黄河下游引黄涵闸远程视频监控系统项目设计方案

1 黄河下游引黄涵闸远程视频监控系统项目设计方案 第一章 系统设计综述 2001 年 ，黄河水利委员会启动一项旨在利用 “数字化 ”手段统一处理黄河问题、提升治黄科技含量和管理水平，推动黄河水利现代化的宏伟工程 “数字黄河 ”工程，预计到 2006 年基本完成框架建设， 2010 年建立全面的业务应用系统并投入运行。 2003 年 4 月水利部以“水规计（ 2003） 166 号”文正式批复了黄河水利委员会报送的“数字黄河”工程规划报告，这也是我国水利系统首家或水利部批复的数字流域规划。实施“数字调水”、“数字工管”是“数 字黄河”的重要内容。 “数字水调”建设中，通过对引黄涵闸进行技术改造，改变落后的管理方式，从而实现引黄涵闸的远程监控与监视，为黄河水量统一调度提供强有力的技术保障。引黄涵闸属于黄河大堤上的穿堤建筑物，位置重要，能否安全渡汛，直接关系到黄河的安危。在“数字工管”建设中，通过引黄涵闸技术改造，设置相应的安全检测设施，实时掌握涵闸工程安全状况，以防患于未然。 黄河属资源性缺水流域，水资源供需矛盾日益突出，黄河下游河道断流已成为黄河水资源管理与调度工作解决的一项重大课题。随着工农业和城市用水需求的增大，对黄河下游水 管与调度工作的要求越来越高，调度方案的实施与监督工作的难度也越来越大。因此，必须加强对引黄涵闸的监督管理，利用先进的传感器技术、微电子技术、计算机网络与通信技术、网络流媒体技术等，实现对黄河 2 下游引黄涵闸的远程监测、控制和监视，及时获取河道引水和工程状况信息，进行实时调度，对确保黄河防汛安全和黄河不断流、维持河流生命、促进下游社会经济的可持续发展具有重大意义。远程视频监视系统是黄河下游引黄涵闸远程监控系统的子系统，主要实施对涵闸现地闸前、闸后和闸室环境及设备状况进行全方位的远程实时监视，是远程涵闸监控系统建设 的重要内容之一。 我公司多年来一直从事集中监控系统的开发和研制工作，并成功地开发了通信机房、移动基站、无人值守变电站、公安和银行安防等数字图像监控系统，积累了丰富的监控系统开发和研制的经验。特别是在网络数字图像监控领域，在国内率先提出网络视频分布式接入、接出、视频调度管理、分布式共享访问等先进理念，并相继开发了基于 系列完全具有自主知识产权具有国内先进水平的系列产品，成功地应用于国内电力、电信、公安、交通等多个领域。根据黄河水利委员会远程涵闸视频监控系统的建设要求，建设一套 技术先进、运行安全可靠的远程视频监控系统，是我们的追求目标。 黄河下游引黄涵闸远程监视系统为水量调度部门的黄河水量调度中心、河南和山东水调分中心及两省所属的 13 个市级、 32 个县级分中心及闸管所等各级机构的用户提供对黄河下游引黄涵闸的远程监视功能，黄河下游引黄涵闸为 84 座，已建 19 座，待建 65 座（ 2003 年建设 42 座， 2004 年建设 22 座）。系统建成以后，将具有 1 个总监控中心、 2 个省监控分中心、 13 个地市监控分中心、 32 个县级分中心和 84 个闸管所视频监视站。 本次项目招标主要包括内容如下： 为 2003 年建设的 42 座引黄涵闸提供软硬件设备，包括：视频编码器（视频接入终端） 42 套（多路视频输入的编码器，数量为 42 套，单路数入的编码器为 126 套）； 市局视频服务器 13 台，省局视频服务器 2 台，黄委水调中心视频服务器 1 台，共计视频服务器 16 台； 3 黄委水调中心、河南和山东两省局视频解码器各 1 台，共计视频解码器三台，分别用于为监视大屏幕提供视频信号； 黄河下游引黄涵闸远程监视系统配套软件，包括视频服务器端软件 16套和远程监视终端软件（远程监视终端软件包括独立安装的视频终端软件及二次开发的相应接口函数或控件 ，不包括远程监视终端的硬件设备） 119 套，其中闸管所 42 个，县局分中心 32 个，市局的分中心 26 个（每个分中心配 2 个），省局分中心 8 个（每个分中心配 4 个），黄委配置 11 个。 在系统的设计过程中，我们遵循了国家与行业有关的设计规范和标准，具体 本方案设计时主要依据： 黄河水利委员会招标采购黄委远程涵闸视频监视系统视频服务设备和相应软件项目招标文件，亚太招标邀 200333 根据项目的技术要求，系统遵循以下原则设计，确保研制系统的完整性、先进性、实用性、 可靠性、开放性和可扩性。 1规范化 系统设计依据最新的国际标准、国家标准和行业标准，遵守开放的原则。系统设计有外部接口，很容易与其他应用系统共享数据，实现无缝衔接。 2安全可靠性 建立完善的网络与信息安全保障体系，确保系统运行有高度的可靠性和 4 安全性。 使用消息队列、数据冗余等技术保证数据的完整性，即使在网络暂时中断时也不会丢失数据。 