基于 4G 多媒体集群的监控系统研究与实践

王 磊，陆鹏飞，李风雷

（1. 沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），江苏 徐州 221009；

2. 嶂山闸管理局，江苏 宿迁 223800；

3. 沂沭河水利管理局，山东 临沂 276000）

基于 4G 多媒体集群的监控系统研究与实践

王 磊1，陆鹏飞2，李风雷3

（1. 沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），江苏 徐州 221009；

2. 嶂山闸管理局，江苏 宿迁 223800；

3. 沂沭河水利管理局，山东 临沂 276000）

随着流域社会经济的发展，沂沭泗局在管理工作中出现了信息化管理手段不多，信息化管理设施不足，人手紧缺等问题，为此必须结合单位实际，利用先进的技术手段提高工程管理水平。结合沂沭泗局的管理实际，详细介绍采用基于 4G 多媒体集群技术的重点工程监控系统，监控系统能实时采集河道重点部位、湖泊、闸坝和采砂点视频信息，并对信息进行存储，供各级管理人员浏览，为单位管理工作提供决策依据，全面提高工程管理和防洪调度水平。

多媒体集群；重点工程；监控系统；信息化管理

0 引言

为妥善解决沂沭泗地区边界水事纠纷，科学调度洪水，合理利用水资源，加强工程管理，国务院成立沂沭泗水利管理局（以下简称沂沭泗局），直管956 km 河道、1 696 km 堤防、26 座控制性闸涵（其中大中型水闸 18 座）、823 座穿堤小型水闸、1 座中型泵站，以及南四湖、骆马湖 2 大湖泊。沂沭泗局在所辖范围内行使水行政管理职责，实行三级管理体制，下设 3 个直属管理局（南四湖、沂沭河和骆马湖水利管理局）[1]；3 个直属管理局又下设 19 个基层局（水管单位）。

统管以来，沂沭泗局不断提高管理水平，水利管理工作取得了新的突破。但随着流域社会经济的发展，实际工作中还存在以下一些问题：

1）流域防洪减灾体系仍不完善。河道堤防险工隐患、病险水闸等仍然存在，支撑流域防洪除涝、水资源管理、水行政执法的信息化水平还不高，水利管理能力尚需进一步加强。

2）巡查河段的实时监控还不够。随着流域经济的快速发展，涉河建设项目日益增多，尤其在河湖城区段，一些设施未批先建情况时有发生，单纯通过堤防巡查往往难以及时发现，即使发现也已开工建设一段时间了，给后续监管工作带来很大的困难，缺乏有效手段对巡查河段水事活动实时监控，难以做到对违法行为早发现、早立案、快处理。

3）重点部位视频监视监控设备仍未设置。沂沭泗局直管河道范围内有很多主要防洪控制断面，这些堤防重点部位均未设置视频监视监控设备，造成巡堤查险困难，整体防御能力不足，尤其在汛期，各堤防重点部位均需加大巡查力度，及时掌握堤防重点部位的雨情、水情、工情、险情，人力物力消耗很大，管理难度较大。

4）管理人员严重不足。管理人员在数量上远不能满足工程日常管理和单位发展的需要，导致管理人员执法和巡查时超负荷工作；由于水管单位大多地处偏僻，工作、生活环境艰苦，人才引不来、留不住，导致专业技术和高素质管理人才严重缺乏，使得正常的工程管理工作无法及时、准确、细致地完成。

由于这些问题的存在，严重制约了水管单位的发展，必须在现有管理设施的基础上，利用现代化计算机、网络通信和视频编解码技术，研究基于 4G多媒体集群的监控系统，实现控制性工程和湖泊河流重点部位远程实时监控，全面提高工程管理和防洪调度水平。

1 4G 多媒体集群网络系统架构和特征

1.1 4G 多媒体集群网络系统架构

4G 多媒体集群网络是以第 4 代移动通信技术4G（TD-LTE）为核心技术，将 4G 的高速率、大带宽，与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合，集语音、数据、视频通讯为一体的新一代宽带多媒体数字集群通信技术。不但遵循第 4 代移动通信国际标准之一的 TDLTE 技术标准，还遵循国内无线宽带多媒体集群（BWT）标准。因此该网络系统既具有 4G 共网业务功能，又具有集群业务特性，同时还可同国内其它集群系统互通。整个系统由 4G 多媒体集群设备室内、室外单元（RRU）及终端组成，室内单元又分为集群调度模块 DC、交换控制模块 SCC、核心网单元EPC、基站处理单元 BBU 等几个模块，其中 BBU 和室外单元共同配合实现一个完整的 eNode B 逻辑功能。 4G 多媒体集群系统架构图如图 1 所示[2]。

