關(guān)于百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站可視化電廠系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李大偉

【摘 要】當(dāng)前高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及智能化科技的快速發(fā)展，對(duì)電廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的要求明顯提升。論文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站對(duì)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可視化系統(tǒng)在電廠智能化應(yīng)用方面的價(jià)值意義進(jìn)行了分析。

【Abstract】With the rapid development of high-definition digital video monitoring system and intelligent technology， the requirements for the design and application of video monitoring system in power plants have been significantly improved. This paper analyzes the application experience of high-definition video monitoring system in the first domestic nuclear power plant with a million kilowatts， and analyzes the value and significance of the visualization system in the intelligent application of the power plants.

【關(guān)鍵詞】視頻監(jiān)控;可視化;網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu);數(shù)字化高清;多電廠互聯(lián)

【Keywords】video monitoring; visualization; networked architecture; digital high-definition; multi-power plant interconnection

【中圖分類號(hào)】TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）10-0139-03

1 引言

隨著科技水平的快速發(fā)展，數(shù)字化智能技術(shù)產(chǎn)品成為當(dāng)今社會(huì)主流，軟硬件成本也不斷在下降。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品于幾年前已體現(xiàn)出超越傳統(tǒng)模擬技術(shù)設(shè)備的條件。出于對(duì)未來(lái)智能化智慧應(yīng)用的考慮，核電行業(yè)提出了可視化電廠的概念，期望建設(shè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的智能化前端信息采集系統(tǒng)平臺(tái)。初步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域的安全狀態(tài)與作業(yè)人員的安全行為，感知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè);實(shí)時(shí)監(jiān)視重要設(shè)備與廠房的狀態(tài)，感知現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與條件;實(shí)時(shí)輔助監(jiān)視火情，對(duì)火警執(zhí)行復(fù)核，感知現(xiàn)場(chǎng)異常;實(shí)時(shí)監(jiān)控輻射防護(hù)邊界，控制邊界完整;配合其他電子化工作優(yōu)化內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)電廠對(duì)集中管控、降本增效、群堆管理、運(yùn)行安全等方面運(yùn)營(yíng)水平提升的需求。大亞灣核電基地是首個(gè)啟動(dòng)可視化電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站群。

核電站對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用，在目的與需求上較其他行業(yè)存在比較明顯的差異，導(dǎo)致其軟件功能開發(fā)需求較為特殊，需要與核電站日常與大修生產(chǎn)運(yùn)行、輻射監(jiān)管、核安全法規(guī)管控、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)等級(jí)與安裝規(guī)范等掛接，大部分功能均為定制研發(fā)。本文以視頻監(jiān)控系統(tǒng)在大亞灣核電基地可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中的應(yīng)用研究為題，在分析電廠對(duì)視頻監(jiān)控實(shí)際需求與國(guó)內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出對(duì)電廠視頻監(jiān)控的總體設(shè)計(jì)方案，闡述管理與技術(shù)相互承接的思路方案，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控管理，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)而改善管理規(guī)則，提高企業(yè)生產(chǎn)效能，保障安全。

2 研究背景

視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了四個(gè)主要發(fā)展階段：第一階段是模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是矩陣計(jì)算，但傳輸范圍比較小，距離短，沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的能力;第二階段是半數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，它是以硬盤錄像為基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)的多媒體監(jiān)控技術(shù)，音視頻采集的質(zhì)量較高，存儲(chǔ)形式也以數(shù)字形式存儲(chǔ)，處理信息的能力大大提高;第三階段是全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它是基于網(wǎng)絡(luò)和 Web 服務(wù)器的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)距離就可對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制與訪問(wèn)，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)比較，全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控畫面清晰、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、可以遠(yuǎn)程預(yù)覽以及在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)音視頻的傳輸、壓縮、解碼、存儲(chǔ)、播放和錄播等功能等優(yōu)勢(shì)，大大改變了視頻監(jiān)控的新模式;第四階段是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用各種算法，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、鎖定、跟蹤，并具有人臉識(shí)別、入侵檢測(cè)、智能分析、火災(zāi)檢測(cè)等功能。視頻監(jiān)控發(fā)展如圖1所示。