3控制优先级 使用全局统一的逻辑授权机制，保证全局同步更新授权，避免造成控制混乱。 4实用性 采用成熟的技术，并结合黄河下游引黄涵闸远程监控系统的实际需要，“量身订做 ”的设计出一套最适合于黄河各级水调部门的监控系统。遥测、遥视、遥控功能三位一体，功能强大，性能优良、界面醒目、友好，系统各种操作简单、易学易用。 5先进性 采用成熟的先进技术，保证具有较好的先进性、实用性和较长的生命周期。要充分考虑到现代信息技术的飞速发展，使系统具有较强的开放性，为技术更新、功能升级留有余地。 6可扩展性 系统采用模块化设计，具有较强的扩展性， 可以方便的实现规模的扩充和业务的延伸。 软件 支持 在 线 升级 、 扩充，可实现平稳过渡。 7可维护性 系统设计时充分考虑到系统的可维护性，可实现远程维护 ，具有维护操作简单、维护工作量小的特点。 8经济性 系统开发运行平台均采用当今最为通用的各种操作系统和开发工具，充分利用了我们在其他监控领域中成功应用的中间件和模块，大大减少在系统平台方面的投入，具有极高的性能价格比。 统建设目标 系统的总体建设目标是：以成熟的高新技术为支撑，借鉴当今先进的管理技 5 术和管理手段，建设一个具有一定实用性、先进性、可靠性、开放性的“引黄涵闸远程视频监控系统”。系统依托于黄委黄河计算机广域网，以黄委水调中心为核心，连接省、地（市）、县三级河务局的水调管理部门，通过授权可 以在各级水调部门实现对百座引黄涵闸现地情况进行全方位的具有可视、可调的远程监控系统。 根据黄委各级水调部门的业务隶属关系，系统的组织结构如图 示。 6 图 统组织结构图 根据“系统需求规范”系统以黄委水调中心为核心，通过黄委广域网络连接省、地（市）、县三级河务局的水调管理部门和下游各涵闸现地监控点，实施对涵闸现地的闸前、闸后和闸室环境和设备状况进行全方位的视频监控。各 级水调 7 管理部门根据授权，皆可对现地视频进行远程共享访问控制。其视频共享访问功能如下： 视频监视 视频监视就是在黄委各级水调部门，利用黄河计算机广域网，通过各级视频服务器系统，能够实现监视引黄涵闸的闸前、闸后和闸室图象。闸前监视点可以观察闸前、河道的状态；闸后监视点可以观察闸后引水情况；闸室监视点可以观察启闭机的工作状态和机房的状况。系统具有单路或多路图像同时监视功能。 视频控制 视频控制就是控制涵闸现地三个摄像机的云台、镜头、雨刷和照明灯，达到最好的监视效果。控制动作包括： 摄像机的左、右、上、下转动 光圈 调节 焦距调节 雨刷控制 照明灯控制 视频录象和画面捕捉功能 视频录象是把要监控的视频信号保存为视频文件，以便查询；视频捕捉是指在远程视频监视时，根据需要随时能够进行涵闸现场重要图像的画面捕捉，以便仔细观察、记录保存和打印存档。 从触发机制上分，录象分为三种：手工、定时和联动录象。 手工录象是操作人员根据工作需要对涵闸进行的随机录象； 定时录象是系统在某个规定的时间区间对涵闸进行自动录象； 联动录象是指系统可与涵闸状态监控系统进行联动控制录象。当发生特殊事件时，系统会自动触发录象功能，对该时刻的涵闸进行录象 。触发录象的特殊事件包括： 报警事件 闸门控制事件等。 8 系统管理维护功能 系统管理维护功能是指系统各级管理员，根据授权通过管理终端可对其所辖范围内的系统进行管理和维护操作，包括：站点和设备管理和维护、用户管理与维护、系统维护等。 像压缩技术 视音频是流特性业务，数据量很大，未压缩的视频在 传输的效果是无法容忍的，而且会很容易地将网络资源吞没，造成网络拥塞甚至崩溃。因此， 频通信的第一步就是视频压缩。 视频压缩编码的理论基础是 信息论。压缩就是从时域、空域两方面去除冗余信息，即将可推知的确定信息去掉。编码方法大致可分为三类： 换编码方法、矢量量化编码方法、子带 于图像轮廓 /纹理的编码方法； 用的分形编码、基于模块的编码方法。 在 音频通信应用中，编码方法的选择不但要考虑到压缩比、信噪比，还要考虑到算法的复杂性。太复杂的编码算法可能会产生较高的 压缩比，但也会带来较大的计算开销，软件实现时会影响通信的实时性。目前，在众多视频编码算法中，影响最大并被广泛应用的算法标准是 准概况 (1) 活动图像专家组（ 1991 年 11 月提出了 172 标准草案，通称 准。该标准于 1992 年 11 月通过， 1993 年 8 月公布。它是为工业级标准而设计的，可适用于不同带宽的设备，如 等。 编码速率 最高可达 4s。 (2) 1995 年出台的 3818），它所追求的是 议的图像质量，即为 制定的 3运动图像及其伴音的编码标准。 式下的分辨率可达 720486 ， 可提供广播级的视像和 的音质。 