浙江水利视频监控云平台研究

2018-03-21姜小俊

水利信息化 2018年1期

姜小俊，黄康，余魁

（1. 浙江省水利信息管理中心，浙江杭州 310009；2. 杭州览千信息科技有限公司，浙江杭州 311215）

视频监控作为一种信息量丰富的传感器，一直以来为防汛抗旱、水资源管理、水利工程运行管理等提供了“眼见为实”的在线图像信息，有效地支撑了管理决策。随着监控点数量的增加和业务应用的深入，浙江省水利视频在线率低、共享困难、信息孤岛等问题日益突出，不同的视频系统往往服务于单个水利工程或单一纵向应用，横向协同困难，急需建立一个跨运营商的统一视频监控平台，整合全省水利视频资源，服务于全省水利事业。

1 研究目标

1.1 研究现状

水利视频应用主要集中于水利工程管理、防汛抗旱、河道管理、大坝安全监测、水文观测等方面[1–7]，为水利管理提供了直观、形象的视频材料。文献 [8] 分析了视频系统互联难、共享少、重复建设等问题，指出了背后存在的部门利益壁垒和技术瓶颈，提出了整合共享平台的宏观架构。文献 [9–10]对各自行业内视频监控系统进行了规范，国家标准GB/T 28181—2016 为视频监控系统建设和互联互通提供了方向和依据[11–12]，但也存在着安全、管理、兼容性等方面不足[13]。

1.2 研究目标

2008 年浙江省出台了《浙江省水利工程视频监视系统技术规定（试行）》，对水利工程自建监控系统进行了规范。近 10 a 来，全省陆续建设了数以千计的水利工程视频监控点，存在自建、租赁等建设方式，技术水平差异较大。针对这些标准不一、互不兼容、共享困难的视频监控，提出利用云计算、开放平台、视频流媒体及 GIS 技术，建设全省统一的水利视频云平台，整合水利视频监控资源，实现归口管理；通过开发视频服务接口，为全省水利相关应用提供服务，最大程度地实现视频监控资源化。

2 总体设计

面对浙江省技术参差不齐的水利视频监控，不进行改造或约束而建立统一平台几乎毫无可能，因此，平台设计过程中，充分考虑了技术方法和标准制度 2 个方面内容，通过制定相应技术规程规范视频终端的建设和改造[14]。

2.1 总体架构

按照先进可扩展、安全稳定等要求，平台总体按“五层架构、两套体系”设计，“五层架构”自下而上包括网络层、基础层、支撑层、服务层、应用层，“两套体系”包括网络安全和信息化保障体系，如图 1 所示。

图 1 平台总体架构图

网络层包括有线和无线 2 类，基础层包括数据存储、设备接入、协议管理等，支撑层为平台各模块提供统一的技术架构和运行环境，服务层为外部应用共享视频资源提供服务，业务应用层为终端用户提供实时监控、地图应用、视频接入等功能服务，网络信息安全体系是保障平台安全应用的基础，技术保障体系是支撑平台建设和运行的基础。

2.2 网络部署

平台基于云架构部署，以省政府政务云为主适配，兼容公有云和自建私有云环境，重点建设 PasS层和 SasS 层应用。建设过程重点关注服务和协议的公开、共享性，确保云环境迁移不影响系统正常运行。根据服务运行环境需求，平台将视频诊断等模块部署在实体服务器，将视频播放、地图 GIS、权限管理等服务部署在政务云。

3 功能设计

3.1 视频接入

为规范接入流程，平台规定接入监控系统或设备需支持 GB/T 28181—2016 或 DB33/T 502—2004协议，视频点可通过公网访问。按接入方式不同，将全省水利视频分为有、无监控系统 2 类，未建监控系统的视频终端通过直联方式接入，直联包括主动和被动接入 2 种方式，建有监控系统的视频终端通过平台级联方式接入。

1）直联接入。a）主动接入。主动接入针对有固定 IP 的终端，即可通过固定 IP 从公网访问的监控，这类终端接入方式是通过平台主动接入，在平台端配置终端 IP 地址、端口、用户名、密码等相关参数，设备在线测试成功后，再根据规则进行资源分配，完成接入工作，具体流程如图 2 a 所示。b）被动接入。被动接入针对非固定 IP 终端，即设备固定 IP 未知，或是 IP 地址不固定，这类终端以主动设备的方式接入平台，在设备终端配置平台接入方式、IP 地址、端口等相关参数，设备连接测试成功后，进行资源分配，完成接入工作，具体流程如图2 b 所示。

