特性分析[4，5]。

雖然目前智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟，但是由于水電站“無(wú)人值班、少人值守”的特性，在視頻功能需求、選型設(shè)計(jì)、組網(wǎng)方式等多個(gè)方面也有特殊要求[6]。筆者圍繞水電站生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下的功能需求，提出智能視頻系統(tǒng)架構(gòu)方式、通信組網(wǎng)的設(shè)計(jì)以及智能技術(shù)在水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方向。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

(1)作業(yè)安全和安全帽識(shí)別具體需要具備的功能包括：①智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T進(jìn)出工作區(qū)的權(quán)限進(jìn)行判別，并對(duì)進(jìn)出人員的信息數(shù)據(jù)記錄存檔，在利用人臉識(shí)別攝像機(jī)進(jìn)行人臉抓拍的同時(shí)，能夠利用電站內(nèi)所有的監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行人員跨鏡身份識(shí)別，彌補(bǔ)人臉漏抓拍場(chǎng)景。②能夠識(shí)別作業(yè)過(guò)程中的違規(guī)行為，判斷人員在作業(yè)區(qū)的作業(yè)過(guò)程是否合規(guī)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)情況，廣播提醒人員注意，保障人員安全。③能夠識(shí)別工作人員是否按照規(guī)定佩戴安全帽，保障人員安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)情況并廣播提醒人員注意。

(2)區(qū)域智能監(jiān)管。電站內(nèi)不同區(qū)域均有不同責(zé)任人負(fù)責(zé)直屬監(jiān)管，因此能夠根據(jù)各個(gè)區(qū)域不同監(jiān)管規(guī)則定期發(fā)送作業(yè)違規(guī)信息。工業(yè)電視系統(tǒng)對(duì)工作時(shí)間和非工作時(shí)間廠房?jī)?nèi)各區(qū)域分別進(jìn)行重點(diǎn)布控，實(shí)現(xiàn)區(qū)域入侵偵測(cè)、越界偵測(cè)、進(jìn)入?yún)^(qū)域偵測(cè)、離開區(qū)域偵測(cè)、徘徊偵測(cè)、物品遺留偵測(cè)和人員快速移動(dòng)偵測(cè)等功能，以確認(rèn)該區(qū)域內(nèi)人員是否具備進(jìn)入?yún)^(qū)域作業(yè)的許可授權(quán)。若判別為非法人員誤入?yún)^(qū)域，系統(tǒng)將自動(dòng)推送作業(yè)違規(guī)信息至中控室。

對(duì)于特定高危險(xiǎn)區(qū)域，則應(yīng)采用電站內(nèi)工業(yè)電視系統(tǒng)對(duì)其重點(diǎn)虛擬布控管理，在正常情況下高危險(xiǎn)特定區(qū)域內(nèi)的闖入人員，則觸發(fā)告警，對(duì)闖入人員以廣播的方式進(jìn)行驅(qū)離。任何作業(yè)人員不能非法跨越區(qū)域，不能擅自擴(kuò)大作業(yè)范圍，否則廠區(qū)內(nèi)工業(yè)電視系統(tǒng)將對(duì)其全過(guò)程監(jiān)管。

(3)缺陷診斷和熱成像在線測(cè)溫。利用熱成像雙光譜球型攝像機(jī)對(duì)主變、機(jī)組上風(fēng)洞等進(jìn)行溫度越限報(bào)警。同時(shí)輸出可見光和熱成像兩路視頻圖像，可通過(guò)集成在熱成像上的功能對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行分析。當(dāng)有目標(biāo)觸發(fā)規(guī)則時(shí)，可見光攝像機(jī)能夠跟蹤目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)，具備雙光譜同屏顯示、溫度越限、溫差報(bào)警、溫度曲線呈現(xiàn)等分析功能，支持歷史溫度曲線呈現(xiàn)。當(dāng)有需要時(shí)，可從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取某一熱成像攝像機(jī)在不同時(shí)間段的各測(cè)溫點(diǎn)、線、框溫度變化曲線，并自動(dòng)組合成一個(gè)完整的曲線。

采用在線式紅外熱成像分析設(shè)備的健康狀態(tài)，利用紅外專家診斷系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能提高生產(chǎn)效率，增加巡檢頻次。同時(shí)可以記錄設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)累積提供預(yù)警。