音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道，和多达 7 个伴音声道（ 有 8 种语言配音的原因）。同时，由于 出色性能表现，已能适用于 得原打算为 计的没出世就被抛弃了。 对于最终用户来说，由于电视机分辨率限制， 带来的高清晰度画面质量（如 面）在电视上效果并不明显，倒是其音频特性（如重低音，多伴音声道等）更引人注目。 (3) 家组继成功定义了 后，于 1994 年开始制定全新的 4496)标准。 准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多 媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，用于实现音视频（ 据的有效编码及更为灵活的存取。 图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。据此目标， 入了 象，使得更多的交互操作成为可能。 频格式大大优于 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低。主要的原因在 用了 级编码效率 )技术，它是一套首次使用于 编码运算规则。与 关的目标定向可以启用很低的数据率。这可以将整部视频电影以完全 者 分辨率与立体声 (16 位 , 48 储在单个 。具体而言： 700 容量对多数 110 分钟的电影来说绰绰有余了，而 式的电影在相同的分辨率下需要约 11 倍以上的储存 10 空间。当 数据率加倍至接近真正的特性时， 以在声频与视频流上在广泛的领域上升级。 当视频在 5 s 与 10 s 之间变化时，声频信号可以在 2 s 与 24 s 之间进行处理。由于这种可升级性，声频与视频数据可以经专门调整适应真正的环境。 另外，由于 准均为高层媒体的表示与结构标准，其交互性及灵活性较低。而计算机网络具有很高的灵活性和交互性，但它遵循的标准却与 准不兼容。 制订有效的促进三网的融合。 一个重要概念是视频对象（ 一幅图像的编码时分割成很多任意形状的 别对各行帧内、帧间编码。必要时只传输某些 大地提高了传输效率。如果视频没进行分割，那么编码结构就退化为只处理标准矩 形的一层，这种处理方式与 准类似，从而达到与 兼容。 最低码率可达到 5开发低码率编码的同时，更注重具体视频对象的交互性和可操作性，并对多媒体应用领域的各种编码进行兼容。 于 于对音视频对象（ 立编码，必须同时传送编码对象的组成结构信息 场景描述 ，它不属于 特征信息，仅表示场景中各 象之间的时空结构关系 。 场景描述 信息是独立传输的，解码时在解码端可改变选定 场景描述 参数，对图像和声音的有关内容进行编辑和操作。例如：增删某个对象、改变某个音视频对象的音调、激活分级编码信息等，编码端无需任何改变。 入了合成与自然混合编码（ 这样的合成编码不仅可极大地提高编码效率（可获得 1超低码率），可用于实现虚拟电视会议系统，丰富用户与场景的交互。 供了基于内容（对象）的随机存 取方式，在有限的时间内能以较高的分辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。例如，可以一个序列中的某个音视频对象为目标进行快进搜索。 编码系统是开放的，适应各种不同的算法。解码器是可编程的， 11 各种解码工具可与信息内容本身一起下载。为众多媒体应用提供一个灵活的框架和一套开放的编码工具，供不同的应用选取。 仅能满足多媒体应用需求，对 互联网、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、对于内容存储和检索多媒系统、 的视频流等应用 也 必将产生深远影响。 2. 码 码是一种帧间预测减少时域冗余、变换编码减少空域冗余的混合编码方法，具有压缩比高、算法复杂度低等优点，得到较为广泛的应用。 重要应用工具之一 视频编码采用的就是 码算法。在 基础上， 1996 年 出了 码标准。 许多方面对 行了改进和扩充，如在编码算法复杂度增加很少的基础上， 提供更好的图像质量、更低的速率，十分适合于 频会议、可视电话应用。目前， 码是 频通信采用最多的一种编码方法，并已被许多多媒体通信终端标准所吸收 , 如： 随着计算机性能的快速提高，对于可视电话和视频会议等应用（一般使用像），纯软件编码器（ 可以满足应用要求。 软件编码器在主频为 166主机上编码帧率可达 60 帧 /秒以上，平均图像质量（用信噪比表示）大于 38 1998 年 出的 议的第二版，它提供了 12 个新的可协商模式和其他特征，进一步提高了压缩编码性能。