無線視頻監(jiān)控技術(shù)在供電企業(yè)的應(yīng)用

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1、應(yīng)用分析

有線視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)日趨成熟。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線視頻技術(shù)已經(jīng)迅速跟進(jìn)，遠(yuǎn)距離的視頻傳輸已經(jīng)開始進(jìn)入實用。無線監(jiān)控以其覆蓋范圍廣、部署位置靈活、與有線監(jiān)控融合方便的優(yōu)勢，目前可以作為有線監(jiān)控的有力補(bǔ)充。根據(jù)使用單位的需要，可隨時增加、減少或更改網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控點的位置，可以大大提高系統(tǒng)運行的管控水平。

無線視頻監(jiān)控在電力企業(yè)中有著很好的應(yīng)用前景。如電力施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控，輸電線路視頻監(jiān)控（如風(fēng)箏事故和電力設(shè)施保護(hù)重點地段、輸電線路重點地段、建筑施工等；應(yīng)急指揮和事故處理；變電運行重要操作遠(yuǎn)程視頻監(jiān)護(hù)；重大保電活動中的運行監(jiān)控等等。

2、系統(tǒng)概述

視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本上由遠(yuǎn)端視頻單元和局端視頻服務(wù)器兩部分構(gòu)成，功能上分為前端視頻采集編碼處理、信號傳輸、視頻解碼及信息處理這幾模塊。而對于采用無線方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要是：無線通信技術(shù)、視頻信號編解碼、遠(yuǎn)端設(shè)備的節(jié)能控制和供電技術(shù)。下面從這三個方面解析系統(tǒng)的技術(shù)要求，并作出分析和選擇。

3 、視頻編解碼

3.1 技術(shù)要求

視頻信息的數(shù)據(jù)量十分驚人，為了能在時變、帶寬有限、誤碼率較高、缺乏QoS保證的無線信道上傳輸視頻數(shù)據(jù)，首先必須壓縮編碼，良好的視頻壓縮比是實現(xiàn)無線視頻傳輸?shù)幕疽?。對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，視頻信號的實時性要求高。一般監(jiān)控畫面顯示與實際事件發(fā)生時間差應(yīng)小于0.5 s，報警時延要求小于1 s，因此對編解碼技術(shù)的編解碼速度要求高。另外由于無線傳輸是在全開放環(huán)境中進(jìn)行，誤碼、掉包等情況會經(jīng)常發(fā)生，因此采用的編解碼技術(shù)必須對誤比特干擾有良好的適應(yīng)性。同時在視頻解碼時我們還要求有很好的視頻恢復(fù)質(zhì)量。

3.2 現(xiàn)有技術(shù)

目前國際上在專門研究視頻編碼方面存在兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織——ITU-T（國際電信聯(lián)盟）和（MPEG）運動圖像專家組，這兩大組織推出的H.26x 和MPEG 系列標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)協(xié)議，集中了學(xué)術(shù)界最優(yōu)秀的成果。

3.2.1 MPEG

MPEG-4 是為在國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上或移動通信設(shè)備（例如移動電話）上實時傳輸音/視頻訊號而制定的最新MPEG 標(biāo)準(zhǔn)，是新一代基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，它與傳統(tǒng)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的最大不同在于第一次提出了基于對象的視頻編碼新概念。MPEG-4 提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務(wù)的實時網(wǎng)絡(luò)傳輸層及底層移動通信系統(tǒng)也可以進(jìn)一步改善流媒體傳輸?shù)目拐`碼性能。

