才茂通信基于无线视频监控对自然保护区的应用方案

一、需求分析

   森林防火远程视频监控系统提出了许多具有强烈行业特征的需求，这些需求是普通的视频监控系统无法满足的，因此防火智能监控系统需要具备以下特点：

   全天候远距离工作：防火信息采集点要全天候工作，这就需要选择摄像机时应选用红外敏感型彩色转黑白摄像机。

   镜头应选用日夜两用型长焦镜头，并且于较远距离外外能看清小面积火情，还具有透雾功能；

   云台要求选用螺杆传动的室外一体化重载云台，为了减少远距离图像的抖动，摄像机的安装也要确保牢固稳定。

   前端设备采用密封加隔离的防护措施，把系统重要电子核心器件全部密封在碳纤维结构设计的防护罩里面，保证防护罩内部设备不会发生结雾和凝水现象。

   同时防护罩视窗玻璃采用白光钢化玻璃同时附加热片，杜绝了视窗表面的结雾和凝水，防止监控图像出现模糊或畸形。

   前端设备工作状态远程监控：由于整个防火信息采集前端设备地处深山，维护极为不便，所以中心要是能随时掌握前端设备的工作状态，对维护将起到重要的指导分析作用，

   一方面降低了整个系统维护工作的强度和费用，另一方面也保护了用户的利益。

   智能的林火火情分析和早期预警：完全依靠值班人员通过监视器来发现早期火情是比较困难的，随着智能视频分析技术的发展，对早期林火的烟火智能识别已经开始逐步得到应用，

   系统需要能及时自动发现火情、告警并联动报警录像，提醒值班人员察看显示画面，实现早发现、早通报、早扑救。

监控室建设：建设监控室大屏幕，方便实时监控野外监控图像，远程监控林区，实现无人值守。

二、解决方案

1系统组成

   森林防火野外视频监控系统由硬件系统和软件系统组成。

   硬件系统主要由前端视频监控系统和监控中心建设组成。

   软件系统由视频监控平台软件系统1套，视频图像可见光烟火识别分析软件1套

2前端视频监控系统

   前端视频监控系统由视频图像采集设备、无线局域网传输设备、防雷和接地基础建设等组成。

3无线视频传输示意图

   现场每个点位传输距离及带宽不同，无线传输设备选型也不一样，设备及传输示意图如下：

4无线网络传输系统

   无线传输系统是保证监控点与指挥监控中心正常通讯的基础，在设计上要遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。

   同时综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。

   本系统采用前端点对点采用无线网桥传输方式，利用山顶最高点及点位附近的高点作为中继，链接网络传回市监控中心。

   另外，选择无线设备还能确保在远距离传输的同时有稳定的高带宽可供视频传输使用。

   考虑到不同无线设备用户传输数据的带宽不同，本方案中主要采用802.11an标准的系列设备，一般传输距离越远无线信号空间衰减越大，即链路带宽会越小，但在本系统设计应该足够满足数据传输的要求。

   由于无线信号在传输过程中，发送点与接受点之间不能有大物体的遮挡，这样会导致信号无法传输，因此当受到遮挡时，需要在遮挡物附近放置一个无线中继设备作为信号传输的中转。

   可以远程监视网桥传输速率和远程设置参数，调节设备；便于人员维护。

5无线网桥设计

   根据主级联网路布局，传输方向、距离、带宽。设备设计为近距离传输通道无线网桥ST58T8G 5对、远距离高带宽无线网桥ST5801GB 3对，远距离单极化设备ST5023TD 1对。

