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风光互补无线视频监控在森林防火领域的应用案例
2014/1/24 14:09:00      来源:    作者:/陈良元 王鑫 安联科技
    近年来运用快速发展的WLAN技术、新能源(风光互补发电)技术、3S技术、第三代嵌入式视频服务器等技术建成的森林防火野外视频监控系统在防御森林火灾上日渐发挥了越来越重要的作用。目前该系统正凭借建设快捷、性能高效、低成本、低能耗、环保、配置灵活等特点被全国各地市、县、区林业局及国有大中型林场等所接纳并付之行动。此技术在森林防火野外视频监控的成功应用,真正翻开了运用科学方法、先进科技手段实现防火及管理的新篇章。

当前我国部分地区森林火险形势十分严峻,气候条件极为不利,森林火险等级进一步提高。林内可燃物显著增加,森林火灾数量剧增,面对每年如此严峻的森林防火的境况,国家相关管理部门要求各地要多运用科学、先进的技术及管理方法,迅速采取最有力的措施,尽可能对森林大火的发生和蔓延进行最大限度控制,做到早避免、早发现、早控制。

10年前,视频监控系统被作为森林防火重要手段之一提上了日程,但在海拔高、地形复杂、面积巨大、偏远且无人居住的山区建立视频监控点,无网络、无电源给发展森林防火野外视频监控带来了不小的挑战。但近年来运用快速发展的WLAN技术、新能源(风光互补发电)技术、3S技术、第三代嵌入式视频服务器等技术建成的森林防火野外视频监控系统在防御森林火灾上也日渐发挥了越来越重要的作用。目前该系统正凭借建设快捷、性能高效、低成本、低能耗、环保、配置灵活等特点被全国各地市、县、区林业局及国有大中型林场等所接纳并付之行动。此技术在森林防火野外视频监控的成功应用,真正翻开了运用科学方法、先进科技手段实现防火及管理的新篇章。

 

需求分析

系统设计总体上要求以应用为主,放眼未来,保持先进,经济可行需求为大纲,另外系统还需满足安全可靠、使用方便、可扩展、可升级。根据多年森林防火野外视频监控积累的经验,将需求分析总结归纳为应用需求和管理需求两大部分,具体如下:

应用需求

高性能前端设备

要求云台、护罩等前端设备全天候室外型,护罩冬天有加热除霜、夏天有散热、雨天雨刷的功能;云台为载重、防寒、防霜露、防抖动、高精度、大变速、方位角度位置回馈、可编程控制型;高分辨率摄像机和大焦距镜头须满足持续耐高温、低温等恶劣环境。

风光互补供电

前端监控点均采用太阳能和风能互补方式供电,且满足连续5个阴雨天工作日供电。

大范围视频监控

要求监控范围广且能透雾,要求每个远端点监控范围为3-5KM因此要采用大变焦范围透雾镜头和进口高质量高分辨率的透雾摄像机。

无线WLAN传输网络

由于监控点均架设在野外偏远、人口分布稀疏甚至周围无人居住的森林资源,不具有线和无线通信网络,因此整个网络均采用WLAN方式。

管理需求

用户分层分级管理

可以实现对摄像机进行远程操作,并且可以分层分级的管理(按管理权限对前端设备镜头进行变倍、变焦控制,对云台进行上、下、左、右转动控制)。

录像、存储管理

系统还可以实现按用户实际需求定制录像、存储计划,并且还可以对录像文件按照实际的需要(如时间、大小等)检索、查询、回放等功能。

远程维护管理

通过系统管软件,在网络中心就可以看到每一个远端设备的工作情况,并可远程修改参数,改善设备相关性能。

异构整合

GIS能根据前端云台实时传回的方位角实现视频监控图像范围的定位,在GIS系统的统一的用户图形界面上实时调用视频监控图像。

 

方案具体设计

该项目设计将10个野外视频监控点分别部署在青阳县内各重点林区,能实现对林区的重点区域全面覆盖,及时发现火情。在森林发生火灾时将现场的实时视频图像传回指挥中心,同时建设1GIS地理信息系统,并在RSGPS等技术支持下完成扑火决策,实现对现场火灾扑救人员的集中调度指挥,尽快控制和扑灭林火,最大限度的能减小火灾造成的损失,大大减轻防火的难度。

系统利用视频监控系统能真实记录火灾发生前、扑救过程中以及扑灭以后现场的真实情况,同时结合GIS系统对火灾进行处理、统计及对以后的火灾的预防、治理提供真实有效的直观资料和重要依据。甚至可以生成林火扑救预案库,并对预案中的一些关键因素进行分类,当发生重大火灾时,可首先提取火灾的一些重要特征,再根据这些特征,从预案库中查找相应的扑救预案,供决策人员参考。