3.2.2 H.26x

H.26X 系列標(biāo)準(zhǔn)是國際電信聯(lián)盟（ITU-T）制定的，專門用于低比特率視頻通信的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它們采用的基本技術(shù)包括：DCT變換、運動補(bǔ)償、量化、熵編碼等。具有較高的壓縮比，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、電視會議以及可視電話等領(lǐng)域，尤其在視頻監(jiān)控領(lǐng)域。它已經(jīng)可以在嵌入式系統(tǒng)中達(dá)到實時、穩(wěn)定的壓縮效果，因此特別適合于無線視頻傳輸?shù)男枰Ｗ鳛槟壳白钚碌囊曨l編碼技術(shù)H.264 標(biāo)準(zhǔn)，采用了高精度、多模式預(yù)測技術(shù)用來提高壓縮比以降低碼流。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計了視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò)友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計了差錯消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，從而保證了視頻傳輸?shù)挠行浴?/P>

3.3 分析和選擇

目前國內(nèi)視頻監(jiān)控領(lǐng)域采用最多就是MPEG4和H.264 兩種標(biāo)準(zhǔn)，這兩種編解碼技術(shù)都能較好地工作在低碼率條件下。這兩個標(biāo)準(zhǔn)比較而言，MPEG4 的優(yōu)點是圖像的恢復(fù)質(zhì)量好。H.264 主要的優(yōu)點有兩個：更高的視頻壓縮比和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性。同時具有較強(qiáng)的容錯能力，適合用于各種網(wǎng)絡(luò)傳輸。在編解碼的計算工作量上，H.264 要少于MPEG4 ，因此在同等條件下，H.264 的運算時間更短，有利于提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時性。

重要的是，在同等的畫質(zhì)下，H.264 比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG2 平均節(jié)約64%的傳輸碼流，而比MPEG4/ASP 要平均節(jié)約39%的傳輸碼流。根據(jù)中國電信上海研究院的實際測試結(jié)果表明：國內(nèi)普遍采用的MPEG-4編碼技術(shù)在3Mbps的帶寬下尚達(dá)不到標(biāo)清（640x480）的圖像質(zhì)量，而H.264編碼技術(shù)可以在2M帶寬下提供標(biāo)清要求的圖像效果。顯然，采用無線通信技術(shù)來傳輸視頻監(jiān)控信號時，我們應(yīng)優(yōu)先考慮采用H.264視頻壓縮技術(shù)。

4、無線通信

4.1 技術(shù)要求

無線信道由于其固有的特性如抖動效應(yīng)、多徑效應(yīng)、瑞利衰落等導(dǎo)致誤碼率高，干擾嚴(yán)重，并且無線網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，波動較大，很難為應(yīng)用提供可靠的服務(wù)質(zhì)量保證。這就給在無線信道中的視頻通信提出了很高要求。

對于采用無線通信方式傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)，無線通信的傳輸速度是關(guān)鍵指標(biāo)。首先我們有必要分析一下視頻監(jiān)控系統(tǒng)中到底有多大的數(shù)據(jù)量，需要多大的傳輸速度。

信道傳輸速度的考慮：在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，主要存在兩種數(shù)據(jù)流：控制數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。其中視頻數(shù)據(jù)量非常大，相對而言控制信號的流量可以忽略，主要具體分析一下視頻數(shù)據(jù)。已知一幅圖像的數(shù)據(jù)量計算公式是：

圖像數(shù)據(jù)量(字節(jié)數(shù))＝圖像水平分辨率×圖像垂直分辨率×像素深度／8例如:拿最常用的CIF格式來說，352*288的像素分辨率，當(dāng)每個亮度和色度分量取8bit精度!每個色度分量取亮度分量一半的分辨率時，即像素深度為12 時，每幅圖像的數(shù)據(jù)量約152kB，以25 幀/s的速率傳送,則需要高達(dá)30Mbit/s的帶寬。即使我們考慮使用壓縮比高的H.264編碼格式，對該CIF視頻信號進(jìn)行壓縮，也需要300kbps 以上的帶寬。如果傳輸經(jīng)壓縮處理過的D1 分辨率視頻信號（720*480，16bit，30 幀/s）,就需要1.7Mbps 以上的帶寬。