   监控点每个带宽至少8兆带宽，通过点位累加，最大位置为50兆。考虑天气、距离因素的影响数据的带宽限制，

   有效带宽的保证可选择高传输速率的无线网桥和高增益定向天线。同时考虑设备统一性和后期的扩容。

6无线传输部分——无线网桥

标清级无线网桥—CM530-61

产品外观：

高清级无线网桥—CM530-81

产品外观：

7全天候防护罩

   为保障高清网络摄像机正常运作，要求具备防水、防腐功能，并根据天气状况智能调控温度；采用光学玻璃，保持通视透亮。山区温差较大，需要具备防结露功能。

8设备防雷系统

   雷电侵入通信等网络系统的途径主要有：经电源系统引入；信号传输通道引入；由于多点接地而产生地电位反击及因屏蔽不良而造成雷击对网络及其设备的电磁脉冲干扰等。

9风光供电系统

   现场有以下几个点位不能就近取电，只能通过风光互补野外供电系统解决供电问题，分别是：象山监控点、许山中继点、盖善村中继点、大古山监控点。

   考虑当地日照时间和设备功耗大小，配备合适风光互补供电系统，现场还应该配备相应的蓄电池，确保在没有日照和风能发电的情况下，保证整个系统的正常运行，至少运行时间5天。

10监控中心建设

   控制子系统

   控制子系统主要包含视频管理服务器、视频监控系统客户端软件软件、森林防火系统软件平台及相关配套设备。

   显示控制子系统

   显示控制子系统主要为实现视频监控的统一调用、控制及显示而设计的，实现对数字视频的远程访问、视频流接收、数字视频显示等功能。

   本次方案设计由网络高清解码器解码，通过HDMI线直接输出至显示器，以便实时预览。在客户端电脑安装客户端软件，对摄像机进行实时预览和录像回放操作。

11软件系统

   视频监控平台软件系统1套，视频图像通过平台的建设，建立市级防火业务基础框架，为未来的进一步扩展奠定良好的基础。

   视频监控平台软件系统：实现对视频监控信息的采集、存储、转发、调度和管理，可在监控中心调用、控制、设置任何一路前端视频，支持视频的扩展和不同视频监控设备的接入。

12视频监控平台软件

监视功能：

   通过综合视频监控系统可实现大容量、分布式的实时直播：即在系统中可通过监控管理终端和专用的操作设备(如专用控制键盘)方便、

   快捷的对前端监控点进行切换、云台快速转动、镜头缩放的操作，从而及时的发现违法犯罪行为及各种突发事件，并通过对被监控对象的跟踪显示，及时通知相关人员进行围捕或处理。

   各级领导、相关单位及其它授权客户也能查看任意监控点的实时图像，并可对前端监控点进行权限内的操作。

   监控管理终端和授权客户端可实时监视多路实时图像信息可实现一机多屏同时监视；监控管理终端和多个网络客户端可以同时监控任一前端图像。可以在多种画面分割模式中切换显示。

   系统还可通过视频解码器的硬解码方式，在监控室配置的液晶监视器、PDP、CRT等显示设备上可以实时显示前端任意一个或多个监控点的图像，并可通过专用操作键盘进行切换操作及对前端监控点进行云镜控制。

