油田监控系统整体解决方案

油田监控系统整体解决方案北京讯飞信息技术有限公司2004.10北京讯飞信息技术有限公司介绍北京讯飞信息技术有限公司是一家以网络通讯、数字视频传输、多媒体数据广播技术为研究方向，并使之产业化的高新技术企业，是北京中关村高科技园区内的一家拥有自主知识产权，专注于网络视频通信与多媒体信息科技应用的解决方案提供商和系统产品供应商。 北京讯飞信息技术有限公司成立于2001年4月，核心研发部门设立在北京，核心管理及研发人员均来自于国内外名牌院校和科研机构，并具有在国内外著名电信企业多年的网络通讯和多媒体产品的开发经验，以及在电信、计算机、网络、多媒体通讯等领域优秀的专业技能和成功经验，70%以上具有硕士以上学历。凭借强大的研发实力以及公司在网络通讯和数字视频技术领域所掌握的核心技术，本公司先后成功开发出了讯飞多级远程监控系统、 讯飞网络教学系统等产品，其系列视频产品（包括分级远程监控平台(Xtream)、多媒体网络交互教学平台(Xclass)、网络视频会议系统(Xconference)、多媒体视频点播系统(XVOD)、网络电视系统(NetTV)、数字录像、视频广播、音视频压缩卡系列(MoonLight100) 等高新技术产品）已在政府、水利、银行、军队、金融、教育、钢铁、卫生医疗、大型企业、公安、海关等多个行业中被广泛应用，并取得了良好的社会效益。其中，讯飞远程分级监控系统是国内第一家从系统管理的角度出发开发出的平台式数字监控产品，它集数字录像、网络传输、远程浏览、系统管理于一体，真正实现了现代化的监控要求，为广大客户提供了一整套完善的数字远程网络监控解决方案.讯飞油田监控系统整体解决方案是完全从油田企业的生产现状和安全防范要求出发构建监控系统组织结构的联网监控系统.它在平台无缝对接、系统网络适应性、报警消防联动管理、权限管理模式、系统访问形式和系统性能应用拓展等方面充分考虑到了油田总部要求对分散各地的采油井和工作站工作情况和环境情况进行实时监控的要求。由于特殊的应用领域，该系统在监控设备的防火防爆处理，移动车辆监控等方面都有所考虑。同时，将自控管理系统、视频监控系统、防盗报警系统、消防应急系统统一在一个管理平台上，实现系统资源共享，最大程度整合油田安全生产管理系统是本解决方案的核心思想。北京讯飞作为国内网络多媒体技术领域的领航者将以发展民族高科技产业为己任，服务用户为宗旨，始终执著于技术创新，为用户提供最先进的产品和最优质的服务。 汲取世界先进技术，立足信息高科技市场，为祖国视频通信事业服务是讯飞的终身目标。第一章 油田监控管理系统应用背景和现状有人把油田比喻成没有围墙的企业，因为油田生产点多、线长、面广。石油行业同时具有易燃易爆、有毒有害、高温高压、连续作业等特点，给安全生产管理带来相当大难度。今天人们开着小汽车穿行于都市和山村之间，可有多少人想过历史上人类在向自然索取的过程中所付出的代价？井喷失控、火灾爆炸、机械伤人等等，给人类带来了巨大的损失和伤害，使人们不断地进行反思和总结。集油气勘探、开发、加工、运输、销售于一体的大型石油石化企业，具有要害部位多，高温高压设施和易燃易爆物品多，国内外施工队伍多，施工作业面广链长等特点。而且外部作业环境复杂，违章建筑占压油气管道问题突出，“四窃”现象屡禁不止，干扰生产的事件不断发生。因此，安全生产管理在油田企业的管理中既十分重要，又有相当大的难度。安全生产和油田防盗是油田管理的重中之重.目前,大多数的油田管理系统对生产的管理成效显著,系统应用先进的计算机和自控技术,对油田开采,原油的处理和输送设备进行远程自动化控制,实现远程智能化的生产管理,使遥测,遥控技术广泛服务于石油行业。 由于油田生产作业环境的分散性和复杂性,使得油田生产情况监控系统不具备集中的可视性管理功能,油田防盗系统也表现出以下三种不足:1) 综合功能不足只能完成简单的监控报警，无法实现报警信息和视频采集源的联动采集2) 对广泛的监视地区无能为力油田监控点分布极其分散，环境因素导致铺设报警系统的传输介质需要耗费惊人的经费，而节省经费的后果就是面对广泛的监控地区无能为力，人防在油田监控系统中占绝大部分，油田监控系统技术含量低，监控系统的误报导致油田安全管理系统大量的人力和物力浪费，同时，油田和国家财产得不到有效的保障。3) 监视项目不足具体表现在:1.油田被盗监视系统根本就不具备监”视”功能. 2.油田欲使用传统的CCTV监视系统,又没有能适应其监控点极其分散监视设备。 3.对于特定区域进行外部侵入者监控,防止偷盗原油,但没有有效的监视设备. 4.对于生产和运输现场出现的紧急情况,没有相关系统进行及时有效的处理,以降低损失.构筑高效率,多功能的全面监控管理系统,提高油田企业安全生产管理，已经成为石油企业的迫切要求而提到企业管理人员的议事日程上来。北京讯飞油田监控系统整体解决方案正是以油田安全生产和油田防盗为侧重点,将网络视频传输技术引入油田监控系统,实现油田监控系统的可视化管理,将油田远程自控系统,远程视频监控系统,油田紧急情况处理系统,油田出警控制系统整合在一个管理平台上,系统以网络(包括有线和无线)为数据传输介质,以自控技术和计算机技术为技术核心,以强化管理功能加强监控项目为系统的构建宗旨。由于各个生产单位所建系统的分散性和非统一性,为油田管理中心对整个油田生产和安全情况的管理带来了难度. 