2）级联接入。级联接入针对监控系统管理的视频终端，通过平台级联方式接入云平台。级联通过双方网关配置完成接入，不支持该协议的平台需通过 NCG 级联网关进行改造，然后再通过本方法接入云平台，具体流程如图 2 c 所示。DB 33 为浙江省内地方标准，制定较早相对成熟，GB/T 28181 为全国标准，应用范围较广，部分监控系统可能涉及前端编码程序升级改造。

3.2 视频组织

1）目录管理。根据水利业务管理需要，对视频点进行业务属性重构，按照接入视频的工程特征、属性信息、设备参数等，从所属地区、所在流域、工程类型、运营商、工程状态等方面进行归类，提高平台的实用性。

2）视频命名与编码。水利视频命名主要是依据“辖区+地点”定义。县级以上辖区信息根据《全国县及县以上行政区划代码表》命名方法逐级定义，县级以下辖区信息根据行政区划情况自行命名定义。地点信息命名采用 AAA－BBB－CCCn方式，其中 AAA 为所在水利工程名，BBB 为具体位置，CCC 为具体设备类型，n表示该处第n个终端，如只有 1 个，则不需要列在命名中。

图 2 视频点接入平台流程图

视频编码采用分区域的编码方法，由 19 位特征组合码组成，1 位字母码为工程类型码，12 位数字码为水利工程码，2 位数字码为设备类型码，4 位数字码为设备代码。工程类型码参考 SL 213—2012《水利工程代码编制规范》进行编码，水利工程码参考水利普查工程编码，类别类型码按球机、枪机、是否固定等进行编码，设备代码为同一类型设备顺序码[15]。

3）地图应用。配上空间位置的视频服务是水利视频资源化的一种重要方式，具体坐标在视频注册接入时录入。基于基础地理和水利专题要素的底图，将视频点按图层进行管理，并分类型定位显示。在资源目录中点击某个视频可实现其地图定位，在地图视频图层上点击某个视频可在线浏览视频内容。

4）切片管理。为缓解大批量视频同步实时连接对网络带宽的压力，结合水利工程外部特征变化相对不大的特点，云平台大量采用视频切片的管理方式[16]，开发切片软件，从监控视频流按帧截取实时图像，并以图片形式存储、发布和应用。具体切片流程如图 3 所示，切片分为轮询、异常和手动切片，轮询切片由程序设定后台自动运行，异常切片由定义的视频异常事件触发，手动切片由用户人工触发。按“视频编码 + 通道号 + 切片类型 + 切片时间”的命名规则对切片进行统一编码，精确标识切片对应水利工程、监控终端、切片类型和时间，方便检索与调用。同时开发相应的切片服务接口，通过授权服务于第三方应用。

3.3 视频服务

平台提供视频综合监控和接口服务 2 种视频服务方式。

图 3 视频切片流程图

1）综合监控。平台综合监控基于资源目录和统一地图为用户提供监控点实时视频或切片查看功能，平台后台调用视频诊断模块过滤故障监控点，为用户提供正常视频列表，并形成诊断日志。实时监控默认调入最新切片图像，根据需要再进行实时视频连接。登陆用户按授权进行视频或切片信息查看，支持多画面分割显示、回放单路或多路实时视频，并可对视频进行云台操控。

2）接口服务。平台接口服务为外部应用提供视频流或切片服务，视频流服务以 API 方式提供在线视频，切片服务以 Web Service 方式提供切片图像。外部应用通过平台申请注册并登记相关信息，生成应用编号，然后平台对应用进行审核，为通过审核的应用发放密钥，并进行监控点位授权，外部应用通过注册应用编号和密钥，调用平台 API 使用视频资源。

3.4 系统管理

平台系统管理提供了视频接入、关注点、权限、服务等管理功能。接入管理提供接入视频及其属性信息的查询、编辑等功能，关注点管理提供关注视频定制功能，权限管理为不同用户和外部应用配置视频监控资源、操作和服务权限等，服务管理对外部应用进行审核和分发密钥、配置视频服务等。

4 平台实例

本平台不涉及视频流存储，各监控系统独立运行，平台根据需要通过公网访问前端设备。

4.1 关键技术

1）统一用户。水利视频对于防汛抗旱、抢险救灾等应急指挥至关重要，考虑到传输带宽与视频安全，确保视频资源能够优先满足关键应用，需对用户实现严格管理，并规范使用日志。为此，云平台对接浙江水利信息门户统一用户管理体系[17]，用户认证与管理由水利信息门户完成，通过门户实现实名制统一身份认证和单点登录。