特点：

   监控管理终端可实时监视多路实时图像信息并实现一机多屏同时监视；多个网络客户端可以同时监控任一前端图像

   摄像机分组：支持按照监控区域、管理权限和实际使用情况（如行进路线）分组，设置简单

   轮巡：系统具备视频自动巡视功能，在可设定的间隔时间内对全网的监控点进行图像巡检，参与轮巡的对象可以任意设定，轮巡间隔时间可设置。

   摄像机信息设置：设置系统内所有摄像机的位置、IP、别名、所在区域、场所等信息

   支持实时设定视频编解码器的各种参数，如码率、品质、分辨率、制式、帧频、色彩、音量等

图像选择功能：

   值班人员可选择或自动切换前端任意一路图像（只要权限允许），图像显示方式包括自动循环切换、分屏显示、手动切换。

摄像机控制功能：

   值班员可手动控制高速球型摄像机、云台摄像机的所有可变参数，包括焦距、光圈、监控范围等。

   云台摄像机和高速球型摄像机控制功能：支持方向控制、自动扫描、预置位管理、光圈焦距管理、镜头缩放；云台速度可调；

   支持灯光、雨刷、电源开关控制；支持自定义辅助开关控制；支持摄像机锁定与解锁；方便进行云台／快球控制器的参数设定。

   在进行云台控制时，高级别的用户具有优先的级别，当高省级监控中心的用户在进行控制操作时，下一级管理站的用户就无法控制云台，系统支持多个控制级别的划分。

动态字符叠加功能：

   系统能将采集到的现场状态实时数据、摄像机的号码、所在位置、摄像日期和时间等信息于图像进行叠加，以便在监视器上显示。

可在图像的任意位置叠加图片和黑屏框以屏蔽需隐藏的图像区域。一旦发生报警，实时叠加的状态数据会闪烁，提示有警情发生。

数字虚拟矩阵功能：

   IP网络具有虚拟视频矩阵切换功能，并支持摄像机在监视视窗上的拖拽或浏览应用程序上摄像机的双击功能。

   虚拟视频矩阵（IP网络）能有效的从编码器（实时模式）切换到NVR上的视频/音频记录（回放模式），反之亦可。

   只要有足够的权限，虚拟视频矩阵（IP网络）允许用户以实时或回放访问IP网络中NVR上的音频/视频记录。

   只要有足够权限，用户可在虚拟视频矩阵上的任何浏览工作站进行云台，云镜和快球控制。

系统网络管理功能：

   在控制中心的安防系统网管终端应能够对视频监控系统中包含的视频前端设备、控制设备、存储设备等的运行状态进行综合的监视与管理，在必要时可修改系统数据及配置。

多级用户权限管理功能：

   在整个系统中，系统具有精细权限管理功能，能对系统中所有权限用户进行统一、准确、精细的管理和权限划分，保障系统中高级用户和各级领导在重大情况或紧急情况下对系统的操作控制优先权。