如 有 5 种视频源格式， 许使用更多的源格式，图像形状和时钟频率也有多种选择，拓宽了应用范围；另一重要的改进是可扩展性，它允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信息在易误码、易丢包异构网络环境下的传输。另外， 图像分段依赖性也可以是受限的，以减少差错传播。 的不受限运动矢量模式进行了改进，加上 12 个新增的可选模式，不仅提高了编码性能，而且增 强了应用的灵活性。 12 压缩标准 络占用带宽 14信网络 10M/100宽带网络 普通电话线 及以上 普通电话线及以 上 图像清晰度 有马赛克现象 较好 有水波纹 有水波纹 很好 图像实时性 25帧 /秒 30帧 /秒 15秒 15秒 15秒 网络延迟 2秒 3秒 应用领域 应用只局限于广播和影视方面 应用只局限于广播和影视方面，在用户带宽有限的情况下，建议使用 解码标准方式 视电话应用 视电话应用 动态图象、互联网、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、内容存储和检索多媒系统、 于面部表情模拟的虚拟会议、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视 优点 大面积运动图像有很好压缩效果 提供较好的视频和 数据率较低 数据率较低 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低 缺点 数据量大 ,解码后图像质量较差 数据量依然很大 ,不便存放和传输 图像压缩痕迹明显 运动物体边缘有水波纹 对压缩解码的机器性能要求较高 播技术 数字视频传输是人们利用视觉来获取信息的一种通信方式，它较之其它信息传递方式，具有确切性、直观性及高效率等特点。由于数字视频传输的大信息量和有限的传输带宽，使得视频的压缩编码、传输信道和网络协议的选择、 13 播技术（ 及基于 作平台的 软件实现成为基于网络的数字视频传输应用中的关键技术。 对于一个以计算机网络连接的视频监控系统，一个需要解决的问题是多个站点视频监控的网络通信问题，要求做到传输时延尽可能小，尽可能少地占用现有的网络带宽，并具有较好的站点数量规模化特性。本文在分析比较单播、广播和组播工作方式的基础上，指出了 播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义，并介绍了与组播密切相关的 址格式。 播、广播技术之比较 组播技术被认为是 术推广之后出现的最激动人心的网络技术之一。 组播是一种允许一个或多个发送者发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。 数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。 单播（ 传输：是指发送者发 送到单点传送地址的信息包只能发送到由这个地址标识的接口。 组播（ 输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。 广播（ 输：是指在 网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。 广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非 接收者的开销。 14 目前，使用得最为广泛的组播技术是 播技术是一种为优化使用网络资源而产生的技术，通常用于多点工作方式下的应用程序中，它是标准 络层协议技术的一个扩展。 从 1989 年提出的 P 的定义我们可以得知： 播的核心思想是 P 地址向一组主机发送数据（ ）。发送者仅仅向一个组地址发送信息，接收者只需加入到这个分组就可以接收信息，所 有的接收者接收的是同一个数据流，组中成员是动态的，可以根据自己的意愿随时随意加入或退出。每一台主机都可以同时加入到多个组中，每一个组播地址可以在不同的端口或者不同的套接字（ 有多个数据流，同时许多实际应用可以共享一个组地址。 播技术可以有效地避免重复发送可能引起的广播风暴，并且能够突破路由器的限制，将数据包传送到其它网段。 常规的点对点通信方式下， N 个视频站点的视频传输至少要重复发送 相同的数据包，发送时延大，而且随着监控站点数量增长，时延就会迅速增 长。所以点对点的通信方式，不适于要求规模化、短时延的多点视频监控的网络传输。 另一方面，广播通信在局域网上要消耗所有机器上的资源，而在广域网上，全网广播耗用网络带宽大，定向广播的通信范围则受限于某一局域网，所以广播技术只适用于不跨越物理网段的视频监控网络传输。 一些物理网络及其软件实现技术支持有限范围内的多点投递方式，即组播。