基于分布式架构的智能视频监控系统在广东智慧水利的应用

王 亮

(广东省防汛保障与农村水利中心，广州 510635)

近几年，随着信息化不断向广度、深度发展，以及国家实施大数据发展战略和“互联网+”行动计划，云计算、物联网、图像识别等技术得到快速发展。广东水利为进一步提升水利信息化水平，以发展数字化、网络化、智能化的“互联网+”产业新业态为抓手，积极推进智慧水利建设[1]。但目前广东省智慧水利建设还存在全面感知不够、全面互联差距大、基础平台支撑不足、共享不充分、智能应用不够等问题。而水利的主要管理对象江河湖泊和水利工程，及为防汛抗旱、水资源开发利用等建设的水利基础设施的全面感知不足是制约我省智慧水利发展的根本原因。

为提升广东省江河湖泊和水利工程的感知能力，解决水安全在线监控，加强水安全隐患分析和防御，确保我省江河湖泊、水利工程安全监管落实到位，水利行政主管部门需及时获取我省重点江河湖泊、水利工程的水位和工程运行状况等信息。在此背景下，本文设计了基于云平台的广东省大规模高清视频监控系统，系统可通过前端监控点实时采集我省重要江河湖泊、水利工程的水情、水生态环境等视频图像信息，并记录重要堤防、闸坝的运行情况，用以全面提升水利管理部门对水资源监管[2]、江河调度、工程运行[3]、应急处置的能力。

1 系统建设目标和设计原则

1.1 系统建设目标

在广东省重要河流的交汇处和险工险段、水库大坝、水闸、水文站等防汛关键区域、沿河人口密集区域新建高清视频监控点，并接入水利已建视频监控点，以及水文、气象、海洋渔业等涉水部门的视频资源，整合水利数据中心的水情、雨情、台风等专题数据，利用省政务云平台和共有云资源构建广东水利视频监控综合应用系统。全省各级水利部门可通过系统调用监控点的视频信号，实现对江河湖泊的水位、水利工程运行状况的在线监管，为水资源监管、江河调度发挥重要的支撑保障作用。为此，系统应具备以下主要功能：

1) 监控点在水利一张图上集中展示

系统须实现所有视频监控资源基于全省水利一张电子地图集中展示。所有监控点在地图上标注准确的位置，清晰展示各流域、行政区域的视频监控资源分布情况，实时显示监控点在线状态，并能分区域可视化统计设备畅通率，监控点点击热度等信息。

2) 监控点远程操控和视频信号轮询

为快速实现各监控点的监控视角和聚焦调整，系统中所有监控点都须支持在显示画面上用鼠标拖曳的方式调整摄像头的焦距、监控方位、视角等参数，以实现快速监控画面拉近、调远、定焦特点区域；系统须存储各监控点云台移动轨迹，调用轨迹时摄像机会沿着记录自动转动。为方便各级用户管理所辖区域内的监控点，用户可将经常需要访问的监控点加入自动轮询列表，点击视频轮询功能后系统自动循环展示各监控点图像。

3) 水雨情预警信息与周边监控站点智能联动

整合省厅数据中心水、雨情、台风路径等专题数据，当江河湖泊发生水位超过警戒水位的预警信息，或大雨、暴雨、台风等预警信息，系统能自动查询并显示预警信息区域内的监控视频信号。

4) 水位分析、水中漂浮物识别等智能应用

监控点需实时判别监控区域内水面与河岸或大坝的交界处，判断水位是否存在漫坝、超警戒水位等告警情况，并将识别出的告警信息主动发送给相关管理人员。监控点需自动识别水体颜色特征，判别水质好坏，并主动将分析得到的水质变坏结果推送给所辖区域系统管理员。

1.2 系统设计原则

系统在平台架构、智能视频分析功能方面应能持续迭代升级，保证系统在建成后一段时间内不会因技术落后而大规模调整；展示界面清晰、操作简洁，以便于用户管理和维护；系统的软硬件配置应充分考虑系统的升级、扩展、维护问题，须具有标准接口，还要提供开放的软件接口，用以对外共享平台数据；系统软件平台应采用严格的授权访问策略，确保系统安全可靠运行。

2 系统架构和实现

2.1 系统架构

本系统需实现不少于5 000路高清视频监控点的接入，并整合接入水利、水文等部门现有的500多路非高清视频监控资源，同时支持监控视频图像的智能分析，支持多终端、大并发量的视频图像调用，满足系统在线热备的需求。

系统设计方案为分别在互联网公有云平台和政务外网云平台部署两套应用系统[4-5]。部署于公有云平台的系统实现本次新建高清视频信号的接入和存储，可实现互联网终端和微信小程序访问；部署于省水利政务外网云平台的系统实现省水利已建视频监控点视频资源的接入，及水利内网终端访问。省政务云平台和公网云平台之间通过3Gpbs光纤通信专线连通，可实现两个平台接入的不同视频信号快速互相传输和数据同步。在不同网络的云平台上部署两套系统除了能保障系统的稳定性和可靠性，也有效避免省水利厅通信网络和服务器资源的大幅升级改造。当其中一个平台系统出现故障时，还可以通过另一个平台访问系统，满足系统在线热备需求[6-7]。系统整体技术架构如图1所示。