图1 4G 多媒体集群系统架构图

1.2 4G 多媒体集群网络系统功能

4G 多媒体集群网络系统有以下 2 大功能：

1）集群通信功能。集群通信业务包括单呼（包括语音和可视单呼）、组呼（包括语音和可视组呼）、广播呼叫、迟后接入、动态重组、短消息（包括实时和广播短消息）、遥晕/遥毙/复活、调度台强插/强拆。

2）宽带接入功能。为各类终端用户提供上行最大 50 Mbit/s，下行最大 100 Mbit/s 无线宽带接入。

1.3 4G 多媒体集群网络系统特征

1）性能参数。专网频段为 1.4 和 1.8 GHz；可变带宽为 5，10，20 Mbit/s；高速率，上行 50 Mbit/s，下行 100 Mbit/s；广覆盖，覆盖范围为市区 1～3 km，郊区 3～5 km，农村 5～15 km；小时延，组呼建立时间 ＜ 300 ms，话权申请时延 ＜ 200 ms，视频对讲端到端时延 ＜ 1 s；多组呼，大于 200 组；大容量，容量大于 1 200 个[2]。

2）业务特征。具有高效的指挥控制、实时的系统响应、高度的安全防护、灵活的机动重组、按需的资源共享、多种业务的应用、多场景的适应、模块化的配置等能力。

3）覆盖范围。小区覆盖分析主要用于估算 4G多媒体集群系统在宽带传输网络建设中的规模，为后期规划基站布站的基准提供指导。无线网络部署中采用的频段为 1 447～1 467 或 1 785～1 805 MHz，对应带宽为 20 Mbit/s。为提高频谱利用效率及整体网络容量，采用同频组网方式。

4）安全性和保密性。可实现 3GPP TD-LTE 标准要求的安全加密机制，为用户提供不同级别的安全性，包括用户和网络的双向鉴权、空口信令和用户面的安全、NAS 信令的安全，以及数据传输、存储安全性及防止网络攻击安全性和支持网络对不同安全域的隔离特性等。

2 基于4G 多媒体集群的监控系统建设方案

沂沭泗局的重点工程监控系统建设选取嶂山闸管理局监控系统建设作为典型进行方案设计。

2.1 监控系统建设方案比选

嶂山闸管理局是嶂山闸的运行、管理和调度的管理单位，主要负责嶂山闸及上下游各 500 m 和左右岸各 300 m 范围内工程的日常管理、调度运行、观测、检查、巡查、监测、水政监察、水闸工程维修养护管理等工作。近年来，随着国家水利建设资金的投入，经过加固和整修的嶂山闸，泄洪闸的工程运行实现了自动化监控和信息化管理。在中控室增加监视器、程控电脑，实现水闸的可视化远程监控，在嶂山闸管理局的监控室，通过显示屏可以随时对防汛闸门启闭和日常情况进行实时监控；能够及时了解闸桥上车辆通行、防汛物料、管护设施等状况；安装的水位遥测系统，既能随时了解站点的行洪水位，又能较为完整地记录行洪的整个过程；通过加入沂沭泗水利信息综合数字业务系统，实现了信息互通；利用工程管理信息系统，能够及时上传工程管理相关信息，查阅水闸养护、日常巡查、工程建设、防汛物料等相关资料。由于嶂山闸管理局具有管理人员较少，管理范围集中，直管资产价值较大等典型特点，所以急需在已有管理设施的基础上增加工程监控系统。在嶂山闸建设重点工程监控系统时，主要考虑 4G 多媒体集群专网、租用公网3G 网络和预埋光缆 3 种方案，需要结合单位特点对3 种方案从功能、费用、技术上进行比选。

2.1.1 功能比较

3 种方案功能比较如表1 所示。

表1 3 种方案功能比较

从表1 比较可知，在传输带宽、实时性、单兵巡更、应急联动、扩容等 5 个方面，建设 4G 多媒体集群专网方案均具有优势；预埋光缆方案仅在传输带宽、实时性 2 个方面具有优势；租用 3G 移动蜂窝网络方案在 5 个方面均不具有优势。嶂山闸管理局管理范围较为集中，主要是在嶂山闸及上下游各500 m 和左右岸各 300 m 范围内开展管理工作，后期根据管理工作的需要还可能增加单兵设备或者移动调度指挥系统等，因此，从功能完备性角度出发选择建设 4G 多媒体集群专网方案。