在2014年前后，核電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)還主要應(yīng)用于安防場(chǎng)景，設(shè)備基于模擬攝像技術(shù)，處于第2代產(chǎn)品向第3代過(guò)渡時(shí)期，高清數(shù)字化產(chǎn)品雖已出現(xiàn)，但尚未實(shí)現(xiàn)成熟的大批量工業(yè)應(yīng)用，整體成本過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用。但很快的，高清數(shù)字化視頻監(jiān)控的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)均開始成熟，具備了多場(chǎng)景應(yīng)用的條件，第3代視頻技術(shù)已全面到來(lái)，同時(shí)受到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)火熱發(fā)展的影響，第4代技術(shù)已出現(xiàn)雛形，各個(gè)子系統(tǒng)的互聯(lián)互通成為了可能。在此時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，電力、交通運(yùn)輸、公安、銀行等行業(yè)作為主要用戶群體，都開始了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各自領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用。

除了安防，核電站的生產(chǎn)區(qū)是其核心區(qū)域和重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，關(guān)系著電廠的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)其運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)有著直接的影響，故需要布置全面的視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)可視化電廠的需求。同時(shí)，國(guó)內(nèi)核電基地建設(shè)全面開展，群堆模式下的運(yùn)營(yíng)管理需要充分考慮，因此，網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能滿足高級(jí)人員遠(yuǎn)程技術(shù)支持的視頻使用要求。

3 國(guó)內(nèi)外視頻監(jiān)控產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，有兩種監(jiān)控方式是智能視頻系統(tǒng)所采用的，一種是基于硬件的，一種是基于軟件的。硬件形式以國(guó)外產(chǎn)品為主，軟件形式則以國(guó)內(nèi)產(chǎn)品為主。硬件形式的優(yōu)點(diǎn)主要是分擔(dān)了后臺(tái)軟件處理的負(fù)擔(dān)，但可執(zhí)行的功能受限明顯，二次開發(fā)升級(jí)難度大，而軟件形式則是集中承擔(dān)了全部的分析任務(wù)，后臺(tái)服務(wù)器壓力大，容易造成卡頓等問(wèn)題，但功能升級(jí)更為簡(jiǎn)易，無(wú)需不斷升級(jí)前端硬件。依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)目前處于創(chuàng)新領(lǐng)先的階段，功能開發(fā)定制需求較強(qiáng)，基于軟件技術(shù)形式的智能視頻系統(tǒng)更加符合國(guó)內(nèi)使用需要。

歐美嚴(yán)格完善的質(zhì)保控制體系，使得其軟硬件視頻監(jiān)控設(shè)備主要在穩(wěn)定性上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使用時(shí)成熟可靠。國(guó)外知名硬件廠商有：Bosch、安訊士Axis、威智倫Avigilon等，軟件管理平臺(tái)有：Genetec、Bosch等。

國(guó)內(nèi)知名硬件廠商為：?？低?、大華等，軟件管理平臺(tái)為：東方網(wǎng)力、宇視科技、商湯科技等。依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)硬件產(chǎn)品如海康威視，其設(shè)備型號(hào)制定對(duì)用戶不夠友好，采購(gòu)過(guò)程可能存在潛在影響，而軟件平臺(tái)方面，則受到國(guó)內(nèi)大量開發(fā)應(yīng)用的利好，整體開發(fā)設(shè)計(jì)水平較為理想。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以核電基地為單位，每個(gè)基地均通過(guò)獨(dú)立內(nèi)網(wǎng)組建生產(chǎn)大區(qū)內(nèi)的可視化電廠平臺(tái)。各內(nèi)網(wǎng)通過(guò)上級(jí)管理大區(qū)網(wǎng)絡(luò)（如辦公局域網(wǎng)），在滿足信息安全管理要求的條件下形成互通，為授權(quán)用戶提供實(shí)時(shí)的圖像信息。

