数字视频技术在核电厂实物保护系统中的应用

汪永忠 ，吕 敬

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中国核工业集团公司，北京 100822）

近年来，随着国际及国内形势的不断变化，对核电厂安全运行的管理提出了越来越高的要求。在新形势下如何保证核电厂的安全运行，阻止破坏核实施的行为和防止盗窃、抢劫或非法转移核材料，保障核材料和核设施的安全，成为核电厂实物保护系统的重要任务。

1 概述

1.1 核电厂实物保护系统有效性及其对视频监控系统的要求

实物保护系统是指采用探测、延迟及反应的技术和能力，阻止破坏核设施的行为和防止盗窃、抢劫或非法转移核材料活动的安全防范系统。核电厂实物保护系统是针对设计基准威胁所建立的一套完整、可靠、有效并且具有纵深防御和均衡保护的系统工程，用于保障核材料及核设施的安全。

视频监控系统作为实物保护系统重要组成部分，在实物保护系统中担负重要的作用。其作用覆盖范围包括入侵报警复核、人员出入监控、车辆出入监控、重要设施监控以及应急响应等方面。因此，要求系统具有报警快速复核、连续监视及连续录像的能力；要求系统在自然环境不利的条件下都能正常工作，图像能覆盖整个受保护区域，不出现盲区和死角；要求系统图像质量清晰，能对报警部分做出正确评估，能在系统失效、外界有搅扰等事件时，迅速发出报警信号。

1.2 国内核电厂实物保护系统中视频系统应用现状

目前国内已运行的核电厂实物保护系统的视频监控系统均采用模拟视频系统，但核电厂厂区范围大，需要报警复核的目标多；重要出入口和设施的监控目标多；视频图像的存储时间长以及高质量的图像清晰度等特点，对视频监控系统的性能提出了很高的要求。

国内核电厂传统视频监控系统视频图像的存储调用目前普遍采用磁带录像机或DVR方式。因视频数据存储容量大，造成管理操作复杂、数据查询调用困难、事件难追索，同时还存在图像回放质量差、无法实现全系统时钟同步以及无应急备用系统等问题，使得传统模拟监控系统很难在现有基础上提供完整的系统解决方案，无法满足法规的要求。

1.3 数字视频技术应用的特点

近年来，随着计算机技术和网络技术的快速发展，数字视频技术有了质的飞跃，图像传感技术、图像处理技术、图像处理算法、传输方式及记录方式不断取得新进展，以数字化、网络化、智能化为特点的数字视频监控系统已成为视频监控系统的发展方向。

随着数字视频技术的发展，数字视频监控技术的应用为核电厂实物保护系统视频监控系统提供了一个新的解决方案。数字视频技术通过软件实现了传统矩阵的功能，具有安全性能高、易于集中管理、信号传输无损耗、系统灵活、扩展性强、操作灵活、界面直观、全系统时钟同步并且视频存储功能强大等优点。

虽然数字视频系统也存在系统运行依赖网络、延时明显、图像压缩后质量有损耗等缺点，但数字视频系统具有直观、查询方便、技术实现灵活等特点，能很好地满足核电厂现场环境条件变化大、报警复核点位多、监控范围广、图像质量要求高、视频存储容量大等特点对视频监控系统性能提出的要求，极大改善了核电厂实物保护系统中视频监控系统的应用能力。

2 技术方案分析

2.1 视频监控系统框架

某核电厂在实物保护系统建设过程中，通过全面比较模拟视频监控系统与数字视频监控系统之间的优劣（见表1），最终采用了模拟+数字相结合的视频监控系统构架，进行实物保护系统视频监控系统的建设。

系统设计方案前端采用模拟摄像机，通过光缆或同轴电缆将模拟视频信号传输至控制中心。在控制中心通过信号分配器将视频信号分成两路：一路送至模拟视频监控系统的视频矩阵，用于周界、出入口及重要目标实时图像的查看及报警复核,作为报警复核的快速响应；另一路视频图像送至数字视频监控系统的编码器，压缩成数字信号，通过网络进入数字视频系统进行视频数据的存储。当进行历史图像调用时，系统将数字图像通过解码器送至视频矩阵在监视器墙上显示模拟图像，或通过数字视频管理工作站调用数字视频图像。数字视频系统主要用于大容量视频数据的存储管理、调用，同时还作为模拟视频系统的应急备用。