紅外測(cè)溫軟件應(yīng)具備溫度閾值超限告警、溫度趨勢(shì)分析與預(yù)警、溫度跳變報(bào)警、溫度曲線及報(bào)表生成與打印等功能。

(4)人臉識(shí)別。對(duì)于水電站中進(jìn)出口區(qū)域和重要房間區(qū)域增加人臉識(shí)別攝像機(jī)，能夠與門禁聯(lián)動(dòng)，通過(guò)人臉識(shí)別攝像機(jī)開啟門禁。人臉識(shí)別攝像機(jī)需要具備的功能包括：①支持人臉實(shí)時(shí)檢測(cè)抓拍并展現(xiàn)人臉相關(guān)詳情，支持實(shí)時(shí)黑名單比對(duì)報(bào)警并支持播放人臉關(guān)聯(lián)的視頻圖像。②支持人臉歷史檢索，即按時(shí)間、監(jiān)控點(diǎn)、人員信息和目標(biāo)人臉圖片等組合條件檢索檢測(cè)人臉歷史結(jié)果。支持結(jié)果排序并支持按相似度過(guò)濾。③支持管理人臉庫(kù)，即支持從圖片、錄像、實(shí)時(shí)圖像中挑選人臉圖片錄入人員庫(kù)，支持登記人員詳細(xì)信息，支持批量導(dǎo)入人員且支持人員分組。

(5)事后視頻快速檢索。事后視頻快速搜索功能是一組在視頻錄制當(dāng)下就生成特征元數(shù)據(jù)的技術(shù)。元數(shù)據(jù)資料庫(kù)是視頻存儲(chǔ)能快速且準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)。當(dāng)需要事后搜索指定事件時(shí)，僅需在視頻存儲(chǔ)里輸入相關(guān)條件，如區(qū)域內(nèi)移動(dòng)、拌線、物體大小、物體顏色等，符合條件的視頻縮略圖便會(huì) 在數(shù)秒內(nèi)顯示。

(6)水位數(shù)據(jù)監(jiān)控。水電站需要在河道、閘門等區(qū)域設(shè)置水尺攝像機(jī)，水尺攝像機(jī)內(nèi)置水尺讀取智能算法，系統(tǒng)可自動(dòng)讀取標(biāo)準(zhǔn)水位尺，獲得水位數(shù)據(jù)，無(wú)需肉眼對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行觀察。根據(jù)標(biāo)桿上的刻度讀出當(dāng)前的水位值，從而達(dá)到對(duì)壩前水位、壩后水位的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電站智能視頻監(jiān)控電視系統(tǒng)采用全數(shù)字分區(qū)方案，系統(tǒng)共分為中心級(jí)和區(qū)域級(jí)。系統(tǒng)主要由中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和前端設(shè)備組成，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建立在自建的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，該平臺(tái)采用高速以太網(wǎng)，為星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議。該系統(tǒng)的視頻管理服務(wù)器將兼作該局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器。

中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與區(qū)域網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間采用光纜或網(wǎng)線連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為1 Gbps。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間傳輸距離小于100 m的采用六類屏蔽網(wǎng)線直接連接，超過(guò)100 m的距離則采用4芯單模鎧裝光纜連接。

2.2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化的功能，需要依據(jù)電站的機(jī)電設(shè)備合理地布置攝像機(jī)。水電站不同區(qū)域不僅設(shè)置的攝像機(jī)種類不同，布點(diǎn)設(shè)置的高度和水平角度也存在差別。為實(shí)現(xiàn)作業(yè)安全和安全帽識(shí)別功能，攝像機(jī)需布置在重要的出入口、人員作業(yè)區(qū)域，并且能夠清晰地拍攝出人臉等部位。一般攝像機(jī)的水平角度設(shè)置在10°～20°，攝像機(jī)設(shè)置高度與人體高度接近，并使用高分辨率攝像機(jī)清晰地捕捉人臉等圖像。

區(qū)域智能監(jiān)管的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)視頻圖譜解析技術(shù)和虛擬電子圍欄技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站不同安全防范區(qū)域標(biāo)注處理。為能夠清晰地映射所需防范區(qū)域的畫面，一般采用高清攝像機(jī)，并且設(shè)置高度在3 m左右，可以清晰地捕捉到人體運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備選型

3.1 智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選型

水電站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般要實(shí)現(xiàn)永臨結(jié)合，因此，考慮水電站的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，攝像機(jī)的選型依據(jù)以下原則。

(1)需要具備較高分辨率，并且為能夠適應(yīng)水電站光線較差的情形，攝像機(jī)應(yīng)該具備紅外補(bǔ)光或者星光級(jí)感光成像的功能。

(2)在水電站建設(shè)階段就結(jié)合水電站機(jī)電設(shè)備、運(yùn)維人員活動(dòng)范圍規(guī)劃全站的攝像機(jī)點(diǎn)位布置，攝像機(jī)部署相對(duì)固定，并不需要采用可以靈活部署的帶無(wú)線傳輸模塊的攝像機(jī)。

