高清视频监控在烟草行业散烟收购应用中的关键技术实现

2015-01-20申玉华唐绅

电脑知识与技术 2014年36期

申玉华　唐绅

摘要：该文针对烟草行业散烟收购工作中存在着分级队员素质参差不齐、相关流程执行不到位、现场管理松散、烟叶质量过程管理不及时和不到位等现象，提出了运用现代物联网和远程高清视频监控技术，建立一个典型的从感知、传输到服务和应用的高清视频监控管理系统，达到提高散叶收购现场管理、实现烟叶收购的精益高效化管理的目的。对高清视频监控在散烟收购中的视频采集技术、组网技术、存储技术、展示中心建设等关键技术实现进行了分析，提出了建设高清视频监控系统的主要目标和设计架构。

关键词：烟草信息化；高清视频监控；物联网；存储；网络；展示中心

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8774-03

近年来，国家烟草专卖局十分重视散烟收购工作，自2009年开始分别在贵州、云南、湖南等省开展专业化分级散烟收购试点工作，旨在转变烟叶发展方式，提高专业化和组织化程度，推进烟农“减工降本、提质增效”，稳步提升烟叶等级质量，增强优质烟叶原料供给能力，以适应卷烟品牌发展需求和促进行业持续协调发展。但在试点过程中，存在着分级队员素质参差不齐、相关流程执行不到位、现场管理松散、烟叶质量过程管理不及时和不到位等现象。如何狠抓散烟收购等级质量和推进企业精益管理成为当前烟叶产业持续发展的主攻方向。运用远程高清视频监控[1]和现代物联网技术，建立一个典型的从感知、传输到服务和应用的高清视频监控信息平台，以提高散烟收购现场管理、质量追溯管理为主，落实视频监控“千里眼”、现场巡回检查“顺风耳”、仓库入库验收“指挥棒”三件法宝作用，全面实现散烟收购工作的精准化管控，推进集中专业化分级散叶收购工作的规范化、标准化、可视化，切实提高烟叶等级质量，强化现场及质量控制，对提高工作效率和质量效益具有重大意义。

1 系统架构设计

1.1 建设目标

烟草物联网散烟收购远程监管系统建设采用符合国家标准[2]（GB/T28181）的数字化高清视频监控设备和物联网技术，建立市级公司统一的散烟收购远程高清监管平台，实现散烟收购站点实时视频采集，在市公司设立远程监控中心，实现收购过程高清视频、照片等数据的实时存储、调用，对烟叶收购现场和收购质量进行精准化管控。主要建设目标为：

1）散烟收购现场实时高清视频采集：对散烟收购现场中烟叶分级、定级、过磅和成包等各个环节进行实时高清视频采集，每个烟站采用高速球型网络摄像机或枪型网络摄像机。对散烟收购现场的工作人员标准化生产和操作管理情况进行全程监控和录像。

2）展示中心集中视频监控：在市局建设数字高清视频集中监控中心，实现下属全部烟站高清视频的上墙浏览、自动轮询，同屏多窗口调用显示某组内的所有摄像机，显示和控制报警信息和电子地图，并可远程控制球型摄像机的上下左右转动和镜头光圈、焦距、变倍的调节。监控中心能够监听指定收购现场的声音，并支持远程语音喊话。

3）面向全网络提供监控服务：面向整个烟草公司内网提供基于Web的远程视频监控服务，烟站、县局、市局和省局的各级业务人员和管理人员都可通过系统平台，查看其权限范围内的任一路实时视频或历史录像。当网络条件具备时，还可以面向互联网和智能移动终端提供服务。

4）散烟收购公告通知管理：在每个烟站的散烟收购现场设立多媒体信息播报终端，市局、县局管理人员可在系统平台上发布通知、公告和宣传信息，将相关信息内容通过平台内部消息或手机短信方式直接发送给指定用户或用户群，也可以通过设立在散烟收购现场的多媒体信息播报终端，以语音、图片和视频等方式向散烟收购现场进行播报。

1.2 构架设计

散烟收购高清视频监控系统采用了符合物联网领域公认的技术体系架构[3]，分为感知层、网络层、应用层三个大层次，其中应用层又可细分为支撑和应用两个部分。感知层主要使用高清网络摄像机，用于采集各烟站收购现场中烟叶分级、定级、过磅和成包视频点的实时视频，主要使用1台200万像素高速球型网络摄像机和2台200万像素高清枪型网络摄像机。能自动或通过广域网手动控制云台的转动以及镜头光圈、焦距、变倍的调节，特定指定点位的网络摄像机还可实现现场声音采集监控。网络层主要借助于新建设的MSTP全光纤广域网通信系统，把感知层采集到的视频信息快速、可靠、安全地传送到各个地方，使视频信息能够进行远距离、大范围的传送。支撑层主要通过展示中心集中视频监控，由专门工作人员分析、共享等功能，完成信息与人的最终交互，实现对物联网的控制与决策。应用层将前面两层的信息大范围地收集起来，汇总在应用层进行统一分析、决策，最大程度地提供服务。