對(duì)于大亞灣可視化系統(tǒng)，采用基于PoE供電的網(wǎng)絡(luò)高清攝像設(shè)備，各區(qū)域分布交換機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，形成現(xiàn)場(chǎng)接入層。系統(tǒng)中心通過(guò)萬(wàn)兆交換機(jī)將全部視頻信息匯總管理、分配及存儲(chǔ)。

4.1.1 視頻采集終端

主要采用1080P的球型一體化攝像機(jī)，以及720P/1080P的槍式固定攝像機(jī)，配合使用水下攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)等設(shè)備。根據(jù)大亞灣核電基地內(nèi)3個(gè)百萬(wàn)千瓦核電站的可視化系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)電站（含2個(gè)獨(dú)立機(jī)組以及公用系統(tǒng)）安裝布置400臺(tái)左右的視頻終端，可基本覆蓋生產(chǎn)監(jiān)控需求。

此外，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的個(gè)人便攜式視頻設(shè)備、車載視頻設(shè)備、機(jī)器人動(dòng)態(tài)視頻等，也可根據(jù)使用場(chǎng)景補(bǔ)充使用。同時(shí)結(jié)合會(huì)議室系統(tǒng)的接入，可以實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程支持與診斷功能。目前5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，其傳輸帶寬上的提升更加符合高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，有效避免系統(tǒng)瓶頸。

4.1.2 視頻主控中心

視頻監(jiān)控主控中心布置了各類服務(wù)器與存儲(chǔ)陣列，是可視化系統(tǒng)的核心。

此中心需要較為專業(yè)化的房間環(huán)境，如通風(fēng)散熱、防靜電與干擾、振動(dòng)等。其中根據(jù)實(shí)際使用情況，存儲(chǔ)環(huán)節(jié)較為容易出現(xiàn)故障，其主要原因?yàn)榇疟P陣列內(nèi)硬盤較多，振動(dòng)增強(qiáng)引起。目前，存儲(chǔ)技術(shù)已升級(jí)至“云端”，存儲(chǔ)安全性得到了進(jìn)一步提升，但隨著設(shè)備應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越大，需要提前在設(shè)計(jì)階段規(guī)劃好機(jī)房空間與設(shè)備分布，提升主控中心設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

可視化系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)，涉及電站重要生產(chǎn)信息，數(shù)據(jù)控制應(yīng)從嚴(yán)管理。

4.1.3 視頻管理軟件

由于視頻監(jiān)控軟件功能需要大量定制開發(fā)，推薦采用在其他行業(yè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域已積累足夠經(jīng)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)軟件平臺(tái)。大亞灣可視化系統(tǒng)由于起步較早，使用了當(dāng)時(shí)業(yè)界排名第一的Genetec，其功能成熟穩(wěn)定，但均為涉及收費(fèi)的授權(quán)管理，進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)需要不斷采購(gòu)權(quán)限，對(duì)項(xiàng)目開展與管理影響較為嚴(yán)重，且在涉及創(chuàng)新性功能開發(fā)時(shí)，由于其軟件升版開發(fā)成本較高，國(guó)外廠家響應(yīng)較慢，甚至出現(xiàn)因中美貿(mào)易摩擦，廠家拒絕提供進(jìn)一步授權(quán)服務(wù)的情況，越來(lái)越難以滿足項(xiàng)目應(yīng)用需要。

同時(shí)，考慮到群堆管理需求，應(yīng)關(guān)注視頻監(jiān)控軟件具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力，更加適合在外網(wǎng)部分的應(yīng)用，方便將各子系統(tǒng)在上游網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合。例如，在無(wú)紙化作業(yè)模式下，將流程與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息電子化后，集中在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行管理與利用。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三個(gè)電站分別組建了一套全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)，為了能通過(guò)該系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)視三個(gè)電站的狀態(tài)，項(xiàng)目采用星型連接和分層的結(jié)構(gòu)，通過(guò)光纜將三電站互連，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理，并且該系統(tǒng)可連接到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻信息的全網(wǎng)應(yīng)用。

