張曉光

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071000)

國家電力調(diào)度通訊中心要求現(xiàn)有的變電站在條件成熟時，逐步實現(xiàn)無人值班，以提高生產(chǎn)效益，因此新建變電站要按照無人值班方式設(shè)計.目前的技術(shù)路徑是將變電站的視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)由變電站的前端設(shè)備采集編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后由監(jiān)控中心對接收到的視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、存儲和管理.對于無人值守的變電站，電力監(jiān)控部門需要實時地更新變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，也需要對現(xiàn)場圖像、聲音及相關(guān)設(shè)備的遠程監(jiān)視圖像進行監(jiān)控.特別是要實時地看到各變電站的變壓器、閘、控制柜，以及變電站場景，同時要監(jiān)視無人值守變電站的安防情況.

無人值守的變電站的有關(guān)信息需要通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中考慮到成本等因素，一個中型無人值守的變電站需要100 Mb/s以上的帶寬，所以無法為每路信號提供足夠的高清信號帶寬.當系統(tǒng)需要傳送大量的高清圖像時，會引起網(wǎng)絡(luò)時延增加，造成數(shù)據(jù)包丟失，形成網(wǎng)絡(luò)阻塞.因此，研究在有限帶寬的情況下，保證重要數(shù)據(jù)的發(fā)送，以解決網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象是十分必要的.

1 網(wǎng)絡(luò)視頻流的擁塞

安徽省南部山區(qū)較多，受條件限制，無人值守的變電站采用的監(jiān)控技術(shù)方案是一個中心監(jiān)控多個無人值班的變電站.這一方案中的網(wǎng)絡(luò)需要多個節(jié)點，所以網(wǎng)絡(luò)帶寬無法滿足全部高清圖像的要求.安徽省的無人值班變電站采用的是設(shè)備與安防的聯(lián)合監(jiān)控模式.變電站在普通監(jiān)控條件下，僅僅需要普通標清模式的圖像.當發(fā)生以下情況時，對應的視頻需切換到高清模式進行圖像傳送.

(1)變電站控制閘刀狀態(tài)發(fā)生變化，尤其是從斷開到合上的過程.

(2)變壓器等設(shè)備發(fā)生火災.

(3)發(fā)生非法闖入的情況時，需將多個設(shè)備切換成高清模式，網(wǎng)絡(luò)壓力最大.因為受物理距離特別是投資成本的限制，視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)無法為每一路視頻保證足夠的高清帶寬，當傳送模式從標清變化到高清模式，而帶寬不夠時，會造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象.對于網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸來說，最重要的信道特性是發(fā)送端到接收端之間的時延、網(wǎng)絡(luò)可用帶寬和網(wǎng)絡(luò)丟包率.

針對以上網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，目前主要采用基于終端和基于網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸?shù)膿砣鉀Q方案［1-4］.在終端系統(tǒng)中，通常依靠緩沖調(diào)整的方式來解決時延抖動問題［5］.對于網(wǎng)絡(luò)可用帶寬和數(shù)據(jù)包丟失問題，目前最常用的兩種解決方案是速率控制和差錯控制.速率控制算法可以事先估算出網(wǎng)絡(luò)的當前可用帶寬，通過調(diào)整發(fā)送端的編碼速率和發(fā)送速率來適應網(wǎng)絡(luò).對于網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題，其解決方案主要是進行帶寬管理，一般采用資源預留管理和優(yōu)先級管理方案［6］.

2 野外變電站視頻監(jiān)控拓撲

野外變電站的視頻傳送距離遠，而且會經(jīng)過多級路由設(shè)備，為了保證對其進行有效監(jiān)控，必須建立一個有效的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略.建立策略前，必須要掌握準確的網(wǎng)絡(luò)狀況信息和網(wǎng)絡(luò)擁塞信息的反饋.這兩部分信息可以在路由器、交換機，以及視頻服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)采集.圖1和圖2分別是變電站內(nèi)部視頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意.

圖1 變電站的內(nèi)部視頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意

3 視頻監(jiān)控策略

考慮到安徽省的經(jīng)濟條件和地理環(huán)境，以及其網(wǎng)絡(luò)端點都配有服務(wù)器的特點，對變電站采用了改進的自適應網(wǎng)絡(luò)擁塞解決策略.本系統(tǒng)的特點是:在正常情況下，變電站設(shè)備工作正常，網(wǎng)絡(luò)流量比直接傳送圖像的流量增加約13%;在突發(fā)情況下，可以調(diào)節(jié)信號對應的流量，保證重要信號的清晰度.自適應網(wǎng)絡(luò)擁塞控制流程見圖3.

圖3 自適應網(wǎng)絡(luò)擁塞控制流程

由圖3可以看出，自適應網(wǎng)絡(luò)擁塞工作流程為4個步驟.