(3)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整采集參數(shù)，包括亮度和飽和度等。根據(jù)攝像機(jī)選型原則，水電站中智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的選擇根據(jù)水電站機(jī)電布置和功能需求選擇最為適合的前端攝像機(jī)。如在環(huán)境較差的大型洞室內(nèi)布置高倍星光級(jí)攝像機(jī)，在主變等需要監(jiān)測(cè)主變溫度的房間內(nèi)布置熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)等。智能視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中部分水電站攝像機(jī)功能需求和選型見表1。

表1 水電站攝像機(jī)功能需求和選型

3.2 圖像存儲(chǔ)服務(wù)器選型

由于水電站中存在開關(guān)站、中控室、地下廠房等多個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域之間空間跨度較大，一般視頻圖像存儲(chǔ)服務(wù)器都分別布置在各個(gè)區(qū)域內(nèi)，并通過(guò)水電站廠內(nèi)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域視頻數(shù)據(jù)的通信。存儲(chǔ)服務(wù)器存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足所有視頻輸入24 h全天候錄像(以CIF、JPEG或MPEG-4、H265/H264等格式)存儲(chǔ)并能滿足網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像信息要求在24 h全天候錄像情況下保存30 d的需求。

3.3 智能服務(wù)器選型

智能服務(wù)器需要具備人臉管理、人臉比對(duì)、人臉以圖搜圖、人臉檢索等功能。具備接入、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)速率達(dá)到400 Mbps、320 Mbps、96 Mbps。整個(gè)智能服務(wù)器采用模塊化設(shè)計(jì)，至少支持30路人臉識(shí)別(1 080 P視頻流)或圖片流比對(duì)報(bào)警照片160張/s；能夠支持30萬(wàn)張人臉樣本數(shù)和50個(gè)名單庫(kù)；支持2 000萬(wàn)條人臉歷史抓拍庫(kù)以及1 000萬(wàn)條周界防范告警；支持聯(lián)動(dòng)錄像、抓圖、日志、蜂鳴、預(yù)置點(diǎn)、本地報(bào)警輸出、IPC報(bào)警輸出、門禁、語(yǔ)音播報(bào)等。

3.4 交換機(jī)選型

水電站內(nèi)交換機(jī)包括中心交換機(jī)和區(qū)域交換機(jī)，中心交換機(jī)需要采用智能型快速工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，以構(gòu)成10 Gbps以太網(wǎng)，傳輸速率10 Gbps。各節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)應(yīng)使用光口或RJ45電口直接連到交換機(jī)上。中心交換機(jī)一般布置于水電站各個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)之中，如中控室、地下廠房、開關(guān)站等區(qū)域。區(qū)域交換機(jī)采用工業(yè)級(jí)網(wǎng)管型快速工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)和工業(yè)級(jí)網(wǎng)管型千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，以構(gòu)成10-100 Mbps自適交換式工業(yè)以太網(wǎng)和10-100-1 000 Mbps，傳輸速率100 Mbps和1 000 Mbps。

中心交換機(jī)和區(qū)域交換機(jī)的背板交換速率和包轉(zhuǎn)發(fā)率根據(jù)交換機(jī)接口數(shù)量確定。假設(shè)交換機(jī)內(nèi)接入一臺(tái)攝像機(jī)，則對(duì)于區(qū)域交換機(jī)至少需要2個(gè)1 000M端口和個(gè)100M端口，區(qū)域交換機(jī)的背板交換速率和包轉(zhuǎn)發(fā)率為：

C≥2×(2×1 000+X×100)

P≥2×(2×1.488+X×0.1488)

3.5 大屏顯示器選型

在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻的解碼與圖像顯示是最終的環(huán)節(jié)，最終所有的視頻信息會(huì)匯集到大屏顯示系統(tǒng)中，從而展示給用戶。目前在水電站中，一般會(huì)在中控室內(nèi)放置大屏顯示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整屏畫面任意分割、開窗漫游等拼控功能，主要有兩種類型: LCD、LED 平板顯示單元拼接系統(tǒng)和DLP、激光等投影顯示系統(tǒng)。目前大型水電站中一般采用LED顯示屏，大型顯示屏支持單畫面、四畫面、九畫面、十六畫面及大小組合畫面顯示方式。利用安裝在各點(diǎn)的攝像機(jī)，對(duì)所有監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視?？梢愿鶕?jù)攝像機(jī)焦距的變化(變焦攝像機(jī))顯示大小不同的畫面。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站對(duì)智能化技術(shù)尤其是視頻智能化技術(shù)提出了更多的要求，因此筆者以水電站視頻智能化功能需求為基礎(chǔ)，提出了水電站智能視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)備選型原則，從而最大限度地發(fā)揮水電站智能化技術(shù)的效能。