局域网组播利用物理网络保留的用于组播的地址进行多点通信。当一组机器要通信时，它们选择一个特殊的组播地址用于通信。在配置好网络接口硬件后，就能识别该组播地址，而组中的所有机器就会 收到送到该组播地址上的每个分组的拷贝。由于组播在网络硬件局部（如以太网网卡）就能区分多个不同组的通信，无须软件区分，所以比广播方式更能节省主机资源。 目前 乎成为数据通信和网络互连的最低一致协议， 议中的 播（ 互连网络中的不同硬件组播地址进行了抽象，形成了一 15 个可以跨越局域网的一致的组播接口，在物理网络上，能充分利用硬件的组播特性。在广域网通信上，它可以利用 路由协议，能保证在一条物理链路上始终只有一个数据拷贝，从而大大节约 带宽。 所以无论从局域网络和广域网络的通信方式看，还是从通信应用的开发一致性上看，利用 播来实现规模化的视频监控具有很大的优势。 播技术在多点视频数据传输方面的优势 由于数字视频在网络传输时有着很大的数据吞吐量，如果使用端对端的 先，视频服务器必须始终保持在侦听状态，以了解每一个动态加入的客户端的服务请求，而套接字的侦听非常消耗系统的源，过于频繁的侦听容易造成系统的不稳定，同时还会影响视频传输的实时性，造成视频在网络中传输时出现频繁抖动，最 终影响视频传输的服务质量（ 其次，视频服务器面对不同的客户端的同一视频服务请求，需要进行重复发送， N 个客户端需要占用 N 倍的网络带宽资源，极大地浪费了网络带宽资源，如果控制不力，还会引起 网络阻塞 ，造成系统全面崩溃。 因此，在网络带宽环境能够无限满足视频传输需要的前提下，点对点传送和组播在性能上无本质差异，但是，这种理想状态基本上不会出现，否则除了研究网络带宽以外，其它的网络技术就失去了研究的基础和意义。我们设想在10局域网环境下，当只有 2 个或单个客户机提出视频服务请求时，二者无明显性 能差异；当有 3 个至 5 个客户机提出视频服务请求时，二者之间的差异就比较显著，采用点对点传送方式的视频服务器明显已经力不从心，网络丢包和延迟比较严重，接收端视频明显滞后、不连续；当有 5 个以上的客户机提出视频服务请求时，就造成了 网络阻塞 ，系统处于崩溃的边缘。 由此可见， 播技术在多点视频数据传输方面具有很大的优势，当某个点向网络中的多个 点发送同一视频数据时， 播技术可以减少不必要的重叠发送，与多次点对点的单播（ 比，减轻了系统和网络的负担，提高了 源和网络带宽的利用率 ，极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不论是源站点还是目的站点均使用同一程序，无客户机和服务 16 器之分，从而具有对等性。 播地址格式 址方案专门为组播划出一个地址范围，在 为 D 类地址， 将 D 类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址如下： 局部链接地址： 于局域网，路由器不转发属于此范围的 。 预留组播地址： 于全球范围或网络协议。 管理权限地址： 织内部使用，用于限制组播范围。 综上所述， 播技术比较符合多点、多网络平台和可扩展性的视频监控要求，而且可以实现跨楼宇范围的远程视频监控。由此可见， 播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义。 17 第二章 系统组成结构 系统总体设计上应该充分考虑既要满足各相关部门的使用要求、注重实效，又要做到稳定、可靠，操作简单，维护方便。为 此，我们根据系统网络的现实情况，构成五级组织结构（黄委、省、地市、县、闸管所）、三个管理层次（黄委、省、地市）的系统，其组成如图 示。 18 图 统组成结构 19 黄委监控总中心设置在黄委水调局，系统主要由主视频服务器、图像主控台、监控业务台、网络视频接出终端（视频解码器）和大屏幕显示系统等组成。 监控总中心主视频服务器，是整个系统视频调配和管理的中枢，主要实现整个系统配置管理和总监控中心的视频调配管理。 主视频服务器视频访问的工作模式分 为以下几种： 三级转发模式 三级转发模式，是指本级用户对前端视频的访问要经过地市级、省级和黄委中心各级视频服务器进行逐级转发来实现视频的传输。 