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水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2009/02/06

  水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字水利的重要組成部分,也是近期數(shù)字水利系統(tǒng)建設中的熱點和亮點。工作人員通過該系統(tǒng)可在監(jiān)控中心或者工作計算機上實時監(jiān)控各個水利設施,實時觀測水資源現(xiàn)狀,大大提高了工作效率;而在抗洪救災中,通過該系統(tǒng)也可實現(xiàn)遠程觀測和指揮,對于氣候惡劣人員難以達到的地區(qū),本系統(tǒng)更是起到了不可替代的作用。本文對近期水利監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)趨勢進行探討,重點針對智能視頻檢測技術(shù)在水利行業(yè)中的應用進行介紹,以期拋磚引玉,促進視頻監(jiān)控新技術(shù)在水利行業(yè)的應用和推廣。

在水利行業(yè)中的應用面逐漸擴大

  以往水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要為防汛抗洪服務,在汛期保障水利設施的安全,隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利行業(yè)的進一步推廣,系統(tǒng)將逐漸在水利部門的日常管理中發(fā)揮作用,例如用于水資源管理、水利設施周邊安全、航運管理及水體環(huán)境監(jiān)測。預計水體污染監(jiān)控將成為下一個應用熱點,屆時高清晰度視頻監(jiān)控系統(tǒng)(分辨率達到1024×768以上)更能發(fā)揮作用,能對污染物的分布和發(fā)展趨勢等進行有效的遠程觀測,同時應實現(xiàn)和環(huán)保監(jiān)測設備及系統(tǒng)的有效聯(lián)動,獲取相關(guān)的污染指標數(shù)據(jù)并和視頻形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)備份,作為領(lǐng)導決策和執(zhí)法的依據(jù)。

  為適應以上趨勢,在新建視頻監(jiān)控系統(tǒng)中必須要預留更多接口,同時能做好持續(xù)改進和適應。

流域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控逐漸成為主流

  以往水利視頻監(jiān)控以單個水利工程設施監(jiān)控為主,往往附屬在閘門控制系統(tǒng)中,為本地工作人員服務。近幾年出現(xiàn)了以流域和大區(qū)域為單位的大型聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),該類系統(tǒng)可使領(lǐng)導遠程監(jiān)視水利設施狀況,同時避免由于只看到單個水利設施而無法了解上下游各個相關(guān)站點情況的尷尬局面,在防汛抗洪過程中為各級領(lǐng)導提供了全局決策依據(jù)。在此情況下,新建水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)必然將遠程監(jiān)視以及流域的整體監(jiān)控作為必備的技術(shù)要求,同時已建監(jiān)控點也將逐步實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)改造和接入。各省水利管理部門為適合這種發(fā)展趨勢逐步出臺了相應的配套標準,以期實現(xiàn)水利視頻監(jiān)控的標準化,相關(guān)廠家應及時跟進這一標準化過程。

  從技術(shù)上而言,流域監(jiān)控系統(tǒng)必然對系統(tǒng)架構(gòu)以及服務器平臺提出了更高的要求,在此過程中,必須要實現(xiàn)服務器分布式部署,同時解決服務器級聯(lián)、備份以及互相支援等問題,提高流媒體服務器的轉(zhuǎn)發(fā)效率以滿足大流量視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā),并確保不堵塞現(xiàn)有水利專網(wǎng)。

  系統(tǒng)有三級結(jié)構(gòu),主要有省水利廳、市水利局和大型水利設施管理處等三級,各級可獨立工作,也可級聯(lián)協(xié)同工作。

無線技術(shù)的推廣和應用

  由于水庫大壩等水利監(jiān)控點分布在較廣闊的范圍內(nèi),與監(jiān)控中心的距離較遠,利用傳統(tǒng)的有線連接方式,線路鋪設成本高昂,且施工周期長,有時因為河流山脈等障礙難以架設線纜,這些問題均可采用無線方式進行解決,所以無線傳輸方式在水利行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中比較受青睞,其所占比例越來越高,F(xiàn)有無線網(wǎng)絡主要有以下幾種:   衛(wèi)星通訊網(wǎng)技術(shù)由于成本較高,不適合水利行業(yè)大規(guī)模應用。水利部門可采用微波數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸技術(shù)進行視頻傳輸,但是應盡量滿足微波方式的視距傳輸要求,在空曠處建設效果較好。
  基于運營商的無線網(wǎng)絡傳輸技術(shù)也就是利用現(xiàn)有無線網(wǎng)絡運營商平臺進行網(wǎng)絡傳輸,主要有中國移動的GPRS/EDGE網(wǎng)絡和中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡的實際數(shù)據(jù)上傳速度一般在60kbps左右,在這樣的帶寬下視頻效果不夠理想,為更好的在該網(wǎng)絡條件下進行數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)應針對視頻編碼及網(wǎng)絡傳輸流控部分進行優(yōu)化。而新推出的3G網(wǎng)絡理論上可基本滿足傳輸實時視頻的要求,但由于種種原因其穩(wěn)定應用尚需時日。

