基于CCTV 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整合技術(shù)研究與設(shè)計

齊賦寧

(中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，天津 300280)

0 引言

隨著海洋鉆井設(shè)備的自動化技術(shù)的發(fā)展，CCTV 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鉆井生產(chǎn)過程中的重要性逐漸凸顯。以目前主流鉆井JU2000E 型平臺為例，該型號平臺配有兩套HERNIS 品牌的CCTV 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。目前該類型海洋鉆井平臺級CCTV 系統(tǒng)多為根據(jù)平臺設(shè)備情況獨(dú)立設(shè)計，實現(xiàn)多系統(tǒng)之間融合技術(shù)上需要服務(wù)商授權(quán)和硬件支持且升級費(fèi)用昂貴。平臺級也無統(tǒng)一的與上級部門的對接端口，缺乏有效實現(xiàn)集中遠(yuǎn)傳監(jiān)控的條件。

對于海洋鉆井平臺，如何實現(xiàn)平臺級多個CCTV 系統(tǒng)之間融合監(jiān)控，實現(xiàn)對生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)區(qū)域的集中監(jiān)控顯得更加重要。對于海洋平臺上級管理單位，如何高效實現(xiàn)對多個海洋平臺視頻監(jiān)控實現(xiàn)遠(yuǎn)傳和集中整合，在推進(jìn)海洋鉆井信息化的今天更顯重要[1-2]。

1 海洋平臺CCTV 系統(tǒng)控制組件與對比分析

1.1 兩套CCTV 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組件功能

圖1、圖2 為兩套系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。生活樓無線電間CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)主要是由基于TPC/IP 協(xié)議的HERNIS System Server(系統(tǒng)服務(wù)器)、HERNIS 500 NVR(視頻存儲設(shè)備)、MVD(視頻轉(zhuǎn)換輸出設(shè)備)、2UPC(Web 訪問服務(wù)器)、HSS05 Multicom(云臺控制及I/O 接口模塊)、Antenna(通信單元)和Ethernet Switch(網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))等組成。

圖1 生活樓CCTV 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 鉆臺CCTV 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

鉆臺CCTV 系統(tǒng)主要是由基于TPC/IP 協(xié)議的HERNIS System Server(系統(tǒng)服務(wù)器)、HERNIS 500NVR(視頻存儲設(shè)備)、Video Distribution Amplifier(VDA，視頻信號有源分配轉(zhuǎn)換模塊)、HSS05 Multicom(云臺控制及I/O 接口模塊)、AXIS Q7401 Video Encoder(信號處理單元)、HMI(視頻顯示及控制交互終端)和Ethernet Switch(網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))等組成。

鉆臺CCTV 系統(tǒng)除了有生活樓CCTV 系統(tǒng)具有的HERNIS System Server 和HERNIS 500NVR 之 外，還有以下組件：Video Distribution Amplifier、AXIS Q7401 Video Encoder 及HMI，兩套系統(tǒng)機(jī)規(guī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 兩套系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)部圖

1.2 兩套CCTV 系統(tǒng)功能、配置及監(jiān)控實現(xiàn)過程的異同

兩套CCTV 系統(tǒng)雖然同為HERNIS 品牌的500 系列的產(chǎn)品，都能實現(xiàn)集中監(jiān)控對應(yīng)區(qū)域和設(shè)備的目的，但硬件配置有所差異，監(jiān)控實現(xiàn)過程有差別，功能上也各有特點(diǎn)。

(1)從使用上來講，生活樓CCTV 系統(tǒng)設(shè)置主要用于區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測，與火災(zāi)探測系統(tǒng)通信，當(dāng)對應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)火災(zāi)報警，該CCTV 系統(tǒng)能自動移動到對應(yīng)區(qū)域，便于及時監(jiān)測區(qū)域火情。鉆井CCTV 系統(tǒng)主要用于鉆井生產(chǎn)過程及設(shè)備的監(jiān)測，便于遠(yuǎn)程及時地掌握生產(chǎn)過程及鉆井設(shè)備的現(xiàn)場情況，對自動化程度較高的鉆井生產(chǎn)及設(shè)備起到了重要的作用。

(2)從硬件配置上來看，生活樓CCTV 系統(tǒng)配有MVD 和2UPC，能將采集來的10 路視頻信號整合成單路模擬信號，再通過2UPC 實現(xiàn)遠(yuǎn)程Web的客戶端訪問。鉆井CCTV 系統(tǒng)配有VDA 有源分頻模塊和AXIS Q7401 Video Encoder 模塊，能將攝像頭采集來的多路視頻信號進(jìn)行1 轉(zhuǎn)4 分頻，一路視頻信號進(jìn)入NVR 模塊；另一路連接到HSS05的視頻處理模塊，經(jīng)過AXIS Q7401 Video Encoder模塊直接傳輸?shù)剿俱@房HMI 屏幕上，實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程傳輸。