讯飞油田监控系统整体解决方案正是将各个分散的生产部门已有各自分散设置或即将设置的 出入管理警报系统 CCTV 监视系统 无线网络系统 紧急联络系统 紧急电话广播系统等集中于一处，进行集中的监控管理，提高油田安全生产的监控能力和紧急事件的初期应对能力,使油田监控管理系统能达到: 事先预防油田被盗及出警支援 事先预防各种事故 减小各种事故的损失综上所述，同时从建设成本、施工难度和最终应用方面，讯飞数字远程联网监控系统都将是连锁企业远程监控管理方式的首选。加强监视项目油田被盗监视CCTV 统合构建无线网络现场检查Trouble紧急自动联络紧急广播电话侵第二章 讯飞油田远程监控系统解决方案如图,本解决方案以原油从采油井到外输站所经设备站为监控系统描述节点,对每个设备站内的监控子系统进行详尽的描述.因油田开采原油的工艺状况大致为：原油由采油设备开采出来经井口到计量站，在计量站经过分别计量得出单井产量后，与来自其它油井的原油混合输到联合站。联合站内，原油先经过脱水转油、电脱水、原油稳定、到外输站，脱水是产生的天然气经过轻短处理送往化工厂作为化肥等的原料，原油中脱出的水经过污水处理消除污染物后，到注水站再将水注回地下。故按照工作流程,描述监控系统组成.同时,对于油田已经建成并日益完善的自动控制系统,因与本方案描述的视频监控系统结合使用,故在系统组成中加以提及,但是,作为本方案的非重点部分,不对其组成和功能进行描述.l 采油井监控子系统系统组成自动控制系统视频监控系统1. 自动控制系统.该系统为油田原有生产控制系统得重要组成部分,且在大多数油田已经完善建成,这里不再赘述.2. 视频监控系统,该系统对采油井口进行监控:主要是对抽油机工作情况的监控，因此在抽油井口和井架上设置带雨刷和防护罩的摄像机。井口的摄像机用来对抽油机工作指标检测仪表进行远程查看，因次，要选用可自动变焦并有高清晰度的黑白摄像机，井架上的摄像机用来对周围环境进行监控，需要较宽的监控视野，因此要为这些摄像机配置云台，同时，在发现抽油机工作异常时，需要近距离观察情况，所以，该类摄像机要具有自动变焦功能。系统描述摄像机通过视频传输线将采集到的视频信号传送到采油井监控系统中的网络视频编码器上.该网络视频编码器安放在油田前端基地内,该基地通过无线网络将视频信息传送到油田监控中心.l 计量站监控子系统系统组成出入控制系统自动控制系统运转设备监视和消防报警联动系统自动控制系统:计量站负责单井产量计量，主体设备是二相计量分离器和阀组，控制任务主要是控制三相计量分离器的操作，采集每口井的油、气、水的产量，并将测量结果和井号上传给联合站。站外在每个计量站设立一个远程控制单元，计量站内的计量、分离器的控制、倒井、数据上传以及远传报警等。井口设前端智能单元，负责测量油压、套压、油温、并有超压报警和泄压等功能，同时对水源区生活用水井口和泵站进行监控。系统描述1) 出入控制系统该系统通过RF读卡机，RF门锁和控制器，实现对相关区域的出入控制。并能与视频监控系统联动，保证特定区域的可视化控制。系统设备：RF读卡机，RF门锁和控制器，摄像机，报警器，讯飞网络视频编码器。系统结构：系统工作原理：将摄像机连接到讯飞网络视频编码器上，同时将读卡机和门锁应用RS-485控制线连接到控制器上，将控制器通过RS-485信号线连接到讯飞网络视频编码器的RS-485接口上，将讯飞网络视频编码器通过RJ-45接口直接连接到无线网桥，通过无线网络将视频信息和控制信息传送到主管部门的监控中心。2) 自动控制系统计量站负责单井产量计量，主体设备是二相计量分离器和阀组，控制任务主要是控制三相计量分离器的操作，采集每口井的油、气、水的产量，并将测量结果和井号上传给联合站。站外在每个计量站设立一个远程控制单元，计量站内的计量、分离器的控制、倒井、数据上传以及远传报警等。井口设前端智能单元，负责测量油压、套压、油温、并有超压报警和泄压等功能，同时对水源区生活用水井口和泵站进行监控。3)运转设备监视和消防报警联动系统系统设备：摄像机，云台，讯飞网络视频编码器，报警器，烟感探头，温感探头，消防设备，防爆护罩。系统结构图:系统工作原理:集中在对站内的设备和安全环境的监控上，站内设置的可自动变焦并配有云台的摄像机可通过数据线同讯飞网络视频编码器相连接，该网络视频编码器可以将视频信号进行采集，编码，网传。将消防报警设备和自控报警设备信号线分路连接到讯飞网络视频编码器上.当运转设备出现故障或异常，自控系统报警时，中央控制系统可以通过网络由前端的网络视频编码器实现对摄像头报警联动控制，控制中心管理人员可以第一时间观看并录制报警时站内和设备状况，方便设备故障或异常的分析和处理，第一时间解决运转设备出现的问题，避免事故发生。通过网络视频编码器将摄像机和消防设备联动，出现险情消防系统运转时，摄像机可以记录现场情况，通过网络传送到中央监控室，方便上级领导及时调度处理。同时为监控设备配置防爆护罩，保证设备安全。信息传输方式:无线网络传输.将网络视频编码器通过RJ-45接口直接连接到无线网桥,监控信息通过无线数据网传送到油田监控中心.l 联合站监控子系统系统组成在联合站内,将监控子系统按工艺装置分为几个控制站，现场控制站分别是脱水转油、电脱水、污水处理和注水等装置的控制站。每个控制站监控子系统由出入控制系统,自控系统,视频监控系统和消防报警系统共同组成.