李大偉

【摘 要】當前高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及智能化科技的快速發(fā)展，對電廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應用的要求明顯提升。論文通過分析國內(nèi)首個百萬千瓦級核電站對高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用經(jīng)驗，對可視化系統(tǒng)在電廠智能化應用方面的價值意義進行了分析。

【Abstract】With the rapid development of high-definition digital video monitoring system and intelligent technology， the requirements for the design and application of video monitoring system in power plants have been significantly improved. This paper analyzes the application experience of high-definition video monitoring system in the first domestic nuclear power plant with a million kilowatts， and analyzes the value and significance of the visualization system in the intelligent application of the power plants.

【關(guān)鍵詞】視頻監(jiān)控;可視化;網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu);數(shù)字化高清;多電廠互聯(lián)

【Keywords】video monitoring; visualization; networked architecture; digital high-definition; multi-power plant interconnection

【中圖分類號】TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0139-03

1 引言

隨著科技水平的快速發(fā)展，數(shù)字化智能技術(shù)產(chǎn)品成為當今社會主流，軟硬件成本也不斷在下降。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品于幾年前已體現(xiàn)出超越傳統(tǒng)模擬技術(shù)設(shè)備的條件。出于對未來智能化智慧應用的考慮，核電行業(yè)提出了可視化電廠的概念，期望建設(shè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的智能化前端信息采集系統(tǒng)平臺。初步實現(xiàn)實時監(jiān)測現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域的安全狀態(tài)與作業(yè)人員的安全行為，感知現(xiàn)場作業(yè);實時監(jiān)視重要設(shè)備與廠房的狀態(tài)，感知現(xiàn)場數(shù)據(jù)與條件;實時輔助監(jiān)視火情，對火警執(zhí)行復核，感知現(xiàn)場異常;實時監(jiān)控輻射防護邊界，控制邊界完整;配合其他電子化工作優(yōu)化內(nèi)容的實現(xiàn)，從而實現(xiàn)電廠對集中管控、降本增效、群堆管理、運行安全等方面運營水平提升的需求。大亞灣核電基地是首個啟動可視化電廠系統(tǒng)設(shè)計與實施的百萬千瓦級核電站群。

核電站對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用，在目的與需求上較其他行業(yè)存在比較明顯的差異，導致其軟件功能開發(fā)需求較為特殊，需要與核電站日常與大修生產(chǎn)運行、輻射監(jiān)管、核安全法規(guī)管控、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計等級與安裝規(guī)范等掛接，大部分功能均為定制研發(fā)。本文以視頻監(jiān)控系統(tǒng)在大亞灣核電基地可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)當中的應用研究為題，在分析電廠對視頻監(jiān)控實際需求與國內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出對電廠視頻監(jiān)控的總體設(shè)計方案，闡述管理與技術(shù)相互承接的思路方案，最終實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控管理，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題，進而改善管理規(guī)則，提高企業(yè)生產(chǎn)效能，保障安全。

2 研究背景

視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了四個主要發(fā)展階段：第一階段是模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是矩陣計算，但傳輸范圍比較小，距離短，沒有遠程訪問的能力;第二階段是半數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，它是以硬盤錄像為基礎(chǔ)，使用計算機的多媒體監(jiān)控技術(shù)，音視頻采集的質(zhì)量較高，存儲形式也以數(shù)字形式存儲，處理信息的能力大大提高;第三階段是全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它是基于網(wǎng)絡(luò)和 Web 服務(wù)器的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在遠距離就可對設(shè)備進行控制與訪問，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)比較，全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控畫面清晰、存儲時間長、可以遠程預覽以及在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)音視頻的傳輸、壓縮、解碼、存儲、播放和錄播等功能等優(yōu)勢，大大改變了視頻監(jiān)控的新模式;第四階段是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用各種算法，可以對目標進行定位、鎖定、跟蹤，并具有人臉識別、入侵檢測、智能分析、火災檢測等功能。視頻監(jiān)控發(fā)展如圖1所示。

在2014年前后，核電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)還主要應用于安防場景，設(shè)備基于模擬攝像技術(shù)，處于第2代產(chǎn)品向第3代過渡時期，高清數(shù)字化產(chǎn)品雖已出現(xiàn)，但尚未實現(xiàn)成熟的大批量工業(yè)應用，整體成本過高，難以實現(xiàn)大范圍應用。但很快的，高清數(shù)字化視頻監(jiān)控的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)均開始成熟，具備了多場景應用的條件，第3代視頻技術(shù)已全面到來，同時受到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)火熱發(fā)展的影響，第4代技術(shù)已出現(xiàn)雛形，各個子系統(tǒng)的互聯(lián)互通成為了可能。在此時技術(shù)、經(jīng)濟及社會快速發(fā)展的大環(huán)境下，電力、交通運輸、公安、銀行等行業(yè)作為主要用戶群體，都開始了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各自領(lǐng)域的開發(fā)與應用。