傳輸距離對于無線視頻技術(shù)來講也是一個非常重要的技術(shù)參數(shù)?？紤]到，目前電力系統(tǒng)110kV以上變電所均已聯(lián)網(wǎng)，在輸電線路桿塔的10 km范圍內(nèi)一般會存在有線網(wǎng)絡(luò)的介入點，因此需要10km以上的無線通信技術(shù)。另外考慮到圖像質(zhì)量、實時性等方面的要求。傳輸手段的誤碼率和傳輸延遲也是必須考慮的內(nèi)容。當(dāng)然經(jīng)濟(jì)性和信息安全（尤其對于無線系統(tǒng)）也需要關(guān)注。

4.2 現(xiàn)有技術(shù)

國內(nèi)現(xiàn)有的無線通信技術(shù)：

1) 微波。微波通信是視距傳播，每50 km需設(shè)置中繼站，易受干擾，通信質(zhì)量較差，使用的頻率和通道需審批；

2) WiFi。目前國內(nèi)廣泛采用的802.11技術(shù)只能用于解決最后100 m的無線連接，而且最佳的傳輸距離在50 m以內(nèi)。

3) 2.5G 移動通訊。中國移動和中國聯(lián)通各自都已擁有遍布全國的2.5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)。中國聯(lián)通采用基于碼分多址的CDMA2000 1x制式，又被號稱2.75G 的移動技術(shù)。最高下載速度可達(dá)153kbit/s，現(xiàn)網(wǎng)實測可達(dá)100kbit/s左右。目前中國移動已經(jīng)推廣使用速度更高的GPRS 后續(xù)技術(shù)EDGE。采用EDGE 技術(shù)，現(xiàn)網(wǎng)測試也可達(dá)到135kbit/s左右。不少廠家也推出了基于2.5G 移動公網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，作為對有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。另外，國內(nèi)還有一種雙卡或多卡CDMA IX 傳輸技術(shù)，通過多鏈路捆綁技術(shù)，可以提高傳輸帶寬。并且已經(jīng)有相關(guān)的產(chǎn)品。

4) WiMAX。WiMAX 是IEEE802.16 技術(shù)在市場推廣方面采用的名稱，也是IEEE802.16de技術(shù)的別稱。其中IEEE802.16d提供了固定無線接入方案。提供30Mbit/s以上的接入帶寬，覆蓋范圍達(dá)幾十公里，可以為用戶提供便利、優(yōu)良的移動多媒體寬帶服務(wù)和高速的無線數(shù)據(jù)傳輸，并且具備一定的Qos功能。2007 年10 月，WiMax被ITU批準(zhǔn)成為四大3G 移動通信技術(shù)之一。WiMax與其它的3G 技術(shù)不同的是，它的最初目標(biāo)并不是為移動通信服務(wù)商設(shè)計的，它實現(xiàn)了寬帶無線化，它可以由用戶購買設(shè)備自行搭建。在2008 年的抗震救災(zāi)中，WiMax 框架的應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)被用于唐家山堰塞湖遠(yuǎn)程寬帶無線視頻監(jiān)控，效果很好，為搶險工作提供了很好的監(jiān)控手段。

5) 其他3G移動通信（TD-SCDMA,WCDMA）。

這些3G移動技術(shù)是中國移動和中國聯(lián)通將來的3G移動公網(wǎng)所采用的技術(shù)，可以提供足夠高傳輸速度。中國的3G 移動公網(wǎng)已經(jīng)開始建設(shè)，在不久的將來可以提供3G移動通信服務(wù)。