自控系统的数据信息通过油田已铺设的信息线传输,视频监控信息通过无线网络传送,对于没有铺设控制线的联合站,可以将自控系统信息,视频监控信息和消防报警信息通过无线网络集中传送到控制管理中心.系统描述该监控系统的监控模式和计量站相同,组成也基本一致,运行方式基本相同,故这里不再赘述.l 外输站监控子系统系统目标主要是对站内环境的监控，因该站内存储大量易燃易爆的原油，因此杜绝安全隐患是外输站监控系统的主要目的。监控系统和消防系统联动，在烟感探头，温感探头出现异常反应，系统报警的情况下，报警器连接的讯飞网络视频编码器可以和消防系统联动，第一时间将现场情况通过网络上传到监控中心。同时为监控设备配置防爆护罩，保证设备安全。同时,要求对该站的出入进行控制,保障外输站安全,避免人为原因造成损失.系统组成出入控制系统视频监控系统消防报警系统系统描述系统的基本配置和运行原理同计量站基本相同,不同点在于对监控点的设置上,同时,因外输站和监控中心的距离较近,有线网络建设情况较好,所以,该监控子系统的网络传送方式采用有线网络传输l 周界安全监控子系统该系统主要是针对特定的户外地区油田管道运输沿线，储油罐区域等。该监控系统依据其应用的传感器应用介质不同，分为基于光缆的入侵者监视系统和基于微波的入侵者监视系统。基于光缆的入侵者监视系统以光缆为信号传输介质，当监控区域有人或物闯入时，感应器会将感应信号发送给信号接收器，讯飞网络视频编码器将该信号通过光缆上传到中控中心并触动报警，同时，讯飞网络视频编码器将摄像机联动记录闯入地区情况，并将记录信息通过光缆上传到中控中心。基于微波的入侵者监控系统以微波感应器为监控介质，当监控区域有人或物闯入时，感应器会将感应信号发送给信号接收器，接受装置在接受信号的同时，触发报警设备。同时，感应信号会通过电缆传送到讯飞Xtream系列采集工作站，该工作站根据设置，会对通过电缆连接的摄像机发送采集报警点的视频信息的报警联动命令，实现微波监察系统的视频联动采集功能。在控制室，综合控制管理系统将控制感应状况和现场影响对应显示，使控制室的监控人员可以实时清晰地了解入侵者的一举一动。l 紧急情况应对系统系统目标在油田系统发生紧急情况如：井喷，原油运输管道泄漏，计量站、联合站设备故障或设备异常，计量站、联合站、外输站失火爆炸，机械伤人等时，监控系统可以通过广播，无线电，紧急电话或短消息通知相关人员处理故障，疏散人群，安排相关救灾人员到位。确保事故发生时最快速度处理问题，最大程度降低损失。可与火灾接收机联动，在发生火灾时，进行撤离广播工人可以手动广播火灾情况及广播撤离。系统组成1)紧急通报系统将油田原有的紧急通报系统接入管理平台即可。2)紧急电话/无线设备将油田原有的紧急电话/无线设备接入管理平台即可。3)短信息(SMS)v可以以短信息的形式向相关人士的手机上传输设备工作情况v同时可拓展到32Port，现在支持1Portv利用独立型无线SMS传输设备， 无需通过另外的电线或互联网， 仅利用无线网络即可简便、迅速、准确地传输短信息。l 移动巡逻车监控子系统对地域广阔的油田进行监控，不能完全依靠定点的监控设备对系统监控管理.移动车辆所具有的灵活性一直被油田传统监控系统所看中，它不仅比定点监控更具灵活性，而且也能在巡防的同时，第一时间处理和解决问题。因为受到移动网络发展的限制，通过移动车辆对油田进行网络监控一直是油田安全管理部门非现实的愿望而已。然而，随着移动网络技术的发展和逐渐成熟，这一愿望已经变成现实。安全巡管员可以通过车载采集工作站，依靠无线网络，在巡查途中就可以通过无线网络实时监看所辖区域的生产安全情况，及时处理油田生产安全问题，当出现油田原油偷采和输油管偷盗原油等犯罪事件时，能以最短的时间抵达事发现场，协同警务人员抓捕犯罪分子，最大程度降低油田损失，保护国家财产。在车上配置讯飞监控系统采集工作站，该站通过视频线连接车载摄像头，将摄像头所摄的画面采集，编码，压缩，并通过无线网络传送到上级监控管理中心。同时，车上安全监察员通过可无线上网的移动PC实时监看监控中心授权的区域的生产情况。l 中央综合控制管理系统该系统主要包含了生产设备的中心测控系统和视频图象监控系统的总控系统。其中，生产设备的中心自动控制系统支持美国SIMENS公司的MXL接收机在MXL 系统的ncc(network COMMAND Center)的图形画面中显示显示图纸及符号，对连接到Network的所有MXL接收机进行监视及控制。视频图象监控总控系统由讯飞监控服务器，总控工作站，海量存储设备，数字电视墙（等离子或DLP背投）组成。其中，监控服务器通过网络（包括有线或无线）接收来自其下辖监控区域监控工作站（包括视频编码器和采集工作站）发送的监控信息，并提供了对前端监控工作站（包括采集工作站和网络视频编码器）的分层次管理，对整个系统内所有用户的管理和分级权限控制；用户可以通过WEB方式登录服务器，实时监看对他授权的监控点，同时用户可以根据需要将音视频数据实时存储在中心服务器上；服务器数据库记录了所有视频资料信息（视频文件可以是分布在各个监控工作站或监控服务器）、报警信息、监控点信息、其它数据信息，一般用户通过WEB登陆服务器，可以在统一的界面查询任何对他授权的信息，并可以以流媒体方式点播历史资料；对于前端和中心之间不支持多播的网络环境，服务器提供了单播到多播的数据转发，这样中心的多个人员查看前端的实时流大量节省带宽。