系统总体结构如图1所示，前端网络摄像机的视频控制信号通过网线或光纤接入每个烟站专线汇聚交换机，再通过主干线光缆传输至市公司主控机房，经核心交换机分配给存储服务器、管理服务器、解码服务器、无缝电视墙，通过软件平台和矩阵控制前端摄像机全部自动、手动转动或全部停止转动、放大和缩小，控制电视墙画面的拼接和切换显示。

图1 散烟收购高清视频监控系统总体架构图

2 关键技术实现

2.1 视频采集技术实现[4]

烟叶收购站点布局方式有各种形式、条件差距较大，围绕能全面监管分级、定级、过磅、打包仓储四个监控点，在每个烟站设3个视频采集点，1台200万像素的网络红外高速球机和2台200万像素的网络红外枪机。高速球型网络摄像机布局在监管范围较大的分级现场，通过第一视觉了解整体的分级现场情况，再用云台控制方式捕捉相关不规范和违规行为。枪机布局重点监控范围及定级、过磅、打包仓储现场，枪机的安装位置要求针对性强，主要针对定级人员是否操作规范，烟框是否上台等不规范行为进行监管，照射的范围小，但需突出重点。

设备功能要求：网络摄像机要求清晰度可支持HDTV 1080P/30P码流格式的分辨率，能够以全帧速输出H.264 Main Profile级别和M-JPEG视频流；具有自动日夜转换功能，可实现昼夜监控；具备烤烟标准分级色板及多模式色彩校正功能；高清摄像要求实时视频清晰流畅，远程浏览时视频延迟不能大于3秒；支持自动录像功能，可进行录像资料的远程查询、调阅和下载。

环境适应性和可靠性要求：设备要求采用纯嵌入式设计，适应宽温、宽湿和宽电压等恶劣农业生产环境，确保长时间运行稳定可靠（保证连续24小时工作无故障）。摄像机前端设备能够正常自适应工作于农电环境（150V-240V电压），尤其对电压不稳、突然停电等情况具有可靠的保障措施，保证系统的稳定运行，还要有可靠的防雷措施，确保雷雨天气里系统设备的安全及运行的稳定（控制室防雷，设备、电源等电位防雷）。

2.2 组网技术实现[4]

本项目采用1080P高清网络摄像机，这对网络带宽要求较高，单路的带宽要求更高达6Mb/s，在不计网络协议开销的情况下，各视频网络链路上的带宽也不得低于4Mb/s平均并发视频。从技术标准上来讲，1080P的分辨率则是目前标清CIF的20倍左右，占用带宽为4-6Mb/s，监控系统要实现高清首先面临的则是传输能否接纳如此庞大的数据流，提高网络带宽是解决传输高清和网络带宽问题的必然途径，毫无疑问光纤传输成为高清视频监控的一个最主要的传输方式。传统的光纤传输主要考虑点对点建设，其建设成本较高，资源浪费严重，而MSTP（基于SDH的多业务传送平台）技术是近年来逐渐推广开来的一种新型的数字电路传输技术，它基于SDH光纤技术同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送，提供SDH、ATM、POS、以太网等丰富的接口和统一、智能的网络管理。因此，它综合了光纤技术和以太网技术的优点，适用于任何高速率、信息量大、实时性强的业务传送，可以为客户提供高速全透明的数据传输通路，正逐步成为高清视频监控的主要传输网络。

MSTP技术组网方式如图2所示：在市公司中心机房放置一台带光纤接口的核心交换机，按1：n方式提供LAN接口，所有的分支节点汇聚成1个中心节点接口。支持一点对多点通讯，烟站端交换机设备采用IEEE802.1Q的VLAN划分，非常容易地就可以在二层实现LAN互联。该方式主要的优点是：中心节点板卡和连接线非常少，故障点少，成本降低；容许汇聚的节点数大大增加，可达数百个，缺点是单板卡或单接口的故障可能影响到全部业务。

图2 MSTP技术点到多点方式组网图

我们和移动公司合作，采用基于MSTP技术和以太网传输网络的视频监控系统作为基础构建，通过点到多点方式组网接入将IP化的高清视频信号上传，IP视频流可以灵活地传输至多级监控中心，多级监控中心通过MSTP城域网络连接，通过分布在各监控中心的视频解码器将图像输出显示。网络结构简单，实施方便，而且该方案的接入速率可高达1000Mb/s，完全满足各监控点当前和未来扩容的容量需求。

2.3 存储技术分析[4]

目前视频监控系统的存储部署主要可分为前端存储、中心存储和分布式存储三种，前端存储主要适用于前端编码器通过广域网或互联网接入，安全性要求不高，成本较低，应用以实时监控为主的场景下；中心存储则需要建立大型监控视频存储网络（IP SAN/NAS），在大幅度增加硬件成本和运行管理成本的前提下，可提高系统的安全性和可靠性。分布式存储则是考虑多个存储中心组成层级或平面结构，统一管理。现从建设成本、运营成本、管理成本三个方面分析：