当总监控中心图像控制台或图像客户端（分控终端）有图像访问请求时，首先通过主视频服务器查找该路视频是否已接入中心网络，如果已经接入，则将该路视频组播号发送给请求者，后者加入该组播即可实现对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上，中心视频服务器查找系统相关配置信息，向指定下级省监控分中心视频服务器发送图像访问请求信息，省监控分中心视频服务器收到该请求后， 如果该路视频已接入本级网络，则将该路视频直接传送到总中心主视频服务器，由中心主视频服务器完成用户的视频访问服务；如果该路视频没有接入省级网络，则向下级地市分监控中心视频服务器发送访问请求信息，地市监控分中心视频服务器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，则将该路视频直接传送到省监控分中心视频服务器，再将该路视频传送至总中心主视频服务器，由中心主视频服务器完成用户的视频访问服务；如果该路视频没有接入地市网络，则由地市分监控中心视频服务器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路 视频逐级上传至总中心主视频服务器，由中心主视频服务器完成用户的视频访问服务。在特殊情况下，如果下级某一分中心视频服务器出现故障，系统可跨级实现视频的传输。 二级转发模式 二级转发模式是指本级用户对前端视频的访问要经过地市级和黄委中心两 20 级视频服务器进行逐级转发来实现视频的传输。 当总监控中心图像控制台或图像客户端（分控终端）有图像访问请求时，首先通过主视频服务器查找该路视频是否已接入中心网络，如果已经接入，则将该路视频组播号发送给请求者，后者加入该组播即可实现对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上， 中心视频服务器查找系统相关配置信息，向该监控点所属的地市分监控中心视频服务器发送访问请求信息，地市监控分中心视频服务器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，则将该路视频直接传送至总中心主视频服务器，由中心主视频服务器完成用户的视频访问服务；如果该路视频没有接入地市网络，则由地市分监控中心视频服务器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至总中心主视频服务器，由中心主视频服务器完成用户的视频访问服务。 一级转发模式 该方式是指中心主视频服务器直接从涵闸现地（闸管所） 网络视频接入终端（视频编码器）获得视频信息，即由主视频服务器直接向涵闸现地视频编码器发送视频接入指令，由主视频服务器完成对用户的视频转发。 该种方式，由于视频只经过一级转发，视频延迟小。但是由于系统存在多级用户访问，很难实现全系统用户的优先权控制，对前端云台及摄像机镜头的控制不能保证控制的一致性。一般情况下，只有当省级和市级视频服务器都出现故障时，才采用该种方式。 直接传输模式 该方式是指用户直接从涵闸现地视频编码器直接获得视频信息。只有当中心系统管理员对前端视频编码器进行远程诊断时，才采用该种方式。 网 络视频接出终端（视频解码器）实现 1 路网络视频信号的解码输出，并将视频信号送大屏幕显示系统显示。网络视频接出终端可以随时接收网络视频服务器发送来的连接指令，实现指定视频信号的解码输出。 图像控制台实现总监控中心网络视频的输出切换控制和指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。 21 黄委直属各级部门领导以及各业务科室人员，经过授权，通过网络工作站，安装网络图像客户端控制软件，通过中心主视频服务器皆可实现对指定涵闸现地监控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台摄像机的控制和视频的录象控制。 省监控分中心有两个：河南局监控分中心和山东局监控分中心，分别设在省水调处。省级分监控中心主要由视频服务器、网络视频接出终端（视频解码器）、监控业务台等组成。 省级分监控中心视频服务器主要实现本省监控区域内监控视频的调度管理。省监控分中心视频的访问其工作方式主要包括以下几种： 二级转发模式 二级转发模式是指本级用户对前端视频的访问要经过地市级和省级两级视频服务器进行逐级转发来实现视频的传输。 当省监控中心图像控制台或图像客户端（分控终端）有图像访问请求时，首先通过省视频服务器查找该路视 频是否已接入中心网络，如果已经接入，则将该路视频组播号发送给请求者，后者加入该组播即可实现对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上，中心视频服务器查找系统相关配置信息，向该监控点所属的地市分监控中心视频服务器发送访问请求信息，地市监控分中心视频服务器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，则将该路视频直接传送至省视频服务器，由省视频服务器完成用户的视频访问服务；如果该路视频没有接入地市网络，则由地市分监控中心视频服务器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至省 视频服务器，由省视频服务器完成用户的视频访问服务。 