2）统一数据。为实现视频资源与其他水利要素协同联动，更好地支撑管理决策，将非结构化的视频数据纳入水利数据中心统一建设，实现视频资源与相关水利要素有效集成，视频监控点通过其编码中水利工程编码与水利工程关联，同时通过空间关系与水情、工情、雨情监测点关联，并置于浙江水利地图统一平台，可进行空间叠加分析，既丰富了水利数据中心内容，也提高了视频资源的可用性和服务效率。

3）统一服务。水利视频云平台采用了微服务技术架构，通过集成多协议制式的视频流服务，支持多网域场景下的服务调度策略，支持结合特定业务场景的服务调度策略及调度策略的扩展，可根据特定业务规则等调度服务。通过 API 的形式对外发布服务，真正意义上实现了视频资源化。

4）流媒体技术。平台集成流媒体服务器技术，初步考虑按地市配置流媒体服务器，统一管理用户对平台视频资源的访问。流媒体服务器软件对平台视频资源进行管理，监听平台访问请求并及时响应，以流式协议进行实时视频流转发，保证用户访问视频质量和效率。

4.2 数据库设计

为支撑功能设计要求，平台数据库在存储资源、用户、应用信息的同时，需结合权限控制策略，同步建立要素之间相互关系。平台主要数据表设计如表 1 所示。

表 1 平台主要数据表

4.3 平台实现

主流商业数据库平台包括 Oracle，SQL Server，Sybase，DB2 等，开源平台包括 MySQL，PostgreSQL等，目前 Oracle 等商业数据库云化部署技术尚未成熟且软件价格不菲，MySQL 等开源数据库因其跨平台、高性价比等优势受到青睐，Twitter，Facebook，淘宝等业界巨头均有将业务数据转移至 MySQL 的实际行动，综合考虑：1）MySQL 云化部署便捷性、跨平台兼容、性价比高；2）平台端不存储视频流，数据量总体可控；3）平台与信息门户集成，用户访问由信息门户进行实名制安全认证[16]，后者已持续多年支撑浙江省水利业务系统单点登录认证；4）MySQL5.7 以上版本结合主主、主从数据备份策略，已大大降低了数据丢失风险；5）开源 PostgreSQL结合 PostGIS 在空间数据管理上的优势；6）平台分布式部署对于第三方软件数量和部署便捷性要求等因素，提出平台开发选型为，结合云部署设计，平台基于 PostgreSQL，MySQL 数据库，利用 Java，C++，Python 语言开发，PostgreSQL 用于存储视频流服务数据，MySQL 用于存储水利业务数据，Java用于业务应用功能模块开发，C++ 用于底层视频流服务模块开发，Python 用于切片服务开发。基于本设计的浙江水利工程标准化管理视频监控平台功能实现效果如图 4 所示，截止目前平台已接入全省水利视频监控点千余个，级联方式接入约占 30%，直联方式接入约占 70%，并已为浙江省防汛抗旱指挥系统（二期）、浙江省防汛减灾三维平台等外部应用提供初步视频服务。

图 4 浙江水利工程标准化管理视频监控平台主界面

5 结语

针对浙江省水利视频监控标准不一、相互隔离、共享困难等现状，建设跨运行商的统一视频监控云平台，通过终端直联、平台级联等方式，实现了全省水利视频的统一接入，并将视频资源与地图、水利工程、水资源监测等进行有效集成，开发了可供第三方使用的视频服务，实现了全省水利视频监控的整合及资源化，提高了视频资源使用效率，也为相关行业视频资源整合提供了参考。

随着移动网络带宽的不断提升，以智能手机为代表的移动监控越来越成为一种不可忽视的视频采集方式，移动视频可作为固定水利视频的重要补充，为防汛抗旱、应急救灾、水资源管理等水应用提供了泛在的视频资源服务，平台下一步将研究移动视频资源的整合接入，并在此基础上考虑开展基于视频图像的水面和移动目标检测等应用。

作为全省水利视频统一平台，特定时期部分视频点将面临着高并发量访问，防汛防台期间影响范围内视频监控，各级相关管理部门都有访问需求，常规高清视频一路就占用 4 MB/s 带宽，如果按照最大访问量进行带宽资源配置无疑将造成巨大浪费，网络带宽将成为平台进一步推广应用瓶颈。为此，平台下一步将考虑通过建立内容分发网络（CDN），基于多个适当带宽配置的流媒体服务器，实现访问带宽的负载均衡，保障用户访问体验。

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