安全管理功能：

   系统实行操作权限管理，按实际的管理架构对每个用户赋予不同权限等级；系统登录、操作都需要进行权限查验；

   系统所有重要操作,如登录、控制、退出、报警确认等，均有操作记录，系统可对操作记录进行查询和统计，所有操作记录具有不可删除和不可更改性。

配置功能：

   系统的所有前端设备的参数都可以在监控中心由系统管理人员远程配置和修改，在进行系统设备配置时，不会对系统的正常运行产生丝毫影响。

13视频图像可见光烟火识别分析软件

   森林防火视频监控预警管理系统以前端监控设备和视频编码器为基础，采用C/S架构，通过交互区内的网络等传输链路，将数据及信息发送到服务区内的各种服务器。

   业务区内的客户端对监控业务进行管理和处理。下图为系统架构示意图。

三、系统架构示意图

中心服务器：

   对其他服务器及前端设备进行统一管理，完成用户权限的鉴定、设备的分发配置、其他服务器的配置管理及日志的管理等。

   针对客户端用户的登录，中心服务器对登陆的用户名和密码进行鉴定，如果用户名和密码合法，则会根据用户的权限为客户端分配资源；

   如果客户端使用管理员权限账户登录，则会分配所有权限给该客户端，为限制管理员权限被滥用，中心服务器将管理员权限设置为在同一时间仅仅能够有一个管理员权限账户在线。

用户登录界面：

   系统登陆通过账号密码方式进行认证，管理者能在系统内为不同账号的登入者设置不同访问权限，保障系统信息和运作安全。

   中心服务器会定时对客户端及管理的设备进行巡检，判断客户端及设备是否正常，一旦设备出现掉线及时提醒用户关注，查看设备异常原因。

录像存储服务器：

   存储前端设备的视频录像文件，包括计划录像、报警录像。在客户端可以实时检索已存在的录像文件，

   录像查询可以按照录像原因、录像时间、前端摄像点、报警事件等条件进行查询，方便客户观看保存的录像，及时查找事件原因。

   录像服务器除了能够管理本地磁盘存储空间之外，还能够管理网络上的在线磁盘。

录像存储服务器可对存储空间进行管理，通过特定存储策略、空间管理策略、文件覆盖策略、文件安全备份策略保证磁盘空间的安全、高效的使用。

录像存储服务器设置界面

流媒体转发服务器：

   转发前端设备的视音频数据至申请视音频码流的服务器及客户端，有效的降低前端设备的带宽需求，并将前端设备与客户端有效隔离，确保前端设备的安全性及健壮性。

   尤其在使用无线传输时，无线传输的带宽都不是太高，有的仅仅能够满足前端设备的传输需求，如果多个客户连接，会造成视频传输的延迟、卡顿等现象，

   而使用流媒体转发服务器后，前端设备和监控中心流媒体服务器之间仅有一条连接，不会造成多路连接的带宽压力。

流媒体服务器界面

智能电源及故障管理服务器：

   森林防火的行业特性决定了前端设备的安装位置的特殊性，布线不方便导致设备的供电需要依赖太阳能或风光互补。

   智能电源及故障管理服务器对供电设备定时巡检，实时显示设备工作状态；当设备出现故障时，及时告知用户并给出解决方案。

GIS管理服务器：

   电子地图的管理及基本操作、设备安装点的管理和配置、报警点位置的确认及显示、火灾蔓延趋势的分析，配合应急指挥服务器完成火灾的扑救指挥等。

   同时可以通过在电子地图上选中指定设备，来反控前端设备的操作。在GIS管理服务器上，可以实时的浏览设备视频，开启前端设备的巡航、线扫、苹果皮扫描和逐圈扫描。

报警联动服务器：

   监控区域发生火灾时，根据设定的预案启动报警联动，在管理中心联动声光报警提醒值班人员注意查看、及时处理险情，

   并将产生的报警信息通过短信或彩信的方式发送到指定的手机号上面，及时告知管理人员，方便管理人员第一时间组织扑救力量。

报警确认界面

短信报警设置界面

应急指挥服务器：

   结合GIS管理服务器、天气条件及历史数据，对产生火灾险情的区域进行分析和判断，实时显示火灾的蔓延方向，判断出有效的扑救路径。

   应急指挥服务器集成小型气象系统，实时采集监控点的温度、湿度、风向、风速、降雨量、气压等气象数据，通过分析对比判断出监控区域的火险预警等级提醒用户注意防范。

   在火灾发生期间，通过系统的语音广播系统和现场视频，可对现场救火人员进行指挥和协助，及时有效的展开火险的扑救和火点的排除工作。

客户端：

   负责权限内设备的控制和管理工作，包括火情监测、设备管理、报警提示、日志查询、视频回放、电子地图显示等功能。

火情监测：

   实时监测前端设备回传的现场视频数据，系统可支持1080P、720P、D1等设备的实时视频预览、可单独打开和关闭某一通道的视频图像、

   可在指定播放窗口播放某一通道的视频图像、可切换多种视频窗口排列模式进行视频播放。

火情监测界面

设备管理：

   管理权限内的设备，进行PTZ操作、参数设置、扫描模式选择、摄像机效果调整、视频抓拍、报警阈值的设置、3D定位等。

报警提示：

   前端设备产生报警后，在客户端弹出报警对话框，提醒用户进行确认，并对产生报警的监控区域进行抓拍，记录报警信息及处理结果，方便以后检索和统计。

   在产生火灾报警后，会弹出报警确认窗口，用户可以根据实际情况来确认该报警是否为正确报警，

   如果用户确认为正确报警，则会做出相应的联动操作，发送报警信息到指定的手机号上，并将报警时的视频进行抓图，方便日后查询和比对；

   如果用户确认该报警为误报警，则会将当前的报警地点存储到屏蔽区域列表中，当设备再次扫描到该处时，

   将不会再次产生报警，提高了预警系统的报警准确率，避免了不必要的误报，提高了值班人员的工作效率。

   系统在检测到火情时，会自动将火情区域居中放大，方便用户的近距离观察火情。或者用户可以选择手动定位功能，通过在画面上自右上到左下框选感兴趣的区域，将该区域进行居中放大；