除了安防，核電站的生產(chǎn)區(qū)是其核心區(qū)域和重點監(jiān)控區(qū)域，關(guān)系著電廠的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行，對其運營業(yè)績有著直接的影響，故需要布置全面的視頻監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)可視化電廠的需求。同時，國內(nèi)核電基地建設(shè)全面開展，群堆模式下的運營管理需要充分考慮，因此，網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能滿足高級人員遠程技術(shù)支持的視頻使用要求。

3 國內(nèi)外視頻監(jiān)控產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，有兩種監(jiān)控方式是智能視頻系統(tǒng)所采用的，一種是基于硬件的，一種是基于軟件的。硬件形式以國外產(chǎn)品為主，軟件形式則以國內(nèi)產(chǎn)品為主。硬件形式的優(yōu)點主要是分擔了后臺軟件處理的負擔，但可執(zhí)行的功能受限明顯，二次開發(fā)升級難度大，而軟件形式則是集中承擔了全部的分析任務(wù)，后臺服務(wù)器壓力大，容易造成卡頓等問題，但功能升級更為簡易，無需不斷升級前端硬件。依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，國內(nèi)目前處于創(chuàng)新領(lǐng)先的階段，功能開發(fā)定制需求較強，基于軟件技術(shù)形式的智能視頻系統(tǒng)更加符合國內(nèi)使用需要。

歐美嚴格完善的質(zhì)保控制體系，使得其軟硬件視頻監(jiān)控設(shè)備主要在穩(wěn)定性上占有絕對優(yōu)勢，使用時成熟可靠。國外知名硬件廠商有：Bosch、安訊士Axis、威智倫Avigilon等，軟件管理平臺有：Genetec、Bosch等。

國內(nèi)知名硬件廠商為：海康威視、大華等，軟件管理平臺為：東方網(wǎng)力、宇視科技、商湯科技等。依據(jù)使用經(jīng)驗，國內(nèi)硬件產(chǎn)品如海康威視，其設(shè)備型號制定對用戶不夠友好，采購過程可能存在潛在影響，而軟件平臺方面，則受到國內(nèi)大量開發(fā)應用的利好，整體開發(fā)設(shè)計水平較為理想。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以核電基地為單位，每個基地均通過獨立內(nèi)網(wǎng)組建生產(chǎn)大區(qū)內(nèi)的可視化電廠平臺。各內(nèi)網(wǎng)通過上級管理大區(qū)網(wǎng)絡(luò)（如辦公局域網(wǎng)），在滿足信息安全管理要求的條件下形成互通，為授權(quán)用戶提供實時的圖像信息。

對于大亞灣可視化系統(tǒng)，采用基于PoE供電的網(wǎng)絡(luò)高清攝像設(shè)備，各區(qū)域分布交換機進行聯(lián)網(wǎng)，形成現(xiàn)場接入層。系統(tǒng)中心通過萬兆交換機將全部視頻信息匯總管理、分配及存儲。

4.1.1 視頻采集終端

主要采用1080P的球型一體化攝像機，以及720P/1080P的槍式固定攝像機，配合使用水下攝像機、紅外攝像機等設(shè)備。根據(jù)大亞灣核電基地內(nèi)3個百萬千瓦核電站的可視化系統(tǒng)應用經(jīng)驗，每個電站（含2個獨立機組以及公用系統(tǒng)）安裝布置400臺左右的視頻終端，可基本覆蓋生產(chǎn)監(jiān)控需求。

此外，基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的個人便攜式視頻設(shè)備、車載視頻設(shè)備、機器人動態(tài)視頻等，也可根據(jù)使用場景補充使用。同時結(jié)合會議室系統(tǒng)的接入，可以實現(xiàn)專家遠程支持與診斷功能。目前5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，其傳輸帶寬上的提升更加符合高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，有效避免系統(tǒng)瓶頸。

4.1.2 視頻主控中心

視頻監(jiān)控主控中心布置了各類服務(wù)器與存儲陣列，是可視化系統(tǒng)的核心。

此中心需要較為專業(yè)化的房間環(huán)境，如通風散熱、防靜電與干擾、振動等。其中根據(jù)實際使用情況，存儲環(huán)節(jié)較為容易出現(xiàn)故障，其主要原因為磁盤陣列內(nèi)硬盤較多，振動增強引起。目前，存儲技術(shù)已升級至“云端”，存儲安全性得到了進一步提升，但隨著設(shè)備應用數(shù)量越來越大，需要提前在設(shè)計階段規(guī)劃好機房空間與設(shè)備分布，提升主控中心設(shè)備的運行穩(wěn)定性。

可視化系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)，涉及電站重要生產(chǎn)信息，數(shù)據(jù)控制應從嚴管理。