一级转发模式 该方式是指省视频服务器直接从涵闸现地网络视频接入终端（视频编码器） 22 获得视频信息，即由省视频服务器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送视频接入指令，由省视频服务器完成对用户的视频转发。 该种方式，由于视频只经过一级转发，视频延迟小。但是由于系统存在多级用户访问，很难实现全系统用户的优先权控制，对前端云台及摄像机镜头的控制不能保证控制的一致性。一般情况下，只有当市级视频服务器出现故障时，才采用该种方式。 直接传输模式 该方式是指本级用户直接从涵闸 现地网络视频接入终端直接获得视频信息。只有当中心系统管理员对前端网络视频接入终端进行远程诊断时，才采用该种方式。 网络视频接出终端（视频解码器）实现 1 路网络视频信号的解码输出，并将视频信号送大屏幕显示系统显示。网络视频接出终端可以随时接收网络视频服务器发送来的连接指令，实现指定视频信号的解码输出。 监控业务台实现本级监控中心管辖区域指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。 省局各级领导及业务科室人员，经过授权，通过网络终端，安装网络图像客户端控制软件，通过省级视频服务器实现对指定涵闸现地监 控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台摄像机的控制和视频的录象控制。 地市监控分中心分别设在两个省局下辖的 13 个地市水调部门。地市监控分中心主要由视频服务器、监控业务台等组成。 地市分监控中心视频服务器主要实现本地市所辖区域内涵闸现地监控视频的调配管理。地市监控分中心视频的访问其工作方式主要包括以下几种： 一级转发模式 该方式是指地市视频服务器从涵闸现地网络视频接入终端（视频编码器）获 23 得视频信息，由地市视频服务器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送视频接入指令，并完成对用户 的视频转发。 当本级监控业务台或图像客户端（分控终端）有图像访问请求时，首先向视频调配服务器发送图像访问请求信息，视频调配服务器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，则将该路视频组播号发送给请求者，后者加入该组播即可实现对视频的访问；如果该路视频没有接入地市级网络，则向指定涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至地市视频服务器，由地市视频服务器完成用户的视频访问服务。 直接传输模式 该方式是指用户直接从涵闸现地视频接入终端（视频编码器）直接获得视频信息。只有当中心系统 管理员对前端网络视频接入终端进行远程诊断时，才采用该种方式。 分中心监控业务台实现本级监控中心管辖区域指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。 地市局各级领导及业务科室人员，经过授权，通过网络工作站，安装网络图像客户端控制软件，通过地市视频服务器实现对指定涵闸现地监控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台摄像机的控制和视频的录象控制。 县局分控终端安装专用的视频客户端软件（或在分控终端的涵闸设备监控系统中嵌入视频监控模块），通过系统授权，实现县局所辖闸管所的视 频监视。 县局用户通过登录上级地市局视频服务器，实现视频的共享访问。其用户授权管理由地市系统管理员进行。其视频的访问有以下方式： 直接访问模式：县局用户直接从涵闸现地视频接入终端（视频编码器）直接获得视频信息。 转发模式：即县局用户通过上级地市 视频服务器实现视频的共享访问。 24 管所） 涵闸现地视频监控系统分布在沿黄各闸管所。主要由网络视频接入终端（视频编码器），监控摄像机、云台及云台解码器、涵闸现地分控终端等组成。其系统组成结构如图 示。 每个闸管所配置三个摄像机，分别实施对 闸前、闸后、闸室环境及设备运行情况的监控。 闸前监视点可以观察闸前、河道的状态；闸后监视点可以观察闸后引水情况；闸室监视点可以观察启闭机的工作状态和机房的状况。 网络视频接入终端（视频编码器）是一个采用嵌入式系统设计，能够将 1 路模拟视频信号转换成 字视频编码并接入网络的高性能视频接入设备。