4.3 分析選擇

很明顯，微波技術(shù)成本高，技術(shù)陳舊，不應(yīng)考慮。WiFi的傳輸速度足夠高，但是傳輸距離不夠遠(yuǎn)，只能用于站所內(nèi)無線通信，可以作為變電所視頻監(jiān)控的有力補(bǔ)充。移動公網(wǎng)上的2.5G 技術(shù)——GPRS、CDMA1X 和EDGE，目前只能提供不超過150kbps的傳輸速度，小于300 kbps，不能滿足傳輸CIF流暢視頻信號的要求。因此目前市面上許多基于CDMA 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，開始采用雙卡CDMA傳輸，通過多鏈路綁定提高傳輸帶寬，理論上基本可以實現(xiàn)每秒8~16幀CIF視頻信號。盡管如此，視頻信號的效果仍然不夠好，遠(yuǎn)不及有線傳輸系統(tǒng)。在已有技術(shù)中，WiMAX(IEEE802.16)可以實現(xiàn)30Mbps 以上的速度，30 km以上的傳輸距離可以很好的滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)對通信的要求。但是由于WiMAX 是新興的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)搭建費用很高，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益差。將來TD-SCDMA，WCDMA 等公網(wǎng)的3G 技術(shù)會是很好的選擇。

5、供電方案

5.1 兩種供電方案

5.1.1 直接電纜供電

直接從電網(wǎng)取電。

5.1.2 太陽能或燃料電池供電

考慮到電力輸電線路大多架設(shè)在田野或野外，當(dāng)對這些電力設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)控時，即必須考慮監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)端設(shè)備的供電方案。目前太陽能供電主要采用太陽能光伏電池板發(fā)電。主要由四部分組成：太陽能電池板，太陽能電池分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽能電池。由于單晶硅電池比其他兩類堅固耐用、使用壽命長(一般可達(dá)20 年)、光電轉(zhuǎn)換效率高等，致使它成為最常用的電池；太陽能充電控制器；蓄電池組。

5.2 分析選擇

對于像江蘇地區(qū)的平原地帶，輸電線路大多架設(shè)在農(nóng)田中，如果附近有農(nóng)戶或低壓線路，可以使用電纜直接供電。當(dāng)個別情況下，不可能實現(xiàn)直接供電的，只能使用太陽能供電。江浙地區(qū)是多雨地區(qū)，尤其在梅雨季節(jié)，可能出現(xiàn)連續(xù)近十天的陰雨，會影響到設(shè)備供電。不考慮照明的情況下，以遠(yuǎn)端設(shè)備日耗電量1.2kWh為例，如選取單組電壓=12V，功率=50W 的單晶硅電池板，則需要并聯(lián)電池板2塊，串聯(lián)電池板8 塊；需要蓄電池總?cè)萘繛?4V、450Ah?？梢詫崿F(xiàn)出現(xiàn)連續(xù)4~5天陰雨時保持供電。這種情況下采用燃料電池供電也許更經(jīng)濟(jì)、實用。遠(yuǎn)端視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)計時必須充分考慮節(jié)能。

6、結(jié)論

通過上面的分析計算，電力系統(tǒng)無線視頻監(jiān)控在實現(xiàn)技術(shù)上得出以下幾條結(jié)論：

1) 視頻編解碼技術(shù)上，通過從壓縮比、誤碼的耐受等方面分析比較，我們可以看出，目前H.264編碼技術(shù)比較適合于無線視頻傳輸。

2) 無線通信手段上，現(xiàn)階段只有WiMAX 可以提供CIF 以上分辨率，30fps 的流暢通信。但是采用該技術(shù)還存在造價高的問題。今后幾年，3G移動技術(shù)的發(fā)展，尤其是3G 移動公網(wǎng)的建成，無線視頻監(jiān)控將迎來突飛猛進(jìn)的時代，真正進(jìn)入實用化階段?，F(xiàn)階段在分辨率和流暢程度要求不高的情況下，可以考慮采用多卡的CDMA 1X 無線通信。

3) 在遠(yuǎn)端設(shè)備的供電技術(shù)上，由于光照、連續(xù)陰雨天數(shù)多等自然條件的原因，盡量采用電纜直接供電。在不得已的情況下，在個別情況下可以采用燃料電池供電或太陽能供電。