(3)從監(jiān)控實現(xiàn)過程來看，生活樓CCTV 系統(tǒng)攝像頭視頻信號進(jìn)入只有一個通道，單向進(jìn)入NVR 模塊，生活樓CCTV 系統(tǒng)若NVR 模塊不工作，將會導(dǎo)致無視頻信號輸出，CCTV 無法正常使用。鉆井CCTV 系統(tǒng)由于配有VDA 和AXIS Q7401 Video Encoder，實現(xiàn)了信號雙路輸出，NVR 只作為視頻記錄儀，即使NVR 故障，仍有一路信號經(jīng)過HSS05 和AXIS Q7401 Video Encoder 處理后傳輸?shù)紿MI，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

2 現(xiàn)場平臺CCTV 多系統(tǒng)整合方案的設(shè)計思路和實現(xiàn)

2.1 軟件方向的整合思路及分析

兩套CCTV 系統(tǒng)均為同品牌同系列的產(chǎn)品(HERNIS 500)，軟件系統(tǒng)有所不同，軟件設(shè)計的原則是向下兼容，兩套系統(tǒng)要實現(xiàn)聯(lián)通融合，兼容性不存在問題；另外生活樓CCTV 系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程訪問硬件及軟件，設(shè)備MVD和2UPC 可用來實現(xiàn)對視頻信號的整合和遠(yuǎn)程訪問流碼處理程序軟件，所以以生活樓CCTV 系統(tǒng)作為對外聯(lián)通的基站通過布置的光纖實現(xiàn)與鉆臺CCTV 系統(tǒng)的整合聯(lián)通的條件是具備的。

HERNIS 系統(tǒng)為了安全傳輸，采用了加密狗設(shè)計，無論是本地客戶端訪問還是遠(yuǎn)程Web 訪問均需要廠商對其進(jìn)行授權(quán)才能訪問視頻數(shù)據(jù)，目前鉆臺CCTV 系統(tǒng)除了司鉆房HMI 用于鉆井生產(chǎn)的監(jiān)測外，未開通其他客戶端授權(quán)；生活樓CCTV 系統(tǒng)除報務(wù)室的客戶端監(jiān)測授權(quán)外，還有一個供本地客戶端的授權(quán)，遠(yuǎn)程Web 授權(quán)未開通。并且對聯(lián)入系統(tǒng)的客戶端的數(shù)量是有要求的，目前情況下要想實現(xiàn)兩套CCTV 系統(tǒng)的聯(lián)通和遠(yuǎn)程Web訪問，廠家開通授權(quán)需要收取較高的費(fèi)用，通過軟件實現(xiàn)方式成本太高，且與其他平臺間相互融合的條件不具備。

若繞過廠家正常授權(quán)模式，從軟件層直接截取數(shù)據(jù)的方式來看：兩套CCTV 系統(tǒng)采用加密狗設(shè)計思路，通過在HERNIS WatchDog Control 加密狗控制程序加載運(yùn)行Fault and Diagnostic Module、Http Module、CCTV Module、Message Gateway Module、Data Module、Client Proxy Module、Remote Module、Log Module、Server Info Module、External Syetem Controller、AutomaticUpdate、Network Node Gateway Module 與NVR Decoder Module、DVR Module，一起監(jiān)測CCTV 系統(tǒng)運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)，若想在軟件層實現(xiàn)聯(lián)通，避開加密狗監(jiān)測實現(xiàn)起來難度很大[3-5]。

2.2 硬件方向整合思路及分析

既然軟件層面實現(xiàn)困難較大、成本較高，可以從硬件層面來分析實現(xiàn)的可能性。通過對兩套CCTV 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和實現(xiàn)過程分析，將視頻信號的輸入處理作為切入口來研究實現(xiàn)的可能性。

(1)從CCTV 系統(tǒng)攝像信號處理過程分析：在CCTV系統(tǒng)中與攝像頭監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)信號有兩類，云臺控制信號和視頻信號。云臺控制信號需要有與攝像頭芯片相對應(yīng)的解碼組件來完成，視頻信號由于兩套CCTV 系統(tǒng)攝像頭均為模擬信號輸入，采集起來較為容易，不存在技術(shù)難點(diǎn)，但在攝像頭芯片云臺控制解碼方面需要的硬件費(fèi)用較高，且對于現(xiàn)有系統(tǒng)整合后實現(xiàn)云臺控制，對現(xiàn)場生產(chǎn)使用會產(chǎn)生影響。因此，從最優(yōu)方案來看，視頻云臺控制暫不作為CCTV 整合考慮范圍之內(nèi)，只考慮兩套系統(tǒng)視頻信號的融合和傳輸方案。