(1)建立網(wǎng)絡(luò)連接后，發(fā)送端開始向接收端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包中含有時間戳、發(fā)送序號等一系列相關(guān)信息.

(2)接收端收到視頻數(shù)據(jù)包后，提取數(shù)據(jù)進行視頻解碼操作，同時根據(jù)數(shù)據(jù)包中的時間戳、發(fā)送序號等信息，計算出數(shù)據(jù)包丟失率、瓶頸帶寬等參數(shù)，并傳送給發(fā)送端.

(3)發(fā)送端的自適應擁塞控制模塊根據(jù)接收端反饋回來的網(wǎng)絡(luò)狀況信息，估算出當前網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率和視頻編碼操作.

(4)發(fā)送端根據(jù)調(diào)整后的編碼器參數(shù)進行視頻編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送等工作.

調(diào)整發(fā)送機制的關(guān)鍵是獲取有關(guān)網(wǎng)絡(luò)和視頻流的丟包情況，有關(guān)數(shù)據(jù)可以通過以下計算得到.本視頻監(jiān)控系統(tǒng)的自適應網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的設(shè)計采用了TFRC模型，通過反饋參數(shù)來推算出合適的視頻發(fā)送速率.

TFRC的穩(wěn)態(tài)速率計算公式為:

式中:s——TCP報文大小，db;

p——丟失事件率;

t0——數(shù)據(jù)報文的超過時間;

tR——數(shù)據(jù)報文的環(huán)路時間，其中R為數(shù)據(jù)報文的環(huán)路;

b——一個應答所接收到的報文數(shù)，b=1.

丟失事件是根據(jù)接收端網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測模塊監(jiān)測丟包的情況來判斷的，如果本次監(jiān)測到的丟包和上一次發(fā)生丟包的時間間隔超過tR，那么這個新監(jiān)測到的丟包就不屬于上一次丟失事件的發(fā)送窗口，而是有新的丟失事件發(fā)生，要進行丟失間隔計算.

本系統(tǒng)取最近的8個丟包事件，計算其加權(quán)平均值:

式中:W(i)——丟失間隔的加權(quán)系數(shù);

LI(i)——丟失間隔，在相鄰兩個丟失事件之間接收到的包數(shù)量.

計算丟失事件率為:

根據(jù)丟失事件率的算法，在出現(xiàn)個別、非連續(xù)的丟包情況時，丟失事件率不會發(fā)生太大的變化，在丟失率上升時，速率值的下降也比較緩慢，可以比較準確地反應網(wǎng)絡(luò)當前的擁塞情況.

為了計算報文的往返時間tR和超過時間t0，接收方發(fā)送的反饋信息內(nèi)需加上最近接收到的一個報文的序號以及收到這個報文的時間.若取超過時間t0為4tR，發(fā)送端在時間點為tt時向接收端發(fā)送了一個數(shù)據(jù)包，隨后在收到N個含有時間戳tt的數(shù)據(jù)包后，可以進行客戶端瓶頸帶寬的計算，即:

式中:B——網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬值;

C(i ——第i個數(shù)據(jù)包的大小，Byte.

tt——數(shù)據(jù)包發(fā)送時間戳;

tN——接收到第N個數(shù)據(jù)包的時間;

t1——接收到第一個數(shù)據(jù)包的時間.

視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略見圖4.

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略

采用以上自適應策略后，當控制中心發(fā)現(xiàn)需要將某些信號從標清視頻切換成高清視頻時，就可以利用后端控制系統(tǒng)修改其余標清視頻對應的時間戳，通知其對應的發(fā)送端降低流量，騰出帶寬給重要的高清視頻，從而保證重要信號的帶寬，避免網(wǎng)絡(luò)阻塞的出現(xiàn).

4 結(jié)語

本系統(tǒng)已于2009年投入運行，經(jīng)過多次嚴格的測試和實際運行，整體情況良好.在某次重要路由節(jié)點設(shè)備故障的情況下，通過調(diào)整時間戳的方式，降低了所有標清圖像的流量，避免了網(wǎng)絡(luò)阻塞，保證了監(jiān)控的實時性.

［1］朱孟忠，胡春來，和思銘.基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電腦知識與技術(shù)，2010，6(15):4 168-4 169.

［2］羅毅，涂光瑜，張錦輝，等.變電站綜合信息化數(shù)字傳輸方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001(8):42-44.

［3］庾晉，白木，周潔.多媒體通信技術(shù)的重要應用［J］.電力系統(tǒng)通信，2001(12):17-25.

［4］楊剛，楊仁剛，郭喜慶.嵌入式以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)智能化電氣設(shè)備上的實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(3):74-76.

［5］楊鵬，趙琦，孔鑫，等.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點［J］.微計算機信息，2006，22(1-2):32-33.

［6］陶蒙華.IP視頻通信的服務(wù)質(zhì)量及其關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京:北京郵電大學，2002.