2.1.2 费用比较

3 种方案费用比较如表2所示。

表2 3 种方案费用比较

从表2 比较可知，在建设和维护费用方面，4G多媒体集群专网方案比预埋光缆方案有着无可比拟的优势；尽管租用 3G 移动蜂窝网络方案无建设费用投资，但由于水利信息系统运行维护费没有足额到位，每个月昂贵的租用费用使嶂山闸管理局难以承受，而且也不利于后续设备的增加，因此，从费用节约性角度出发选择建设 4G 多媒体集群专网方案。

2.1.3 技术比较

4G 多媒体集群系统网络与 3G 移动蜂窝系统网络在采用无线技术和架构方面的区别如表3 所示。

从表3 可知，多址技术方面，4G 通信技术上下行分别采用 SC-FDMA 和 OFDMA 多址方式，3G 通信技术采用 CDMA 多址方式，所以 4G 通信技术更具有抗多径、码间干扰能力，以及更低的峰均比、更高的频谱利用率，从而能够使用更高的 64QAM 调制方式，提供更高的传输速率和频谱效率。

在传输带宽方面，4G 通信技术较 3G 通信技术具有多种传输带宽的配置选择，使得 4G 通信技术传输带宽配署更加灵活。

表3 3G 和 4G 通信技术比较

在网络架构方面，更趋扁平化的全 IP 网络架构使得 4G 通信技术较 3G 通信技术在网络部署方面更灵活，更易扩容延展，降低了建设和运营成本，减少了系统数据传输时延，避免单点故障，提高系统稳定性。

因此，从技术先进性方面出发选择建设 4G 多媒体集群专网方案。

2.2 监控系统建设方案

通过比较，可以看出4G 多媒体集群系统在功能、费用和技术 3 个方面均具有优势，更适合嶂山闸管理局，因此本着节约性、实用性、前瞻性等原则，选择 4G 多媒体集群技术作为嶂山闸水利管理局重点工程监控系统宽带传输网络的建设方案。

嶂山闸管理局在 4G 多媒体集群网络系统建设中采用指挥调度平台、核心网、基站一体化设备进行建设，整体配置采用 1 套指挥调度平台，1 套核心网和1 套基站（1BBU+3RRU），并采用 8 阵元天线以增强覆盖。同时，在 1 447～1 467 或 1 785～1 805 MHz频段下，利用 20 Mbit/s 带宽进行同频组网，上、下行子帧配比采用配置 0，特殊子帧配比采用配置5（3∶9∶2）。小区带宽为 5 Mbit/s，可支持 2 路 720 P摄像机视频传输；小区带宽为 10 Mbit/s，可支持4 路 720P 摄像机视频传输；小区带宽为 20 Mbit/s，可支持 8 路 720P 摄像机视频传输[3]。

基于 4G 多媒体集群技术的嶂山闸管理局重点工程监控系统，共建设 4 个视频监视点，利用已有微波铁塔建设 1 套 4G 多媒体集群网络，监控点为嶂山闸南北岸上下游，各安装 1 个摄像机，监控整个嶂山闸管理局管理区。所有监视点均采用 4G 无线接入方式，使用市电供电。监控系统网络拓扑图如图 2所示，机房连线图如图 3 所示。

图2 嶂山闸管理局重点工程监视监控系统网络拓扑图

图3 嶂山闸管理局重点工程监视监控系统机房连线图

整个监控监视系统包括 4 台摄像机、4 台室外型 CPE、1 套 4G 多媒体集群系统（包括基站、核心网）、1 台路由器（带防火墙）、1 台交换机、1 台移动管理终端、1 台台式管理终端、4 套移动手持单兵设备、1 台数字矩阵（为新旧设备视频影像共用）、1 台流媒体代理服务器、1 台多媒体调度台、1 台液晶电视等[4]。

摄像机通过网线与室外型 CPE 相连，CPE 将视频数据通过 4G 无线信号发送到 4G 多媒体集群系统，4G 多媒体集群系统再将视频数据传至嶂山闸管理局局域网，视频数据将传输到流媒体代理服务器，流媒体代理服务器对视频数据进行转发，发送至数字矩阵，数字矩阵则对视频数据直接进行存储，并通过 VGA 接口，将视频图像输出到液晶电视显示。沂沭泗局本部、骆马湖局通过远程访问嶂山闸管理局的流媒体代理服务器进行视频浏览，实现远程监控，重要监视点的数据可在嶂山闸管理局、骆马湖水利管理局或沂沭泗局本部同时存储。