(2)從現(xiàn)有CCTV 系統(tǒng)視頻信號的輸入和傳輸方式分析：兩套系統(tǒng)在監(jiān)控實現(xiàn)路徑上有一個不同的關(guān)鍵組件VDA(Video Distribution Amplifier)，如圖4 所示。它是CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信號的有源分頻轉(zhuǎn)換模塊，該組件將視頻監(jiān)控系統(tǒng)多路視頻信號進(jìn)行1 分4 的模擬視頻信號進(jìn)行輸出[6-7]。

圖4 兩套系統(tǒng)信號輸入轉(zhuǎn)接模塊

生活樓CCTV 系統(tǒng)直接將攝像頭采集的視頻信號轉(zhuǎn)接輸出到NVR 組件，而鉆臺CCTV 系統(tǒng)在采集完視頻信號后通過VDA 模塊，將視頻信號分成兩路，一路輸出到NVR 組件設(shè)備，另一路視頻信號通過AXIS Q7401 video encoder 傳輸?shù)紿MI 設(shè)備。兩路信號互不影響，對信號輸出到的設(shè)備的獨(dú)立運(yùn)行提供了硬件基礎(chǔ)。以此分析，若能在生活樓CCTV 系統(tǒng)中升級改造視頻連接方式，將直接轉(zhuǎn)接改為VDA 分頻轉(zhuǎn)接，就可以為兩套CCTV 系統(tǒng)實現(xiàn)視頻信號的整合提供硬件基礎(chǔ)，并且由于不整合云臺控制，只是視頻信號，不會對兩套系統(tǒng)的現(xiàn)有運(yùn)行和控制產(chǎn)生影響，在保證兩套CCTV 系統(tǒng)現(xiàn)有監(jiān)控功能的情況下，增加了視頻信號整合的功能實現(xiàn)的可行性。

2.3 多平臺CCTV 系統(tǒng)整合方案設(shè)計與分析

通過研究兩套系統(tǒng)軟硬件聯(lián)通的情況綜合來看，在生活樓CCTV 系統(tǒng)增加VDA 分頻模塊的情況下，對兩套CCTV 系統(tǒng)實現(xiàn)視頻信號的整合提供了硬件基礎(chǔ)，如圖5所示，在不會對兩套系統(tǒng)的現(xiàn)有運(yùn)行和控制產(chǎn)生影響的前提下，通過對兩套CCTV 系統(tǒng)實施視頻信號聯(lián)通整合方案是比較經(jīng)濟(jì)和實用的。

圖5 生活樓CCTV 系統(tǒng)增加VDA 分頻模塊后系統(tǒng)拓?fù)鋱D

(1)雙系統(tǒng)整合所需通信介質(zhì)分析：根據(jù)平臺目前兩套CCTV 系統(tǒng)分布位置和線路情況來看，鉆臺CCTV 系統(tǒng)位于鉆臺區(qū)LER 房，生活樓CCTV 位于上建無線電間，兩者相距較遠(yuǎn)，涉及鉆臺拖鏈、懸臂梁拖鏈和多處橋架情況，如果直接布同軸視頻線纜，布線較長，涉及信號衰減和與動力電纜的電磁干擾問題較多，不是最佳選擇。根據(jù)平臺備用光纖的布置情況來看，有一根從鉆臺區(qū)域到上建區(qū)域的通信光纖可用，但要使用光纖來進(jìn)行視頻信號的傳輸，則需要專用轉(zhuǎn)化設(shè)備——模擬視頻信號光端收發(fā)機(jī)，兩個為一組，一個作為視頻信號的收集轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)射端，另一個作為光信號接收端將光信號還原成傳輸過來的多路模擬視頻信號，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離不受干擾的視頻信號傳輸，傳輸過程如圖6 所示，此方案比較起來更具實用性[8-10]。

圖6 模擬視頻信號光端收發(fā)機(jī)信號傳輸過程

(2)兩套CCTV 系統(tǒng)視頻信號集中處理所需核心硬件：在兩套系統(tǒng)都具有了VDA 分頻模塊的前提下，需要將兩套系統(tǒng)的視頻信號進(jìn)行傳輸及和集中處理，目前主流且性價比較高的是采用DVR 視頻監(jiān)控硬盤錄像一體機(jī)，利用光端機(jī)將兩套CCTV 系統(tǒng)的視頻信號傳輸?shù)紻VR 一體機(jī)，通過DVR 一體機(jī)實現(xiàn)信號的集中處理；提供多終端登錄和后臺管理，實現(xiàn)對視頻的流碼轉(zhuǎn)換；具有聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳功能，為上級管理部門多平臺集中傳輸監(jiān)控提供硬件基礎(chǔ)?？紤]到現(xiàn)場平臺后期增加攝像頭便利性，可考慮采用模擬數(shù)字混合型DVR 一體機(jī)。采用網(wǎng)絡(luò)防爆攝像頭，只需一根網(wǎng)線即可，避免了外接電源的麻煩，也更符合現(xiàn)場防爆的要求[11-13]。