  無線局域網(wǎng)可以滿足實時視頻傳輸?shù)囊,同時現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)通過中繼等方式顯著提高了覆蓋半徑,已經(jīng)可以滿足中小型水利設施的網(wǎng)絡覆蓋要求。最新的WiMAX技術(shù)可實現(xiàn)城鎮(zhèn)無線覆蓋的要求,當然WiMAX技術(shù)成本還比較高,大規(guī)模推廣尚有一定難度。

  在水利行業(yè)中,建議采用無線局域網(wǎng)和基于運營商的無線網(wǎng)絡傳輸技術(shù)相結(jié)合的方式,在較易鋪設網(wǎng)絡處建設無線局域網(wǎng),在某些難點或不便鋪設處通過CDMA或者EDGE傳輸視頻。

  另外通過無線方式也可對車輛和人員進行移動視頻監(jiān)控,實現(xiàn)可視化的調(diào)度和指揮,在水利行業(yè)抗洪搶險作業(yè)中,人員、車輛的調(diào)度是重中之重,而在調(diào)度過程中,人員和車輛的位置和實時視頻是關(guān)鍵信息,因而在系統(tǒng)中需要對GPS定位系統(tǒng)和GIS 系統(tǒng)進行重點設計,確保調(diào)度人員快速確定相關(guān)人員和車輛的位置。

結(jié)合水利部門預案系統(tǒng)

  根據(jù)原有經(jīng)驗并參考行業(yè)要求對一些突發(fā)事件預先做出資源人力調(diào)配,并規(guī)定相應的處理流程即為預案,不同的現(xiàn)場信息會導致不同的預案。預案處理在水利部門是一個標準的工作流程,特別是在防汛抗洪過程中,預案能指導快速決策從而起到了至關(guān)重要的作用。其可分為幾種等級,最低等級為報警聯(lián)動,稍復雜的是固定處理流程,最復雜的是建立專家人工智能庫,對現(xiàn)場獲取的某些信息進行綜合考慮并給出專家意見。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,專家預案使用較少,主要采用固定處理流程的預案。

  視頻監(jiān)控系統(tǒng)在獲知現(xiàn)場情況的同時,應根據(jù)預案提供相應的資源分布圖,例如汛期的物資儲備情況、人員配備情況等并進一步通過系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場指揮。在系統(tǒng)設計過程中,應做到和資源數(shù)據(jù)庫的結(jié)合并實現(xiàn)雙向的語音對講,在條件允許的情況下,應和水利行業(yè)視頻會商系統(tǒng)相結(jié)合,真正做到監(jiān)控指揮一體化。產(chǎn)生報警后主要對視頻系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)進行聯(lián)動,同時處理相關(guān)數(shù)據(jù)形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,這樣就可供下節(jié)所論述的智能搜索引擎進行智能搜索。

智能化技術(shù)的逐漸應用

智能搜索引擎

  以往錄像檢索等工作是通過時間檢索,此種方式搜索時所花時間往往很長,為確定某個場景需要進行多次檢索,給工作人員帶來較多的工作負擔。為解決這一問題,在水利行業(yè)中逐漸出現(xiàn)了以事件檢索為主的檢索模式,如對一些專用水利事件(開關(guān)閘門等)進行分類檢索并連動回放。這些事件信息可存放在專門的數(shù)據(jù)庫文件中,并與視頻信息關(guān)聯(lián),也可作為附加信息或用戶信息嵌在視頻流中,通過數(shù)據(jù)庫檢索或視頻流搜索獲得事件信息。該事件信息也可通過智能視頻檢測獲得,從而實現(xiàn)更為有效和智能化的事件記錄和檢索模式。圖5為通過水雨情信息檢索錄像的界面示意,水雨情信息可直接通過查詢事件獲得,并直接回放此時的錄像,對于開關(guān)閘門等事件也可按照此種方式檢索錄像。

水利專用的智能視頻檢測技術(shù)

智能視頻檢測技術(shù)近幾年逐漸從理論階段走向?qū)嵱貌⒊蔀槲磥硪曨l監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù),視頻檢測已經(jīng)在很多行業(yè)中獲得了應用,根據(jù)筆者的經(jīng)驗,在行業(yè)應用中要推進