以下将重点描述以WLAN技术、新能源技术、3S技术为核心的野外视频监控系统在森林防火中的应用分析。

系统组成

森林防火野外视频监控系统由前端系统、传输系统、指挥中心三大部分组成。其中前端系统和传输系统为该系统的核心部分,分别完成前端视频图像的采集与传输。指挥中心则实现监控画面的实时浏览与观测,通过摄像头对可疑火情区域进行扫描,由图像智能处理系统完成对该区域的火情进行侦测,一旦发现火情在第一时间进行报警并结合GIS系统对火点定位,为火灾现场扑救、指挥与决策提供重要分析和依据。

前端系统

前端监控系统主要由摄像机、镜头、云台、护罩、云台解码器、视频服务器、防雨箱、风光互补供电系统组成。前端系统结构示意图如下:


前端系统结构示意图

 

森林防火野外远程视频监控是一个特殊应用的监控系统,它不同于普通的如小区、银行等监控。它不但要求监控范围大,视野宽,摄像机和镜头具有透雾和滤光功能。而且设备具有防雨、防冻、防晒、防雷、抗腐蚀、抗抖动等功能。

其中风光互补供电设计遵循安徽地区环境为参照,日照时间:4小时, 常年风速: 3.5/秒以上,每天发电8小时;系统在阴雨,无风条件下,可持续独立工作5天。

设计将采用SN-1000WL的风力发电机、SN-S150W×4太阳能板和风光互补控制逆变一体器WSCI1K06-48的综合互补发电。

其中600WSN-S150W*4)太阳能板一天的发电量为:功率×充电时间×综合充电效率=600Wp×4H×2/3=1608Wh

SN-1000WL的风力发电机一天的发电量为:用电器总用电量=用电器功率时间H×1/3=WH千瓦时(度)=1000W×8H×1/3=2720Wh

风光互补一天发电量为:1608Wh+2720Wh=4328Wh,而每天耗电为2562Wh{其中的98W设备为全天24小时工作,每天耗电2352Wh;云台70W平均每天工作1小时,每天耗电70Wh;护罩(风扇+ 加热器+雨刷)70W,计算平均每天工作2小时,每天耗电140Wh};每天的裕量:4328Wh-2562Wh=1766Wh

另外日耗电量2562Wh的功率的前端视频监控设备连续工作5天所需要的电量为:2562Wh×5=12810Wh。则需要配置12V 200AH的蓄电池块数为:12V×200AH×N×0.7(放电深度)=12810Wh,则N≈8(节)。

传输系统

根据现场勘测的结果,要建立的10个野外视频监控点分别位于青阳县境内的南阳林场瞭望塔、陵阳东山、凤凰山、天华峰、青阳县林业局大楼(监控中心)等地,设计10个视频监控点均采用WLAN方式将视频图像传输至青阳县林业局监控中心。每个监控点分布与距离之间关系如下图(所有蓝色虚线相连接的两点之间均为可视),其中天华峰与青阳县林业局监控中心非视距,因此设计采用中继的方式实现无线传输通道的延伸。

由图可知很多视频监控点(如乔木二分厂、丁桥垛山、何家大山、天华峰、陵阳东山)不但要承担着本地视频监控图像的传输,还担负着其他监控点视频图像无线传输的中继功能。因此无线网络传输系统设计不但充分考虑到保证无线传输距离、通道所需要传输多路视频图像的带宽、通道带宽的负载均衡,还应考虑到无线视频传输网络的组播隔离等相关功能。显然设计中所有的传输设备如无线网桥、中继交换机等均支持带宽管理、负载均衡、组播管理等功能。



监控点分布及距离关系图

 

同时设计还应考虑确保无线传输系统未来的扩容、多种业务的承载与扩展,总体设计采用5.8GAlvarion AU-D-SA-5.8-VL54M5.8G BreezeNET B14D 14M2.4GDS11 11M设备相结合灵活组网方式。

青阳县监控中心大楼离转接点(中继点)与何家大山的距离分别为1KM4KM,设计采用点多多点模式(PTMP),15.8G54M设备并配置1个一分二的功分器分别与228dBi增益的天线连接。每个天线分别与何家大山和转接点相连构成2条无线网络传输通道(见图3.1-3两条绿色虚线),此两条无线通道承担着多路视频图像传输(没条通道承担4路视频图像传输)的任务,设计利用无线网桥的负载均衡功能,为每个通道分配28M带宽。