(3)現(xiàn)場平臺級CCTV 系統(tǒng)整合遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)實現(xiàn)過程：經(jīng)過以上對兩套CCTV 系統(tǒng)的研究和整合方案所需要的硬件的分析，現(xiàn)場平臺級實現(xiàn)CCTV 多系統(tǒng)的整合需要在對原系統(tǒng)改動和正常功能使用不影響的情況下進(jìn)行，采用對生活樓CCTV 增加VDA 視頻信號的分頻模塊的方案對系統(tǒng)的改動最小，不影響原有功能使用，同時避免了高昂的授權(quán)費(fèi)用。在雙系統(tǒng)都具有視頻信號分頻模塊的情況下，采用光端收發(fā)機(jī)，通過平臺已鋪設(shè)的光纖實現(xiàn)將鉆臺CCTV 系統(tǒng)的視頻信號傳輸?shù)缴顦荂CTV 機(jī)柜，為兩系統(tǒng)的視頻信號的集中處理打下基礎(chǔ)，整合實現(xiàn)過程如圖7 所示；采用目前主流的視頻監(jiān)控一體機(jī)(DVR)實現(xiàn)對視頻信號的集中處理、轉(zhuǎn)碼，實現(xiàn)多終端遠(yuǎn)程登錄，如圖8 所示，為上級管理部門多平臺視頻集中監(jiān)控打下基礎(chǔ)。

圖7 平臺級CCTV 系統(tǒng)整合硬件實現(xiàn)關(guān)系圖

圖8 兩套CCTV 系統(tǒng)視頻信號整合后監(jiān)控圖

(4)上級主管部門多平臺視頻集中監(jiān)控實現(xiàn)過程:以上是以一個現(xiàn)場平臺為例實現(xiàn)的多系統(tǒng)整合的方案，通過分頻模塊、傳輸光端模塊和DVR 一體機(jī)，在不改動原有CCTV 系統(tǒng)的功能前提下實現(xiàn)了平臺級的系統(tǒng)視頻信號的整合和多終端遠(yuǎn)程登錄監(jiān)控。若多個現(xiàn)場平臺通過同類型的DVR 一體機(jī)進(jìn)行平臺級視頻監(jiān)控的整合，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入DVR 一體機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，在上級主管部門建立流媒體服務(wù)器，就可以通過統(tǒng)一的接口類型實現(xiàn)多平臺級的視頻集中監(jiān)控，流媒體服務(wù)器可以提供多種端接入服務(wù)，通過大屏視頻監(jiān)控終端，可以集中進(jìn)行多個現(xiàn)場平臺視頻監(jiān)控，也可以提供手機(jī)App 及Web的移動設(shè)備終端監(jiān)控服務(wù)，形成更全面視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升公司整體鉆井信息化水平[14-16]。上級主管部門多平臺視頻集中監(jiān)控實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖如圖9 所示。

圖9 上級主管部門多平臺視頻集中監(jiān)控實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

3 結(jié)論

針對無法有效對海洋平臺多個獨(dú)立配置的CCTV 系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測與管理的難題，本文從現(xiàn)場平臺實際情況出發(fā)，通過對兩套CCTV 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能的分析，從兩套系統(tǒng)的異同著手，從軟件及硬件角度對兩套系統(tǒng)進(jìn)行整合的可能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析與設(shè)計。在不改變兩套CCTV 系統(tǒng)原有的功能的前提下，通過增加VDA視頻分頻模塊、光端傳輸模塊及DVR 一體機(jī)等設(shè)備，設(shè)計了平臺級多個CCTV 系統(tǒng)整合方案，較低成本地實現(xiàn)了生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)區(qū)域的集中監(jiān)控，在實際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，成本較低，取得較好效果；同時，由于統(tǒng)一了對接平臺，較好地實現(xiàn)了上級管理單位實現(xiàn)對多個海洋平臺視頻監(jiān)控實現(xiàn)遠(yuǎn)傳和集中整合。

需要指出的是，該多系統(tǒng)整合方案是基于平臺現(xiàn)場在用的多個CCTV 系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，出于現(xiàn)場作業(yè)中對在用監(jiān)控系統(tǒng)云臺控制的安全性和整合方案的經(jīng)濟(jì)性考慮，遠(yuǎn)程集中控制云臺功能并未做整合實現(xiàn)，需要后期增加相應(yīng)硬件配置來進(jìn)行實現(xiàn)。