讯飞Xtream系列的XtreamController总控工作站，它可以实时观看所辖任意监控子系统的任意摄像头，支持同屏16路实时监看，可全屏模式显示接等离子或DLP大屏幕显示系统；用户还可以设定多个轮巡组对前端监控点进行轮巡监看；可远程设定前端监控工作站（包括采集工作站和视频编码器）的各项参数；XtreamController可独立地针对不同的信道进行远程控制；如果接受到前端传感器发生的报警信号，可对前端进行自动控制，包括控制云台转动到相应报警地点，控制灯光照明及拉响警笛并联动录像；另外可通过软件预置，当发生报警时，可自动拨号到指定移动电话或发送短消息，通知相关人员。领导在总部还可以和各监控点进行音频交互，及时处理突发事件。第三章 监控系统主要功能图像功能1. 每台主机4/8/12/16路全实时(延迟不超过0.2秒)同步视音频采集、压缩、存储、网络传输、播放；2. 每路25帧/秒,标准分辩率352*288,单路最大分辨率可达720*576；可多画面活单画面显示，并可发大到全屏；3. 采用MPEG-4压缩技术，最大压缩比可达1：500；网络传输带宽从64K2M可调；4. 并采用多播发送技术，全面满足油田采油井联网监控系统实时同步、高画质、高保真的要求；5. 1、4、9、16画面分割多画面监看，可以所有路或单路全屏显示，可以接大屏幕投影或背投；6. 系统提供本地播放，单播和组播等多种播放模式；根据油田企业内部用户的网络物理位置选择适当的播放模式；7. 系统服务器可以提供单播或组播的数据转发，也可以授权用户直接从监控工作站接收多播信息；8. 手工录制、定时录制、报警录制、移动侦测录制等多种录像模式。控制功能1. 具有传统监控矩阵控制主机的全部功能，音视频切换、云台镜头控制。 2. 本地和远程皆可进行镜头的变焦,聚焦和光圈控制,支持云台的全方位控制；3. 实现远程现场辅助开关灯光、雨刮等的开闭控制。 4. 实现报警信息联动控制。 管理功能1. 提供了用户帐号的开户、修改、删除、密码修改等维护操作；2. 对于每个用户可以指定他有权进行操作（包括浏览/控制/管理）的监控点集合，用户只需要登陆服务器即可以对给予他授权的所有设备进行操作。3. 与油田企业树型管理结构相匹配的树型设备管理结构，不受监控点数目的限制，充分满足了油田企业对监控系统较高可扩放性的要求。4. 可对监控工作站及其下属通道监控点进行添加、删除、修改等维护操作；5. 对监控工作站按区域进行层次化树状管理；6. 当监控工作站启动和服务器连接成功后，服务器将自动获取监控工作站及其下属通道的连接信息，存储在动态数据库中，用户登陆后可以浏览到被授权的在线监控点。7. 系统可以将所需采油点或分矿本地监控系统的监控信息存储在服务器上，提供网络同步存储、网络异步转储、手动转储等多种存储模式。8. 采用多级交叉的权限控制机制，用户权限分8级，每个用户对于每个监控工作站具备的权限可以独立设置。避免了传统权限管理方式造成的一级权限可访问多个子系统的情况，保证监控信息安全。9. 合理的权限冲突检测机制。用户仅可进行有权限系统操作，避免恶意删除和修改监控信息，最大程度保障系统信息的安全。10. 整个系统中包含的所有视音频数据、报警数据和其它用户数据在服务器的数据库均记录有它们的索引信息，用户在服务器上可以查询到所有对他授权的数据信息，并且服务器会自动将用户的请求重定向到物理存放数据文件设备进行流方式点播。为日后协助公安机关破案提供帮助。11. 存储的信息可以刻盘备用，采油点的生产情况录像可以为油田企业生产情况分析提供视频参考。网络功能1. 支持多用户网络监控，支持多播、TCP、UDP数据流输出，可穿透网络层代理。2. 支持能够承载IP数据的各种网络，支持跨路由器的远程实时监看、远程检索查看历史资料、远程控制。3. 自适应网络带宽，实时高效的传递监控信息。4. 随着系统的逐步扩展，会出现许多新的系统。这些系统一旦出现，就可与现在系统联网，从而可以共享视音频及其系统信息资源。系统之间通过IP网络相连。报警功能1. 可外接直接报警输出设备如警灯、警号等；2. 完成报警信息联动控制，即当其中一个报警器出现警情时，其设置为联动的继电器开关动作，并在设为联动的图像上叠加相关文字信息； 3. 可进行报警联动功能设置，如报警联动图像、报警联动开关、报警联动字符4. 一旦有报警触发，通过数字监控主机弹出电子地图显示报警点位置并启动摄像机联动录像功能；5. 总控和分控可自动接受下属监控工作站的报警信息，并以声光和短信的方式提示管理员；6. 报警信息可存储、网传、查询；7. 控制中心和前端监控点可以进行音频双工通信，结合视频画面，中心领导可对前方人员下达命令，第一时间处理突发事件。紧急广播功能监控系统可以通过广播，无线电，紧急电话或短消息通知相关人员处理故障，疏散人群，安排相关救灾人员到位其他功能1.智能应用: 按时间段启动/停止定时录制和定时移动侦测；图像有移动侦测功能；压缩比、图像质量、网络带宽均可进行本地和远程调整。2. 界面友好：系统采用全中文界面，简单实用，易于操作。