2.2 数字视频监控系统组成

如图1所示，数字视频监控系统由监控接入层、网络交换层、控制管理层、视频应用层四个架构层次组成。

（1）监控接入层: 监控接入层用于完成摄像机图像数据化并使其在网络中传输，关键设备是数字编码器。

（2）网络交换层: 网络交换层是数字视频系统的基础。数字视频系统所有的视音频、报警和控制信号都是通过网络进行传输，是一个集数据、视频为一体的网络通信平台。为保证数字视频监控系统视频码流的传输，同时还包括实物保护系统集成管理系统控制码流以及出入口控制系统相关数据码流的传输，核电厂实物保护系统设置了专用局域网。局域网以核心层交换机作为整个网络的核心，采用核心、汇聚和接入三层架构，统一提供与各汇聚点及所有接入层的互联，实现全网的数据交换，同时局域网采用模块化网络架构设计使网络更为灵活，方便网络的实施和排障。

（3）控制管理层: 系统采用集中式的管理方式，通过视频管理服务器及数据管理服务器对前端设备进行集中的管理和控制，同时还对存储终端设备进行集中管理。控制管理层是数字视频监控系统的核心部件，主要负责整个系统的信令控制，系统中所有的设备都是通过控制管理层来实现相互的通信和管理。控制管理服务器只负责处理认证、控制、配置、注册等信令，不进行图像的集中处理，服务器发生故障时不影响视频流的存储和监视。用户只需要在一台客户端上就可以对整个网络设备进行批量配置下发、远程升级、远程操作、业务实现等操作。

表1 模拟视频系统与数字视频系统优缺点对比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between the analog and digital video systems

（4）视频应用层: 视频应用层主要包括数据网络存储方案管理、数据网络存储计算、存储系统可靠性选择、智能分析及报警的应用。通过上述功能实现数字视频系统存储容量有效计算，视频存储数据可靠性的选择，实现大容量视频数据的集中管理、检索与调阅，同时通过利用视频智能分析技术实施视频动态图像的分析及报警。

2.3 模拟+数字视频监控系统应用特点

通过数字视频技术在实物保护系统视频监控系统中的应用，优化并改进了视频监控系统的技术性能，提高了实物保护系统的可靠性和有效性。其特点主要表现在：

（1）实现报警快速复核。视频采用模拟视频监控系统的矩阵作为视频报警复核的主切换设备，当接到入侵报警系统传来的报警信号后，可实时在控制中心显示报警防区的视频图像，使安保人员第一时间了解现场的情况，对入侵行为做出快速响应。

（2）实现管理人员的便捷操作。通过视频工作站，可实时快速查阅数字视频系统中所有现场录像回放，减少了视频查找回放的环节，提高工作效率。

（3）实现大容量高质量的图像存储有效管理。系统采用网络数字视频存储服务器（NVR），实现了大容量视频数据存储的需要。同时存储图像采用高分辨的图像分辨率，使图像质量清晰可辨，便于后期追索查寻。

（4）提高了重要图像存储的可靠性保障。网络数字视频存储服务器（NVR）通过采用RAID技术实现数据存储的冗余备份，同时通过存储分区上设置重要图像存储备份区，确保了重要图像的再备份。

（5）实现系统动态报警功能。通过视频动态图像的分析技术，使视频监控系统具有了动态图像的报警功能。通过把它应用到工程中的某些特殊场所，有效地提高了入侵探测报警的覆盖防区，提高了探测报警的覆盖范围。

（6）增加了系统有效性。视频监控系统采用数模结合方式，使得系统可以互为补充，当模拟视频监控系统失效后，数据视频监控系统可以实时接替工作；当数字视频监控系统出现问题时不影响模拟视频监控系统报警复核的实时响应，极大提高了视频监控系统的技术性能。

3 经验总结及展望

随着数字视频技术的快速发展，目前国内大型安防工程中数字视频监控系统的应用已经成为主流。

作为第一个把大规模数字视频监控系统运用到核电厂实物保护系统，在工程建设初期无法彻底验证系统性能，但通过系统安装调试过程中的多次性能测试及功能测试，通过系统运行以来的初步应用，证实了数字视频监控技术的应用极大地提高了实物保护系统视频监控系统的技术性能，不仅有效地提高了实物保护系统的可靠性和有效性，同时也为今后核设施实物保护系统视频监控系统的建设提供了一个可借鉴的成功案例。

随着视频编解码技术的不断升级，编解码设备的小型化、集成化，数字存储技术的优化以及视频高清技术的发展，使得相关设备所占用的空间更小、功耗更低、图像更清晰S、管理更便捷、运行更安全，同时随着动态图像分析技术在视频管理软件发展（如车牌识别、目标识别、面部识别等技术），数字视频技术在核电厂实物保护系统中将得到更大范围的应用，为核电厂安全运行提供越来越多的保障。

[1] 核实施实物保护（核安全导则 HAD501/02）.