   同时用户也可以在画面上自右下到左上框选区域，将该区域进行缩小；这样可有效的降低用户的操作复杂度，用户可兼顾到近距离观察火情和远距离观察火况。

报警提示界面

日志查询：

   可实时检索用户的登陆记录、设备的报警记录、设备的操作记录。

日志查询界面

视频回放：

   通过日期、录像类型（计划录像、报警录像、手动录像）、设备名称等检索条件对存储在录像服务器上的录像文件进行检索，并下载指定视频文件到本地进行播放，可对播放的录像视频进行快进、拖动、慢放等。

视频回放界面

电子地图：

   客户端中的电子地图能够实现如下功能：地图的放大、缩小、测距及拖动等常用功能功能；选定指定设备开启或者关闭设备的巡航、苹果皮扫描等功能；支持模糊查询地名及居中显示附近区域的功能；设备的添加删除功能；报警信息的显示功能。

电子地图截图

四、功能设计

   功能设计紧密贴近林业单位实际需求，提出面向专业应用、满足项目专业需求的整体解决方案，组建成能模块以实现对林区火情状态全面监控的目标。

   可满足系统对专业分析、处理、辅助决策等方面的总体要求。系统主要功能如下：

   烟火识别系统与视频监控管理相结合，实现烟火的智能检测。

   火情的快速识别与报警。

   GIS定位与扑救指挥管理相结合，实现防火决策的预控性、准确性与实效性。

   事件的记录与查询

   将传统视频监控和森林烟火识别相结合，实现无人值守；森林烟火识别和地理信息系统(GIS)相结合，实现烟火精确定位；

   传统视频监控和网络负载均衡相结合，保证视频有效传输和系统稳定工作；视频浏览和录像相结合，需要时可以回放。

   烟火智能检测系统

   烟火智能检测系统是森林防火视频监控智能管理系统的基础功能。正常状态下，系统会按照预设自动扫描模式对目标林区进行全面巡航扫描。

   当前端基站在监控林区发现异常火情热源，系统将自动进入事件预警模式，自动记录下火情事件发生的时间、经纬度及实时监控录像和图片，

   并自动生成档案日志储存在系统目录文件下，供用户日后翻查事件过程记录，方便分析出火灾成因与优化应对方案。

   同时，系统前端会将检测到的多种信号，包括火情警报、防盗警报及设备故障警报等通过无线传输架构，即时反馈到每一级后端管理指挥中心平台，生成声光告警通知用户。

   用户可以通过对云台的控制来实现镜头的调节，还可以通过云台的调节来获取不同角度的图像。通过云台控制模块控制云台固定范围（或定点）扫描。

   当发现火情时，报警模块发出报警信息，回传火情方位数据到监控中心。

   火情的快速识别与报警

   火情的快速识别与报警是系统的核心技术模块，迅速、准确地识别火情是森林防火视频监控系统的核心功能。

   该功能模块主要作用是分析前端红外热成像仪采集到的林区红外视频，依靠所获取的火源红外辐射数据分析视频辐射量的波动值及画面上显示的色深变化，

   从而实现对林区火源的判定与告警，带动系统其他功能模块的响应运作。

   智能图像处理器（该处理器已经嵌入到设备中）能够利用超温检测算法自动检测出监控区域内出现的火情，第一时间发现明火和隐火，并将检测结果通过网络传输系统传送到监控中心。

   灾后，也可以监控隐火是否完全熄灭，是否还存在隐患等。是系统运行可靠性的关键。

   火情识别模块具备识别精度高、需求探测的有效面积小、误报率低等功能特点，比一般可见光视频系统更快更准确地识别火情，能有效实现火情早期监控的效果。

   云台方位计算模块

   负责接收来自前端监测设备传送的云台数据，依据事先约定的编码规则，对云台当前的动作信息进行解析，判断云台当前的水平旋转方向、垂直旋转方向以及预置位的信息。

   烟火报警和交互确认模块

   一旦烟火图像识别模块判断出图像上有疑似火点，烟火报警模块会立即发出声音报警信息以唤醒监测人员，监测人员通过目视辨别有疑似火点的图像，确认该区域是否发生了森林火灾，