2.3系统特点本系统是完全基于网络的全数字化图像传输和处理系统，具有以下特点：l 基于IP网络的多级远程监控平台，在DDN、宽带、Internet、ADSL、卫星、微波、CDMA等网络实际运行，支持跨路由器访问；l 支持MPEG4，H.264，H.263视频压缩算法，支持NVS、DVR前端，支持多种设备混合组网；l 具有多种图像处理功能和数据传输方式；l 具有多种报警联动方式和报警控制功能；l 具有多种数据储存和访问方式；l 分布式网络视频接入，集中权限控制和资源管理，多级组织结构，可满足各种规模的客户应用；l 采用LINUX系统及强大的底层软件，使整个系统性能达到最佳状况；l 能合理分配带宽，自适应网络带宽调整，解决网络传输问题；l 支持多播数据发送，满足多人同时访问同一监控点；l 完全自主研发，可提供全面的技术支持和客户化定制；l 在银行、水利、钢铁、煤炭、电信、海关、学校、医院、政府部门和大型企业已经有了广泛的应用，并能针对各个行业提供完整解决方案，产品深受信赖。2.4核心技术 2.4.1核心技术 MPEG-4多媒体应用标准MPEG-4标准是目前最新的视频格式标准之一。完整的MPEG-4标准是一个多媒体通信的框架和规范协议，其中的视频编码算法的设计思想是在基于视频内容编码等技术的基础上，提供极低带宽和可变输出码率（10Kbit/s到1Mbit/s）的条件下提供尽可能好的图象质量。 多点通信通过实现组播技术增强了传统IP网上的多点通信模式，为三网融合提供了通信基础，并且研究了可靠组播技术（Reliable Multicast）和分层组播技术，在三网融合的基础上实现传统业务和新兴业务在统一应用平台上的综合。 实时传输和QoS技术研究和实现了RTP/RTSP（实时传输协议），实现了多媒体信息在IP网络中的实时通信，为实时交互提供了通信基础；利用时间戳等技术研究和实现了减小多媒体信息传输延迟抖动和丢失的质量保证方法；研究和实现通信量整形和排队技术，提供对网络传输质量的保证手段。 异构网络通信平台实现自适应编码技术，实现在多种网络条件下的自适应编码和传输，提供异构网络进行通信的手段。 嵌入式系统芯片技术、DSP技术、RTOS的发展使得传统需要一台计算机实现的功能在一块嵌入式板子上就可满足。嵌入式监控前端以最小化设计实现监控所需功能，刨除了不必要的硬件设计，使得系统的成本大大降低，系统的稳定性和可维护性大大提升。2.4.2MPEG-4算法的实现优势北京讯飞自主研发的MPEG4核心算法在标准规范的基础上在编码效率以及网络适应性方面进行了深入研究，并取得了突出效果。l VBR和CBR模式VBR：即基于品质的模式。当使用这种模式时，所有的帧不管他们的状态如何都压缩到相同的品质，即图像损失率一致。它能保证全部帧的质量是一致的，当它不控制编码输出码率，对于场景运动变化比较大的情况，编码输出码率变化幅度会很大。这种模式比较适合于视频编辑或者对图像质量要求很高而带宽不受限制的应用。CBR：即恒定码流模式。编码器会根据用户指定的码率进行编码，为了保持相对恒定的码流，对于运动变化大的场景，编码器会降低视频质量以降低码率，对于比较静止的场景，编码器会在不超过指定码率的情况下尽可能提高视频质量。这种模式比较适合于网络视频传输应用。CBR的实现复杂度比VBR要高很多，而且实现算法的不同对码流控制的效果差异也很大，国内大部分厂家目前未实现CBR模式或者只是作了一些简单控制。l 核心算法采用汇编程序MPEG-4算法中压缩比越高算法复杂度越大，一般的嵌入式平台主处理器的处理能力不会很高，所以为了能够达到每路25帧/秒，压缩比就不会很高。而北京讯飞将MPEG4算法的核心部分全部使用汇编语言编写（标准算法使用C语言编写），使系统的处理效率提高了30，这使得我们的系统能够提供更高质量的视频。l 预处理和后处理预处理：在编码之前消除原始图像中的“污迹”、“雪花”或“毛边”，也就是所谓的“视频噪声”。后处理：MPEG4解码器增加了Deblocking（去除块效应）功能。l 网络传输时延控制对于实时视频应用，等待时间和抖动必须保持在一定的限度内，标准建议可接受质量的单向最大延迟是400ms（网络传输本身延迟不包括在内）。对于音视频需要同步的应用，必须限制视频相对于音频的延迟。Xtream监控系统已经做到单向延迟小于100ms，在国内同类产品中绝对领先。l 网络传输差错控制网络的不稳定性会经常导致视频包的丢失，而实时视频传输又不允许无限制的重传，而MPEG-4是连续编码算法，丢失一帧数据会导致后续若干帧解码错误，导致“马赛克”现象。我们在传输层通过独有的差错检测、错误隔离、限制延迟重发、强制恢复等一系列差错控制技术，使得“马赛克”现象尽可能少。l 网络带宽自适应调整在网络带宽经常变动的信道中，使编码率与信道带宽相匹配很重要，Xtream监控系统中采用的算法可以实时检测网络带宽的拥塞程度，并可以动态对编码器进行码流整形，调整输出码率以匹配网络带宽。2.5系统组件及相关功能1）网络视频编码器(NVE)简介网络视频编码器(Network Video Encoder)是采用通信、计算机、互联网技术和标准，基于最先进的MPEG-4视频压缩技术开发的最新一代嵌入式网络视频编码器。它主要完成模拟视音频信号的数字化，数字化后的视音频信号采用MPEG4视频压缩算法和G.729音频压缩算法进行压缩编码，然后通过IP网将编码后的音视频数据以IP包的形式传送给监控服务器或远端用户，实现视音频信号的网络传输、网络监控和网络存储，同时可以支持远程的云镜控制和远程报警管理。