网络视频接入终端具有 1 个 10/100M 以太网接口（ 一个视频输入接口（ 一个控制接口（ 一路透明数据传输通道（ 网络视频接入终端的以太网口可直接连接在闸管所网络 交换机（或网络集线器） 25 上；前端摄像机视频信号直接连接在网络视频接入终端的视频输入接口；前端云台解码器连接在其控制接口上，可通过网络实现对摄像机镜头、云台和灯光、雨刷等的远程控制。 涵闸现地分控终端安装专用的视频客户端软件（或在分控终端的涵闸设备监控系统中嵌入视频监控模块），通过系统授权，实现本闸管所的视频监视。 闸管所用户与县局用户相同。当涵闸与上级的通信中断时，可直接在视频编码器上获得监控视频。 26 第三章 系统软件设计 根据远程视频监控系统的结构和功能需求，整个系统视频信息流和 视频控制流程如图 示。 图 统视频信息流和视频控制流程 涵闸现地网络视频接入终端采集监控图像，并压缩成 地市级调配服务器调度管理下属各现地视频，并管理本级用户 省级调配服务器调度管理下属各地市现地视频，并管理本级用户 黄委主调配服务器管理所有现地视频（通过省局中心视频服务器），并管理本级用户 地市、县级 监控业务台 共享 访问 省级监控 业务台 共享 访问 黄委监控 业务台 共享 访问 视频流 视控流 视频流 视控流 视控流 视频流 27 根据宽带 络系统 的特点及 视频监控业务方面的要求，我们采用网络化分布式视频接入、 多级 分布式客户机 /服务器 架构、控制权限 集中管理、分布式存储与 共享的策略来实现。 网络化分布式视频接入 ，是指采用专用的视频接入设备就近将监控视频接入网络。 多级分布式客户机 /服务器架构 ，分别在黄委、省级、地市级 设置多级视频视频服务器，调度管理各级用户的请求。各级视频监控终端 只需通过网络连接到本级视频服务器，通过本级视频调配服务器获得所需视频流， 既可以避免网络因视频流量的增加而造成整个网络系统拥塞发生，保证整个网络系统的运行安全；又便于各业务职能部门对监控视频的共享访问和分布式控制管理。 控制权限 集中管理 ， 是指网络中各级用户统一接受权限管理，引入多用户优先级管理机制，避免控制冲突，保证各监控点控制的唯一性。 分布式 存储与 共享 ， 基于 络的分布式存储使得海量存储成为可能，并能够 满足多用户的共享需求。 视频流数据在各级视频服务器的统一调度管理下，从视频接入终端逐级向上发送相应的视 频流。本地的视频监控终端只需登录到本地的视频服务器即可以申请到权限所允许的图像。如果在逐级的各级调配之间发生连接中断时，上一级的视频服务器可以跳过断开连接的视频服务器和下一级视频服务器连接。 视频流的传输如图 示。 28 黄委主调配服务器省级调配服务器地市级调配服务器闸管所视频监控业务台视频监控业务台视频监控业务台县级视频监控业务台频流传输图 视频的控制采取统一的多优先级管理机制，系统设置全局统一的优先级别，各级视频服务器自动判断当前用户的优先级别，从而保证某个摄像机在特定时刻只有一个用户能够拥有控制权。优先级的判断与控制权的转换均为自动方式 ，即当有更高级别用户申请时，会自动获得摄像机的控制权 (如图 当前有控制权的用户退出时，系统自动选择下一个用户，并发生控制权的转移（如图 为防止某个级别高的用户长期占用系统的控制权，系统采用控制权锁定机制，即对具有控制权的用户系统自动锁定一个特定的时间段（缺省锁定时间为 30 分钟，锁定时间系统可设定），在该锁定时间内，该用户具有控制权，锁定时间到后或观察完成后，控制权锁定自动释放。 29 新 用 户 U 申 请 摄 像 机 机 C 的 控 制 权 用 户 为 U 的 优 先 级 大 于 用 户 V 用 户 U 的 优 先 级 小 于 用 户 知 用 户 U 没 有 控 制 权图 制权获得流程 用 户 U 有 摄 像 机 C 控 制 权用 户 U 停 止 摄 像 机 C 的 监 视选择当前监视摄像机C 的最高优先级用户用 户 U 转 交 控 制 权 给 当 前最高优先级用户图 制权转移流程 30 统软件组成 黄委引黄涵闸远程视频监控系统，是一个基于黄委黄河计算机广域网络的分布式系统。整个系统依托于黄河计算机广域网络，由网络视频接入终端（视频编码器）、视频服务器、网络视频接出终端（视频解码器）、网络视频客户端（包括监控业务台和分控终端）组成。其系统软件由以下四部分组成： 系统配置维护管理系统 网络视频服务调度管理系统 网络视频监视客户端系统 网络视频接出控制管理系统 统配置维护管理系统 系统配置维护管理系统是系统各级（黄 委、省、地市）管理员对其管辖范围内监控站点、摄像机、云台解码器、网络视频接入终端（视频编码器）、网络视频接出终端（视频解码器）、视频服务器、用户等进行配置管理和维护，并可进行远程设备测试、故障诊断、参数配置修改等操作。系统配置维护管理系统运行于各级系统业