   如果确认有火灾，系统发出正式的烟火报警信息。

   从上图可以看出，在热成像画面上已经发出报警信息，此时系统弹出报警确认对话框，用户可通过可见光的画面，对该报警信息进行二次目视确认。

   如果用户的确认此次报警为误报警的话，系统会自动将该点的详细数据记录到屏蔽点中，再次扫描到该点后将不会产生报警；

   如果用户确认该次报警为正确报警，则会根据设置的预案进行报警联动，比如发送报警短信、启动声光报警、联动指定的报警设备等。

   热点及火点定位模块

   通过监测人员的交互式识别，判定确实有林火，将云台的参数传递给林火GIS 子系统，用于确认火灾点距设备点的距离、报警方位、报警位置等信息；

   如果设备设置为自动3D定位状态，在产生报警时视频画面上自动将火灾发生区域居中放大，方便用户对报警信息的确认。

   GIS定位与扑救指挥管理

   GIS平台是实现林区火情自动定位的功能模块。除监控视频图像外，系统前端基站会将监测过程中实时采集的云台水平角度、垂直角度等数据自动返回到系统GIS信息平台，

   结合GIS数据库和三维平台，精确定位火情的经度、纬度和海拔高度，实现火灾的自动定位功能。

   系统GIS信息平台提供实时地图缩放、旋转及俯仰调整功能，为用户平日进行林区巡护、火灾时实施紧急扑救及灾害评估清理提供路线决策依据。

系统GIS信息平台提供设备点查询、地名查询、反控云台、报警信息显示、两点测距、框选缩放等功能。

   用户可以设备列表框中，双击某一个要居中显示的设备，在右侧的地图显示区域会将该设备所处的区域自动居中显示，方便用户对报警设备所处区域进行详细观察，辅助指挥人员进行火灾的扑救指挥。

设备搜索界面

   用户如果想了解监控区域中，某个地名附近的地形及灾情，可以再地名搜索框中，输入要查询的地名，在下方的列表框中会实时显示搜索到的地名信息，

   双击要观察的地名，在右方的地图显示区域会将该地名附近的区域自动居中。系统可支持模糊地名检索功能。

地名检索界面

   在设备列表框中，选中某一台要进行控制的设备，可以对该台设备进行巡航、扫描、苹果皮扫描等功能的开启和关闭

云台操作界面（注：使用红色方框框出的为反控云台的按钮）

   系统提供了两点测距功能，用户可通过该功能在地图上对设备点和火灾点之间的直线距离进行实时测量。

距离测量界面

   事件记录及查询

   系统能对火情监控画面进行计划录像、报警录像，可实现全天候的火情监控视频存储。自动保存报警设备的报警时视频、抓图及发生时间。

   用户能在后端软件平台通过日志查询、报警查询等来翻查历史数据及储存图片，可按报警时间、报警设备、报警地点随时查询过往发生火警的详细情况，

   方便用户的对比及灾后防护，并可作为历史数据进行保存，对以后森林防火工作具有重要的指导意义。

报警记录查询

多级监控中心设计：

   在林业局指挥中心设立联网监控管理平台，可以实现浏览、调度、控制、管理各分控监控点的前端设备以及录像资料。

   在各个分控中心可以使用多个客户端登陆至指挥中心服务器对权限内的前端设备进行控制和管理。

   森林防火指挥中心系统总体架构图

   分控站点监控中心作为二级节点，部署硬盘录像机、显示控制设备等，实现对前端视频采集设备的本地存储和显示控制，同时负责向一级节点转发视频。

   一级节点为林业局指挥中心，部署监控管理平台、存储服务器、流媒体服务器、解码器、电视墙等，负责所有设备管理、用户管理、视频预览、回放、转发、存储、分析、上墙显示等。