北京讯飞NVE采用高速嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统，使该系统比其它产品具有更好的稳定性、可靠性和易维护性，可以有效防止病毒。该设备无须铺设专用的视频和控制电缆，就可以与不同类型的以太网设备无缝连接，系统采用标准的互联网TCP/IP协议，不仅能在本地局域网传送实时图像，还可以在网络带宽受限的ISDN、PSTN、xDSL 路由器、局域网、广域网、INTERNET和无线网络上方便地实现视频音频的同步传播。采用IGMP组播协议支持多个客户端连接，不占用额外的网络带宽。图像质量和网络带宽动态可调，占用网络带宽20K2Mbps。本产品是基于开放标准设计的，系统提供了开发接口，设备可持续升级，同时系统可以对不同规模应用实现平滑扩容，可以为投资者提供长期的投资保障。功能音视频全实时同步：每台NVE支持1路全实时（延迟不超过0.5秒）同步视音频采集、压缩、存储、网络传输；每路25帧/秒，标准分辨率352288，最大分辨率720*576。节省存储空间：采用业内顶尖压缩技术MPEG-4算法，压缩比高达1:500，每路每小时只需60180M硬盘空间（包括视音频），网络传输所需带宽10K2M可调。云镜控制：支持镜头的光圈、变焦、聚焦三可变控制；支持云台的全方位控制。网络发送：支持多用户网络监控，支持组播输出。远程报警及联动控制：可提供报警输入接口，当发生报警时，可联动多个设备协同工作。当监视点发生报警时，系统自动启动各种对应的联动设备，并将视频切换到相应的摄像机，开启灯光，自动录像。监控中心可弹出报警信息，并有声音报警和短消息提示。安全管理：重要操作均需权限密码验证，防止无关人员观看、删除、修改图像资料；未经授权的人无法远程访问。智能应用：图像有动态检测功能；压缩比、画质、码流可调整；技术参数 参 数 说 明 中央处理单元TI DSP TMS320C62112，4 M byte flash，64 M byte SDRAM操作系统实时操作系统（RTOS）视频端口1 - 4路PAL（或NTSC）复合视频输入，1Vpp 75欧，BNC接口音频端口1路麦克风信号输入，1路扬声器信号输出视频压缩MPEG4 simple profile音频压缩G.729/G.723图像调整色调、对比度、饱和度和亮度独立调整图像分辨率 60HZ NTSC制式 352x240(CIF)、176x120(QCIF)50HZ PAL 制式 352x288(CIF)、176x144(QCIF) 最大帧速率 CIF 25帧/秒（PAL）/30帧/秒（NTSC）视频压缩率16Kbps-2Mbps，支持VBR、CBR模式网络协议TCP/IP、UDP，HTTP，TFTP，BOOTP，RTP，IGMP网络接口RJ45接口 10/100BASE-TX以太网 控制接口一个RS-485口，对云台、变焦镜头等进行控制，可接收RS-485接口设备的数据报警接口4路报警输入，4路报警输出保存参数系统的缺省设置参数可修改并保存软件升级通过网络升级，或通过串口升级电源 DC 12V /3A外接电源工作环境温度：0oC - 50oC（40-125oF），湿度：20-80% RHG保存环境温度：-20oC - 60oC（40-125oF）,湿度：20 - 95% RHG看门狗监视DSP、视频通道、网络控制器及电源的状态，异常时自动使系统复位电磁兼容性（EMC）GB 9254、FCC Class A、CE EN 55022/1987, EN50082- 1/1992安全性EN 60950, UL, CSA3）监控服务器(MS)简介经过多年多级远程监控系统的设计和实施实践，我们认识到NVE对于构建局域网范围的远程监控系统是足够的；但是对于构建多级的远程监控体系，仅靠NVE难于灵活地搭建整个体系，我们设计开发了“监控服务器(MS，Monitoring Server)”。MS是Xtream多级监控体系的基本组件之一，完成用户管理、权限管理、视频流单播/组播转发、集中存储、资料查询等工作。“NVE-MS-IE”三者的灵活组合，能够构建任何需求的多级远程监控系统。功能概述信任上级MS可在下级MS中设置上级MS的信息，并信任上级MS。通过M通道，上下级MS之间建立灵活的管理关系，下级MS接受上级MS的指挥，完成相应的管理功能。图5用户管理MS提供了用户帐号的开户、修改、删除、密码修改等维护操作；对于每个用户可以指定他有权进行操作（包括浏览/控制/管理）的监控点集合。对于用户，他只需要登陆MS即可以对给予他授权的所有设备进行操作。对于多级远程监控体系，下级MS信任建立信任关系的上级MS的用户，像对待自身用户一样，按照事先设置的权限，为上级MS的用户提供服务。体系自动建立提供了对直接下属NVE/PRODUCER的添加、删除、修改等维护操作，可方便地维护最基层的MS管理的NVE/PRODUCER。对于上级MS，可自动收集下属MS的体系信息，自动建立其下属所有MS/NVE的体系资料，方便了整个系统的维护和管理。权限控制传统监控系统采用的是单一化权限控制。比如将用户按权限的高低分为10级，则某用户对所有的设备具有通用的权限。