图1 广东水利视频综合监控系统技术架构示意

2.2 系统核心部分实现

2.2.1新建高清视频监控点设计

由于本次新建的高清视频监控点分布在全省江河湖泊附近，大多数都位于较偏僻的野外环境，每个监控点需要监控的范围广，监控设备易受雷电、水面反射、雨衰等恶劣环境影响，还需满足24 h不间断的监控需求，因此，新建视频监控点选用超低照度高清球型摄像头，可实现夜间不间断监控。为满足1 080 p高清视频信号实时稳定传输的需求，并有效降低系统建设成本和后期通信网络运维难度，前端视频监控信号通过租用运营商带宽不低于10 Mbps的光纤网络传输到公有云平台上实时显示和存储[8]。

前端高清视频监控点的结构示意如图2所示。监控点主要由高清网络球型摄像头、光纤传输设备、硬盘录像机、供电线路、通信线路、防雷接地等组成。高清网络摄像头输出信号使用国标六类网线与光纤传输设备连接，通过光纤通信网络将视频图像信号传送到公有云平台处理和存储。为有效防止受到雷击而引起电器设备损坏，本方案须在立杆顶部安装一支避雷针，避雷针与电阻值小于4 Ω的地网相连。为防止通信网络中断后前段视频图像缺失，方案为每个视频监控点配置了1台存储容量为3 TB的硬盘录像机，在监控点本地存储1个月的高清视频图像数据作为云平台存储数据的备份。

图2 前端视频监控点的结构示意

2.2.2系统虚拟化平台设计

系统须满足大量高清和非标清视频信号的实时显示、存储、分析和控制，这些功能需要占用足够多的计算和存储资源，对系统的运行环境要求很高。因此，为保障系统的稳定性和连续性，将系统同时部署在公有云和省水利私有云平台上，采用J2EE跨平台技术，在同一云平台上通过虚拟化技术将大量异构的服务器和存储设备构建成统一的资源池[9]，为大规模高清视频监控提供可扩展的海量存储资源和超强计算能力[10]，以保障其中1台主机出故障后能够快速漂移到集群中的其他主机运行。

平台所有构件及子平台采用分布式无状态设计，选用面向服务的SOA组件作为底层核心支撑模块，以确保系统具备高性能并发访问能力，并可根据外部访问数量横向扩展，降低单个应用实例的负载压力，提升应用系统的吞吐能力、稳定性和扩展性。

系统数据存储访问节点采用分布式集群方式，既保证数据的容错容灾能力，又能提升数据访问速度。平台各功能模块采用服务化分布式部署及调用方式，以确保部分服务节点出现故障后不影响整个应用系统的正常使用。 平台安全与监控服务能对系统内部运行的所有服务和外部用户访问进行自动化日志跟踪和运维数据收集分析，以保障运维人员能实时、准确获取整个平台的运行情况，并及时解决问题。系统云平台逻辑架构如图3所示。

图3 系统云平台逻辑架构示意

2.2.3系统展示平台

系统展示平台需实现不同网络终端访问、多监控点视频信号同时显示、水雨情预警信息视频联动、站点快捷查询、云台控制、录像回放、抓拍、用户权限管理等功能。因此，系统基于B/S技术架构，显示界面基于WebGIS电子地图，利用WMS标准地图服务，在底图上叠加水利河流湖泊和水利工程等数据，并录入所有监控点的经纬度数据。主界面基于水利“一张图”同时显示所有监控点的分布情况，可实现地图的放大、缩小、移动、定位等操作[11-12]。

为方便用户快速查询流域、市、县行政区域已接入的视频资源，展示平台通过构建不同的视频图层，支持视频监控点名称、经纬度、行政区域多维度的模糊检索和定位。针对不同流域的水利管理部门，展示平台综合采用广东水系流域分布数据，与GIS地理信息系统相结合，在地图上清晰地展示广东省各水系流域的分布情况，实现在一张图上直观查看各水系流域的视频监控点分布，实现流域专题性的实景视频监控。

同时，系统整合接入水库水雨情数据，在地图上展示重点水库、江河的水位情况，当出现水位、雨情预警时，系统自动推送预警范围内的摄像头列表，并可一键查看。

3 系统测试

目前，广东水利视频监控系统已完成600多路新建的高清视频监控点接入，整合接入省水文、气象、海洋渔业以及地市水务局等部门已建视频监控点700多路。在水利一张图上可实时显示监控点的位置，及设备在线、离线状态信息，并统计在线、离线监控点的总数。用户单击在线监控点可查看该点实时视频信号，视频显示窗口支持1、4、9、16分屏显示，系统主界面显示4路视频信号效果如图4所示。每个显示窗口可单独放大、全屏、缩小，远程云台控制，视频画面上右键可实现视频关闭、码流切换、本地录像、录像回放、抓图、局部放大、进入全屏等操作。实现了监控点名称、行政区域、流域监控点、不同行业监控站点等多种检索方式，可方便用户快速在地图上定位需要查看的监控点。

为便于各单位系统管理员高效的管理和维护系统数据，系统通过大数据分析，基于“运维一张图”展现监控点的点击查询情况、监控点运行状况(畅通率、故障处理、报警)，对故障易发生的视频点进行统计分析，并及时将故障点统计数据发送给系统管理员。系统统计各区域监控点访问情况，分析热点视频区域的分布，为后期系统规划及扩容提供数据支撑。

图4 系统主界面显示4路视频信号效果

4 结语

广东水利视频综合监控系统基于水利“一张图”开发，充分运用大数据、云计算等新技术，实现了全省共1 300多路水利、水文、气象、海事等部门视频监控信号的接入、存储和智能分析，通过视频图像可实时获取我省重要江河湖泊的水位信息，并记录重要堤防、闸坝的运行情况，显著提升了广东省水安全在线监管、水资源监管、江河调度、工程运行、应急处置能力。