1）在建设成本方面：采用前端存储方案，以永州烟草公司50个烟站计算，约需要50台NVR部署在各个烟站，造价约40万元，采用3T容量的监控专用硬盘，需要约250块硬盘，硬盘总计20万，存储总造价在60万左右。采用中心存储方案，在多路并发写的情况下，对带宽、数据能力、缓存等都有较大影响，对存储的压力很大，这时候存储需要有专门针对视频性能的优化处理。这种方式采用单服务器存储直联，存储利用率不高，扩展性差，容易造成系统性能瓶颈和单点故障。如果建设IP-SAN的集中存储方案，即采用多台录像管理服务器+IP-SAN存储系统，采用多个IP-SAN磁盘阵列组合，估算总计约100万左右。

2）在运营成本方面：主要是网络流量费用，前端存储方案因为视频信息存储在本地，实时视频监控按需建立连接，没有多大的网络流量，中心存储需要与前端摄像机保持不间断的流量连接。假设总计200路摄像机，全部在中心机房进行1080P的高清视频码流存储，全部摄像机同时存储则要求骨干带宽不小于800Mb/s。如果再加上实时监控流量，预计骨干链路上流量将达到1000M，已经接近千兆网络的最大有效带宽。不仅将带来高额的基础网络建设成本或租用成本，也将影响其他共用网络的信息化应用。

3）在管理成本方面：由于中心存储方案的技术复杂性，对相关的信息化管理人员提出了更高的要求，机房的日常维护管理成本大大高于前端存储方案。同时还考虑到一个问题：在集中存储方案下，一旦发生断网、机房断电等情况，将不仅看不到实时视频，也无法进行录像。而采用前端存储方案则相对具有灵活性，各个烟站独立存储互不影响，即时断网或中心断电，仍然可以在时候查看指定烟站的录像。

散烟收购现场的视频监控主要用于生产现场的操作管理的监管，以促进收购工作规范化。其中实时监控是第一需求，其次才是录像的查阅和取证；后期对于录像资料也不存在大规模的读取和编辑需求；由于是生产管理监控，与交通、安防监控或平安城市监控不同，其录像的安全性要求相对较低。基于以上考虑，具备完善的远程调阅接口的前端存储方案完全能够满足系统的功能需求。

2.4 展示中心实现[4]

目前展示中心使用的显示技术主要有DLP 投影、PDP等离子显示器、LCD液晶显示器三种。DLP（Digital Lighting Progress，数字光处理）技术要先把影像讯号经过数字处理，然后再把光投影出来，DLP相对于其他两种拼接的优点在于其拼缝小，屏体尺寸规格多样化。PDP（Plasma Display Panel，等离子显示屏）技术采用了等离子管作为发光元件，发光的等离子管在平面中均匀分布，这样显示图像的中心和边缘完全一致，不会出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面并且没有任何图像失真，外界的电磁场也不会对其产生干扰，具有较好的环境适应性，可以实现非常清晰的图像。LCD（Liquid Crystal Display）是利用液状晶体在电压的作用下发生偏转的原理进行显示的技术。屏幕里面构成的点越多，成像效果越精细，LCD液晶显示器具有颜色鲜艳、高亮度、高对比度、高分辨率、厚度薄、重量轻、低能耗、长寿命、无辐射等优点，而且其画面细腻、分辨率高。但三种大屏拼接都有一个致命的弱点，就是有拼缝。正迅速崛起的数字化边缘融合大屏幕投影展示系统是由采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，使画面做到真正的无缝显示，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果，是一种全新的视觉展示技术。

边缘融合大屏幕显示系统和传统的DLP投影技术结合，使边缘融合大屏幕显示系统中的无缝显示画面有着无大屏拼接、连续、亮度均匀、色度一致的显著特点，这是以上传统大屏拼接所望尘莫及的。因此本项目采用DLP投影加边缘融合大屏幕显示技术组建监控展示中心，如图3所示：我们用2台高亮度工程投影机融合来实现，采用背投显示方式投射在玻璃墙上，达到大屏幕的震撼显示效果。

图3 投影加边缘融合大屏幕显示技术结构图

3 结束语

永州市烟草公司投入350万元在市公司本级及7个产烟县、16个基地单元、50个烟叶收购站，应用物联网和现代高清视频监控技术建立了全市统一的散烟收购远程高清视频监管系统，实现了散烟收购实时视频采集，在市公司设立远程监控中心，实现了收购过程高清视频、照片等数据的实时存储调用，建立了精准化的管控制度和流程，对烟叶收购现场和收购质量进行了日常精准化管控，有效提升了烟叶收购质量和现场管理水平，实现了烟叶收购的精益高效化管理。

参考文献：

[1] 尚青青.多场所多路高清视频监控中心的设计与实现[D].南京邮电大学.2013.

[2] GB/T28181《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》[S].2011.

[3] 胡新华，耿刚勇.面向服务架构在烟草信息系统集成中的应用[J].烟草科技，2010（5）：19-23.