这显然是不符合实际应用的，比如：某集团下属三个厂，张三是一厂的保卫科长，他的权限是3级（可以浏览和控制），则他可以浏览控制三个厂的所有监控点，而实际他只对一厂的监控点可以浏览控制，对二厂的监控点他只允许浏览，对三厂的某些涉密监控点他甚至连浏览的权限都没有。 图6针对多级远程监控系统的树型管理体系，北京讯飞MS可给用户设置针对本级和下属节点的权限，可授权/拒绝某节点及其下属的管理权、控制权和浏览权，拒绝优先于授权，系统会自动计算该用户对各节点的权限。系统采用了更合理权限冲突检测机制：高优先权用户夺取低优先权用户的控制权；同一优先权用户控制权冲突时，保持一定的锁定时间后大家再次竞争控制权；如果较高级优先权用户设定锁定后，低优先权用户无法控制。用户登陆服务器后，他所可以查看的监控点信息是他必须至少具备浏览权的监控点集合，无法访问未授权的监控点。同样的，在查询历史资料时，用户只可以对授权的监控点的历史资料进行查询。视频转发根据用户在多级监控体系结构中所处的物理位置的不同，可以采用以下多种模式，而在大部分应用中，由于系统中存在各种用户，通常是多种模式的结合使用。（1）监控服务器单播转发模式在这种模式下，用户若想监看某个监控点时，并不是直接连接到NVE/PRODUCER接收数据，除了局域网环境，一般情况下NVE/PRODUCER的出口带宽很宝贵，如果N个人同时连到NVE/PRODUCER监看，则会占用N份出口带宽；而在本模式下，NVE/PRODUCER的数据是直接发送到监控服务器的，且每个监控点只会发出一份数据，用户登陆监控服务器，从监控服务器接收监控服务器转发的单播数据，这样不管有多少人实时监看，每个监控点只会占用一份出口带宽；并且在监控服务器和NVE/PRODUCER之间提供了控制机制，对于某个监控点，如果没有用户在监看，NVE/PRODUCER会停止输出到监控服务器的数据，最大成都节省带宽。根据多级监控的实际情况，大部分用户是和监控服务器是在同一层次，甚至在更高层次，对于和监控服务器之间不支持组播的用户可以采用本模式，对于和监控服务器之间支持组播的用户可以采用“监控服务器组播转发模式”，对于和监控点在同一层次的用户可以采用“本地模式”。（2）监控服务器组播转发模式本模式和(1)基本类似，差别在于对于(1)，对于每个监控点，监控服务器需要实现1N的数据转发（N表示同时在线观看此监控点的用户数），而对于本模式，监控服务器转发1份组播数据，对于和监控服务器在同一个局域网的用户，可以直接接收组播数据，无论有多少用户在监看，监控服务器只转发一份数据。（3）本地模式对于某个监控点，如果和监控点在同一层次（同一局域网内）的用户在监看，如果还采用(1)或(2)模式，则反而多占用了出口带宽，这个时候用户可以直接连接到NVE/PRODUCER接收单播/组播数据，服务器提供权限控制和监控点信息发布。集中存储基于硬盘录像机应用(DVR)的监控系统，历史资料分散地存储在各个硬盘录像机的本地硬盘中，对于大规模的监控应用，这种方式存在比较多的弊端： 查询不方便：当用户想查看某个监控的历史资料时，它必须知道是在哪台硬盘录像机上，而这些信息一般只有管理员清楚，对于使用用户根本不关心这些信息；对于有些需要进行关联查询的情况，如果关联的监控点不在同一台硬盘录像机，则查询起来非常麻烦； 备份工作量巨大：由于前端硬盘容量的限制，存储时间有限，需要逐个对硬盘录像机进行备份。 数据安全性差：由于前端硬盘录像机存放环境及保护措施远不如监控中心，数据文件被环境或人为破坏的概率大大增加；同时由于硬盘录像机一般采用普通硬盘，而集中存储采用专业化海量存储设备，设备的使用寿命和可靠性也不可同日而语。北京讯飞多级远程监控体系，采用集中存储方式克服了上述弊端，而根据用户实际的网络环境不同，我们提供了多种集中存储模式，这些模式可以单独或混合使用。 网络同步集中存储同步存储方式是指MS实时接收监控点的数据，并存储在MS上，这种方式适用于网络带宽足够满足需要存储的监控点的数据流量的总和，像局域网或宽带网。 网络异步集中存储对于NVE/PRODUCER和MS之间带宽较小的情况，可以采用异步集中存储。实时的数据文件存储在NVE/PRODUCER上，可以由MS发起请求，通过网络把NVE/PRODUCER上的数据文件定期转存到MS上。 手工集中存储这种方式是定期手工将NVE/PRODUCER上数据文件通过专用的转储工具转储到活动存储设备上（如活动硬盘），在将活动存储设备送到中心MS，再利用转储工具将数据文件转储到MS的磁盘阵列或磁带上。对于有些用户的实际情况，无法进行集中存储时，我们也提供了资料信息在中心数据库的集中管理，尽管时间数据文件存放在前端NVE/PRODUCER，但MS数据库记录了所有监控点历史资料的文件描述信息，用户在MS可以统一查询所有监控点的历史资料，当需要点播实际数据文件时，由MS将用户的点播请求重定向到存放文件的NVE/PRODUCER完成流方式点播。资料查询整个系统中包含的所有视音频数据，在MS的数据库均记录有它们的索引信息，用户在MS上可以查询到所有对他授权的数据信息，并且根据实际数据文件存放的位置不同，提供多种点播方式：对于集中存储在MS上的数据，直接从MS以流媒体的方式点播。而传统的监控系统的远程点播一般是将网络盘映射为本地硬盘使用打开本地文件的方式播放，这种方式在局域网内还可以实现（尽管实际使用很不方便），如果是跨路由器则无能为力了。