其他视频监控点的无线传输均采用点对点(PTP)的模式,红色虚线连接的采用2.4G频段的11M带宽的无线网桥并配置21dBi增益的网状天线,蓝色虚线连接的均采用5.8G频段14M的无线网桥,并配置28dBi的锅状天线,具体如图所示:



无线传输系统结构示意图

 

指挥中心

指挥中心要有网络集成、服务器、电视墙显示系统等组成,另外指挥中心还通过专网或VPN网络直接与市林业局或省林业厅相连,实现部分数据共享。结构见示意如图。


指挥中心网络结构示意图

森林防火野外视频监控系统指挥中心系统是整个系统的图像显示、图像录像控制中心,远程控制功能,向指挥调度人员提供全面的、清晰的、可操作的、可录制、可回放的现场实时图像。尤其在林区建立视频监控图像范围内发生火灾时,根据前端监控系统云台传回方位角并结合GIS系统能准备对火场进行定位并辅助火灾扑救决策和支持等工作。


远端视频监控图像实时间显示与控制

系统总体结构示意图


3.1-8 系统总体结构示意图

 

系统功能及特点描述

系统功能

系统建成后具有如下功能:

在监控中心可以实现对任意一路摄像机拍摄图像显示与控制。

监控中心可以4/9/16画面或单画面及轮流切换的方式显示摄像机图像。

根据监控中心存储空间的大小、图像采集的尺寸、质量和频率,可记录长达几小时到几个月的录像数据。用户可对记录下来的录像数据进行播放、定位、快放、慢放、查询检索等,还可以对图像抓拍并对其放大处理等操作。

任何一个能上网的地方,通过  IE 浏览器,监控人员可以通过密码和账户进入系统,实时监控远程现场。监控人员可以根据管理员分配的权限任意控制或查看某一摄像头采集的实时动态图象场景,远程调节摄像头的焦距、光圈、景深,控制云台全方位单步微调或连续快调。

本系统与GIS工作系统结合,能将每个着火点的地理坐标位置迅速、准确的定位在电子地图上,便于正确指挥火灾扑救及决策。

 

系统特点

该系统采用了目前业界最先进的技术综合,直接应用了新能源(风光互补发电)技术、第三代嵌入式视频服务器技术,以计算机技术、多媒体技术、CCTV监控技术、无线网络技术、IP技术、3S技术为基础,融合视频图像、语音、数据于一个远程数字化无线网络,形成一个功能完善、适应性强、性价比高、节能环保的森林防火远程野外视频监控系统。概况起来有以下几个特点:

系统数字化、网络化

数字化和网络化的好处还在于即插即用,可扩展。系统未来扩容时只要增加前端设备和升级软件,不用添加其他附加设备,以保证的投资不浪费,此特点非常适合林业远程视频监控,大大降低了系统扩容部分设备重复投资。

通信无线化                                                 

传输采用国际标准无线网络协议802.11a/b/g,无线网络传输之间不受山区山川、河流、桥梁道路等复杂地形和恶劣环境的限制,只要在可视距范围内即可,成为森林防火野外视频监控传输的首选。

技术应用先进化、合理化                                                   

视频采用当今业内先进的H.264H.264+图像数字编码压缩算法,保证流畅视频图像数据在低带宽下可靠、实时传输。无线传输关键技术在视频监控中得到最为合理的优化和利用,设计支持组播传输,实现多个用户同时连接一个视频监控点不会导致带宽紧张;支持组播隔离,从而杜绝了由于视频组播而导致的视频传输通道的拥塞;支持负载均衡,避免了公共通道抢占网络带宽资源。

节能环保、顺应潮流

风光互补供电系统是最合理的独立电源,它特别适合于为远离电网,用电负荷不大的如森林防火野外视频监控点前端设备提供稳定可靠的电源供应。不仅建设成本低于采用电网输配电,大大节省了电能,而且比电网供电更安全。另外由于风能和太阳能是最容易获得而且取之不尽的能源,而且非常节能环保,也顺应未来的发展局势。

 

结语

系统利用WLAN、风光互补技术在林火野外视频监控中较好的解决了山区无电源、无网络的难题,并在森林防火监控等领域得到广泛的应用,这种监控系统体系不仅能大大降低投资成本和管理成本,而且能实现有效及时和安全的防护体系。对降低森林火灾,减少资源破坏,合理利用新能源都有积极的意义。技术的进步可以促进社会管理手段的进步,同时,新技术的广泛应用才能进一步促进新技术产业的发展。

 

 

编辑:苏曼
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