4.1.3 視頻管理軟件

由于視頻監(jiān)控軟件功能需要大量定制開發(fā)，推薦采用在其他行業(yè)視頻應用領(lǐng)域已積累足夠經(jīng)驗的國內(nèi)軟件平臺。大亞灣可視化系統(tǒng)由于起步較早，使用了當時業(yè)界排名第一的Genetec，其功能成熟穩(wěn)定，但均為涉及收費的授權(quán)管理，進行功能擴展時需要不斷采購權(quán)限，對項目開展與管理影響較為嚴重，且在涉及創(chuàng)新性功能開發(fā)時，由于其軟件升版開發(fā)成本較高，國外廠家響應較慢，甚至出現(xiàn)因中美貿(mào)易摩擦，廠家拒絕提供進一步授權(quán)服務(wù)的情況，越來越難以滿足項目應用需要。

同時，考慮到群堆管理需求，應關(guān)注視頻監(jiān)控軟件具備物聯(lián)網(wǎng)應用能力，更加適合在外網(wǎng)部分的應用，方便將各子系統(tǒng)在上游網(wǎng)絡(luò)進行整合。例如，在無紙化作業(yè)模式下，將流程與現(xiàn)場設(shè)備信息電子化后，集中在物聯(lián)網(wǎng)平臺進行管理與利用。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三個電站分別組建了一套全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，同時，為了能通過該系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)視三個電站的狀態(tài)，項目采用星型連接和分層的結(jié)構(gòu)，通過光纜將三電站互連，從而實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理，并且該系統(tǒng)可連接到上級網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)視頻信息的全網(wǎng)應用。

每廠的核心交換區(qū)域由1臺萬兆交換機組成，負責匯聚PoE交換機上傳的數(shù)據(jù)。交換機的端口工作模式為TRUNK模式。每臺交換機上將1080P、720P和存儲服務(wù)器的管理劃分不同的VLAN，網(wǎng)關(guān)都指向核心交換機，以便后期的維護和管理。

4.3 存儲模式

為了避免一個月高清錄像要求導致的超高存儲容量，需采取合理的錄像策略，既能保障不會“漏錄”重要畫面，又能最大程度地降低存儲容量是構(gòu)建一個高效，完善的存儲系統(tǒng)所必須要考慮的。

4.3.1 保證圖像清晰度的“抽幀”存儲

對于錄像而言，清晰度的重要性是遠遠高于連續(xù)性的。所以降低錄像存儲容量最直接的一個辦法就是降低圖像存儲的“幀率”。正常情況下，連續(xù)視頻是 25 幀/秒，但錄像服務(wù)支持“抽幀”存儲，幀率多級可選，且可以針對某個攝像機或者編碼器獨立設(shè)置存儲幀率。

4.3.2 按時間段存儲

錄像服務(wù)支持指定時間段內(nèi)進行存儲。時間段的起始點和終止點可精確到秒。

4.3.3 “事件”觸發(fā)存儲

可設(shè)定特定觸發(fā)條件來觸發(fā)存儲。

4.4 終端設(shè)備信號長距離傳輸

PoE形式下網(wǎng)絡(luò)信號傳輸，理論上未使用網(wǎng)絡(luò)延長器時傳輸距離為100m，使用延長器時增長至300m。保障信號質(zhì)量的前提下，實測無延長器安全傳輸距離為80m，使用延長器時安全傳輸距離為200m。超過200m距離的，需使用網(wǎng)絡(luò)光端機，中間通過光纖傳送信號。

4.5 工作站顯示授權(quán)管理

由于可視化系統(tǒng)供不同用戶使用，工作站需顯示內(nèi)容各不相同，故采用不同等級的賬號/密碼進行分類管理授權(quán)，為各個用戶提供不同的工作站顯示范圍。

5 結(jié)語

可視化電廠系統(tǒng)，是電站智能化的前端基礎(chǔ)應用，其猶如電站智能化系統(tǒng)的一雙眼睛，用于獲取電站的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其分析提供依據(jù)。電站運營管理人員，也需要可視化系統(tǒng)提供的實時信息，提高對設(shè)備問題的響應與處理速度，進而提升電站管理質(zhì)量。

本文以大亞灣核電基地內(nèi)三電站可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗為例，分析了互聯(lián)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)的關(guān)注要點，為今后可視化系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。且通過對現(xiàn)有可視化系統(tǒng)功能的分析，可以看到視頻監(jiān)控系統(tǒng)在未來還會有較大的擴展應用的空間，智能化管理具有非常強大的可塑性。隨著科技的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也會廣泛應用，有線與無線結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸速度也會加快，那么以往不便于安裝監(jiān)控的位置，采用無線技術(shù)會加速電站監(jiān)控的全覆蓋、無死角，進一步在電廠數(shù)字化建設(shè)中發(fā)揮強有力的作用。