对于分布存储在NVE/PRODUCER上的数据，由MS自动重定向到相应的NVE/PRODUCER上进行流媒体方式点播，用户根本不用关心数据文件的物理存放位置。提供了完善的流量控制机制，不会产生短时间流量风暴冲击网络。而现存的监控系统均存在此问题。码流控制：本系统对输出码流带宽的稳定性做了较大改进，比如，设置某一路的输出带宽为512K，则其输出码流一般在400K600K之间抖动，这样在视频业务和其它业务共有传输通道时，视频业务不会对其它业务产生冲击；同时考虑到实际使用中网络带宽的不稳定性（可能时网络带宽本身的不稳定，也可能时其它业务对视频业务的带宽冲击），系统增加了自适应带宽调整功能，在网络拥塞时，采集工作站会自动降低数据输出速率，保证数据可以比较连贯的不丢包传输，当系统检测到网络拥塞解除时会自动将输出速率调整到原有水平。并发流控制：一般情况下，前端的监控点数目多于网络可传输的路数，比如A处有20路视频信号，而假设从A到中心的可用传输带宽为2M，则按每路视频信号512K计算，只可以同时传输4路视频信号。在原有模式下，对中心监看前端的并发连接数并没有限制，当中心有多人同时监看前端的监控点大于4时，由于网络拥塞必然会影响所有人的服务质量。在本系统中，我们在服务器可以设置到某个方向的最大并发连接数，比如设置到A的最大并发连接数为4，则最多只允许同时监控A的4个监控点（可以是许多人同时监控这4个监控点，由服务器完成数据转发，见上面的视频转发），如果有新的用户请求看新的监控点时，采用下面的策略实现控制：如果新用户的权限比已建立连接的某些用户权限高，则剥夺低权限用户的连接，让高权限用户建立连接并通知被剥夺用户，他可以在已有的4个监控点中选择一个进行监看；如果新用户的权限小于等于已建立连接的用户权限，则系统会通知他在已有的4个监控点中选择一个进行监看。带宽管理对于整个多级远程监控系统，网络的带宽瓶颈在各级之间的专线，MS管理到下属MS的专线带宽，当MS的用户(或上级MS)需要访问本级MS的下属MS或NVE/PRODUCER的视频时：若本MS已有该视频，就直接将视频传送给申请者(本级用户或上级MS)；若本MS没有该视频，MS就会自动查看到相应下属MS的总(设置)带宽、目前已占用的带宽，若带宽允许则允许建立与相应下属MS的连接；若带宽已饱和，系统会自动计算降低已有的比申请者级别低的用户的连接带宽，或关闭已有的比申请者级别低的用户连接，若能够腾出带宽则允许连接并实施降低或关闭操作。系统管理MS按照设置的时间间隔，自动收集各NVE/PRODUCER的工作状态，及时发现网络及NVE/PRODUCER故障，及时报警通知排除。基于Linux平台MS采用Linux操作系统，和Win2000/WinXP相比，Linux的优势是很明显的： Windows在网络处理性能上明显劣于Linux； Windows平台容易受病毒感染导致系统无法正常工作； 对于服务器来说，稳定性是第一重要因素，Linux胜出一筹； Linux对大容量磁盘存储系统的支持更好； Linux的服务器集群技术是windows无法相比的； 系统的升级和深层次开发容易实现。 系统采用了目前非常成熟的LAMP（LINUX+APACHE+MYSQL+PHP）技术平台。4）总控工作站(CS)简介总控工作站(CS，Control Station) 主要向管理员提供对管辖区域内设备的管理、状态的监视以及告警的管理。CS的各种数据均是从MS获取，MS主要负责数据收集、存储、转发，CS负责数据的处理和可视化显示。CS可以同屏16路监控前端任意采集工作站的任何多路的视音频，通过授权可以控制前端云台和镜头；NVE/DVR发生的报警会实时传送到相应的总控工作站，总控工作站会以声光和短信的方式通知管理人员；总控工作站还可以和多个前端交互点进行音视频交互，领导可以向前端工作人员下达命令。下图是CS的主导航界面和电子地图导航界面：功能实时监控：同时接收网络中任何16个监控点的音视频数据并解码显示，可实现1、4、9、16画面分割多画面监看；可以对监控点编组自动轮巡查看；监控工作站和总控工作站可以是一对一、一对多、多对一、多对多；远程控制：经过权限认证能控制任何一个被授权的监控点的云台及镜头。支持异构网络：支持能够承载IP数据的各种网络（电信网、互联网、数据专线、卫星、无线），支持跨路由器的远程实时监看、远程检索查看历史资料、远程控制；支持组播功能。多种显示模式：1、4、9、16画面分割多画面监看，可以所有路或单路全屏显示，可以接大屏幕投影或背投。节点树状导航：采用树形结构组织各监控点，操作方便；具有良好的可扩放性，不受监控点数目的限制。电子地图导航：用户可以通过电子地图方便检索监控的视频和告警。集中报警处理：下属的监控工作站报警信息自动接收，并以声光和手机短信方式提示管理员。远程配置：对下属的监控工作站进行远程参数配置、系统重启动等维护操作。状态监测：能够实时检测下属监控工作站的在线情况，动态检测连接通道的网络带宽。手动存储：对于实时监控的任意多路音视频数据可以手动存储在服务器。北京讯飞部分客户名单国家地震局 玉溪中级人民法院外交部 甘肃酒泉钢铁集团空军第三研究所 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