智能視頻檢測技術(shù)需要注意以下幾個方面: 對于水利行業(yè)而言,在技術(shù)上須對著重解決以下問題。   水利行業(yè)中智能視頻檢測技術(shù)的應用可細分為以下幾個方面,針對不同應用需對算法進行適應性設計。

1、閘門開閉檢測

  水利工程中閘門各種各樣,有分洪閘、沖沙閘、節(jié)制閘、船閘等,由于閘門在開閉過程中受力巨大,容易損壞,常會出現(xiàn)開閉不到位、卡死等情況,一種解決方案是采用閘門開閉檢測開關(guān),但有時閘門需要運行在半閉狀態(tài),此時開閉檢測開關(guān)就不易檢測了。智能視頻監(jiān)控能有效地解決這個問題,使得閘門不間斷自動監(jiān)測成為可能。由于閘門在開閉狀態(tài)下圖像內(nèi)容不同,通過檢測與閘門開啟有關(guān)的特征點在圖像上的位置,如檢測閘門上部傳動部分,就可利用視頻分析檢測閘門狀態(tài)。

  系統(tǒng)還可以采用基于分割的跟蹤算法檢測閘門處的水位高低,在應用中先用分水嶺算法等進行圖像分割,而后基于模型進行區(qū)域合并和跟蹤。一旦檢測到閘門狀態(tài)異常,或水位超過設定值(通過對水位標尺的比對實現(xiàn)),則立即發(fā)出報警信號。

2、決堤、漫溢檢測

  在汛期中,決堤或水漫過溢出堤壩會引起嚴重后果,必須密切監(jiān)視,視頻監(jiān)控使得無須在現(xiàn)場就可不間斷監(jiān)視,但長長的堤壩需要大量的攝像機和監(jiān)視器,也就需要大量的監(jiān)控值班人員,智能視頻監(jiān)控可實現(xiàn)決堤、漫溢自動檢測和預警。由于在發(fā)生決堤或水漫出堤壩時,圖像內(nèi)容會發(fā)生改變,通過對圖像內(nèi)容的分析,包括差分檢測、紋理分析等手段,就可檢測是否出現(xiàn)決堤、水漫堤壩的現(xiàn)象。系統(tǒng)通過水位檢測,并與設定的警戒線比較,也可在水漫堤壩前發(fā)出預警,為工作人員提供一定的處理時間。

3、人體檢測

  現(xiàn)實生活中,每年都有人因越過堤壩游泳或進入水利禁區(qū)造成人員傷亡,如每年在錢塘江堤壩處由于違規(guī)觀潮導致人員傷亡的事故屢見不鮮,人體檢測技術(shù)可在有人翻越堤壩時及時報警,從而避免惡性事故的發(fā)生。

  人體檢測主要采用活動目標分割、跟蹤、檢測等技術(shù)。一般為靜止場景,容易采用高斯模型或差分檢測實現(xiàn)背景提取,從而利用減背景方法實現(xiàn)活動目標分割,實現(xiàn)警戒區(qū)域入侵檢測和報警。進一步,對于檢測到的活動目標采用Harr特征分析,利用AdaBoost和支持向量機等技術(shù)可實現(xiàn)是否是人體的判別,從而實現(xiàn)只對活動人體目標的檢測。通過對人體目標的進行一步特征分析,如服飾顏色、人臉特征等,還可實現(xiàn)多攝像機間的目標交接和跟蹤。可以在堤岸和禁區(qū)設置視頻警戒線并應用以上技術(shù),從而檢測到有人翻越堤壩、進入堤岸或水域時及時發(fā)出報警。

總結(jié)

  隨著系統(tǒng)應用的逐漸深化和擴展,水利行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸朝數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展,應用面越來越廣,大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)的流域監(jiān)控成為發(fā)展趨勢,利用各種無線通信技術(shù)擴展監(jiān)控范圍和預案提高快速決策和應急指揮能力,利用智能視頻檢測技術(shù)提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程度,將成為未來水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要特征。特別是智能化技術(shù)使大規(guī)模視頻監(jiān)控更具實用意義,可大幅節(jié)省人力和監(jiān)視設備,在水利行業(yè)的應用將有廣闊的前景,并推進水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)向智能化的綜合管理系統(tǒng)發(fā)展。在此過程中,各個參與其中的廠家應針對水利行業(yè)的特殊需求和環(huán)境進行深入開發(fā)并推出適用的設備和軟件平臺,和水利管理部門一起推進視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利行業(yè)的應用和發(fā)展。

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