每廠的核心交換區(qū)域由1臺(tái)萬(wàn)兆交換機(jī)組成，負(fù)責(zé)匯聚PoE交換機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。交換機(jī)的端口工作模式為TRUNK模式。每臺(tái)交換機(jī)上將1080P、720P和存儲(chǔ)服務(wù)器的管理劃分不同的VLAN，網(wǎng)關(guān)都指向核心交換機(jī)，以便后期的維護(hù)和管理。

4.3 存儲(chǔ)模式

為了避免一個(gè)月高清錄像要求導(dǎo)致的超高存儲(chǔ)容量，需采取合理的錄像策略，既能保障不會(huì)“漏錄”重要畫面，又能最大程度地降低存儲(chǔ)容量是構(gòu)建一個(gè)高效，完善的存儲(chǔ)系統(tǒng)所必須要考慮的。

4.3.1 保證圖像清晰度的“抽幀”存儲(chǔ)

對(duì)于錄像而言，清晰度的重要性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連續(xù)性的。所以降低錄像存儲(chǔ)容量最直接的一個(gè)辦法就是降低圖像存儲(chǔ)的“幀率”。正常情況下，連續(xù)視頻是 25 幀/秒，但錄像服務(wù)支持“抽幀”存儲(chǔ)，幀率多級(jí)可選，且可以針對(duì)某個(gè)攝像機(jī)或者編碼器獨(dú)立設(shè)置存儲(chǔ)幀率。

4.3.2 按時(shí)間段存儲(chǔ)

錄像服務(wù)支持指定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)。時(shí)間段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)可精確到秒。

4.3.3 “事件”觸發(fā)存儲(chǔ)

可設(shè)定特定觸發(fā)條件來(lái)觸發(fā)存儲(chǔ)。

4.4 終端設(shè)備信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸

PoE形式下網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸，理論上未使用網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)器時(shí)傳輸距離為100m，使用延長(zhǎng)器時(shí)增長(zhǎng)至300m。保障信號(hào)質(zhì)量的前提下，實(shí)測(cè)無(wú)延長(zhǎng)器安全傳輸距離為80m，使用延長(zhǎng)器時(shí)安全傳輸距離為200m。超過(guò)200m距離的，需使用網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)，中間通過(guò)光纖傳送信號(hào)。

4.5 工作站顯示授權(quán)管理

由于可視化系統(tǒng)供不同用戶使用，工作站需顯示內(nèi)容各不相同，故采用不同等級(jí)的賬號(hào)/密碼進(jìn)行分類管理授權(quán)，為各個(gè)用戶提供不同的工作站顯示范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

可視化電廠系統(tǒng)，是電站智能化的前端基礎(chǔ)應(yīng)用，其猶如電站智能化系統(tǒng)的一雙眼睛，用于獲取電站的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其分析提供依據(jù)。電站運(yùn)營(yíng)管理人員，也需要可視化系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)信息，提高對(duì)設(shè)備問(wèn)題的響應(yīng)與處理速度，進(jìn)而提升電站管理質(zhì)量。

本文以大亞灣核電基地內(nèi)三電站可視化電廠系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為例，分析了互聯(lián)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的關(guān)注要點(diǎn)，為今后可視化系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。且通過(guò)對(duì)現(xiàn)有可視化系統(tǒng)功能的分析，可以看到視頻監(jiān)控系統(tǒng)在未來(lái)還會(huì)有較大的擴(kuò)展應(yīng)用的空間，智能化管理具有非常強(qiáng)大的可塑性。隨著科技的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也會(huì)廣泛應(yīng)用，有線與無(wú)線結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸速度也會(huì)加快，那么以往不便于安裝監(jiān)控的位置，采用無(wú)線技術(shù)會(huì)加速電站監(jiān)控的全覆蓋、無(wú)死角，進(jìn)一步在電廠數(shù)字化建設(shè)中發(fā)揮強(qiáng)有力的作用。