4G 多媒体集群网络同时为以嶂山闸管理局微波塔为中心的方圆 100 km2的范围，提供移动视频监视、应急指挥、集群通信、可视通话等业务。工作人员通过手持单兵设备可以将工作现场的实时情况通过 4G 网络上传至嶂山闸管理局流媒体代理服务器，沂沭泗局本部和骆马湖水利管理局通过远程访问进行视频浏览，掌握现场实时情况。

嶂山闸管理局 4G 多媒体集群系统后续可扩容，目前终端调制为 16QAM 方式，待终端版本实现64QAM 后，可对终端进行升级（限制条件：摄像机均匀分布在 3 个扇区的覆盖范围内，终端接收到的信号强度 ＞-85 dbm）。后续可扩容能力如表4 所示。

表4 嶂山闸 4G 系统后续可扩容表

在嶂山闸管理局重点工程监控系统中，4G 多媒体集群通信系统通过灵活的上下行时隙配比，对用户级别的详细划分，保障视频传输数据及紧急业务对传输实时性的要求。同时在 4G 多媒体集群通信系统容量允许的情况下，若增加视频监视点仅需增加摄像机和 CPE 即可，做到一次投资多次利用；否则，要进行扩容。另外，4G 多媒体集群系统还支持支持单兵巡更、应急通信，满足嶂山闸管理局和沂沭泗局后期网络扩容、统一调度指挥需要[5]。

3 结语

江苏省在全国率先出台《关于加快水利改革发展推进水利现代化建设的意见》，提出到 2015 年基本建成现代化的水利综合保障体系，到 2020 年基本实现水利现代化；山东省提出现代水利示范省的建设目标，经过 10 年左右的努力，基本实现水利现代化。立足苏鲁大地的沂沭泗局，必须结合流域特点，紧跟时代步伐，才能更好地服务于流域经济社会大局，实现和地方水利事业的同步发展。建设基于 4G 多媒体集群技术的重点工程监控系统，实现工程管理智能化的集中式统一管理，为淮河水利委员会、沂沭泗局本部、直属局及基层局，提供实时动态、准确可靠、标准统一的，水情、工情、险情、灾情、闸控等重点工程监视监控数据信息；为各单位提供高效可靠的管理手段，提供丰富精准的决策依据；实现与水利部、淮河水利委员会及下属各部门之间的应急联动，针对汛情的实时情况及时决策，迅速做出调度方案，尽早应对；进一步提高沂沭泗局水利管理及防洪决策的信息化、现代化水平，增强防汛抗灾、应急指挥能力，最大限度地保障人民群众生命财产的安全，为沂沭泗局早日实现水利现代化奠定基础。

[1] 沂沭泗水利管理局. 沂沭泗防汛手册[R]. 徐州：沂沭泗水利管理局，2008: 2-10.

[2]（葡）克莱依雅. 移动宽带多媒体网络——4G 技术、模型和工具[M]. 赵军辉，杨维，王东明，等译. 北京：机械工业出版社，2011: 15-33.

[3] 徐立中，马小平. 多媒体监视监控技术与系统[M]. 北京：国防工业出版社，2004: 60-80.

[4] 水利部水利信息中心. SL/Z 376-2007 水利信息化常用术语[S]. 北京：中国水利水电出版社，2007: 4-19.

[5] 水利部国家防汛抗旱指挥系统工程项目建设办公室. 省级防汛抗旱指挥系统建设基本技术要求[S]. 北京：水利部国家防汛抗旱指挥系统工程项目建设办公室，2011: 2-20.

Research and Practice on Monitoring System based on 4G Multimedia Cluster

WANG Lei1, LU Pengfei2, LI Fenglei3
(1. Yi-Shu-Si River Basin Administrator Bureau (information center), Xuzhou 221009, China；
2. Zhangshanzha River Basin Administrator, Suqian 223800, China；
3. Yi-Shu-Si River Basin Administrator, Linyi 276000, China)

With the social and economic development in the drainage basin, the problems of lack of information management methods, information management facilities and manpower and so on emerge in the management of YiShusi Bureau. So it is necessary to use advanced technology to improve the management level with the actuality. Combined with the actual of YiShusi Bureau, this paper introduces the monitoring system of key project based on technology of 4G multimedia cluster. It collects real-time video information of the key parts of river, lakes, river gate or dam and sand mining point，stores and shows them to managers at all levels, provides the basis of decisions, improves the management level and flood control of project.

multimedia cluster; major project; surveillance system; informatization management

TN927；TP39

A

1674-9405(2015)02-0068-05

2014-12-10

王 磊（1979－），男，内蒙古巴盟人，工程师，从事水利信息化建设管理工作。