0  引言

    變電站作為電力傳輸的重要環節，在區域包含眾多的一次、二次電氣設備。因此確保各變電站的安全運行是電能穩定傳輸的基礎和重要環節。對變電站的看管從早期的人工看守已經逐步發展到目前普及的全視頻監測管控。但與此同時，由于系統監控的精度和效率不穩定，目前，變電站無人值守的運行模式導致很多重要設施遭到了嚴重的人為損壞或偷盜，嚴重威脅了電網運行的安全性與穩定性。大多數變電站的監控系統是光控制器、視頻切換器、視頻服務器等獨立構件或多個構件形成的一個綜合系統。各變電站捕捉到的圖像信息經電網發送至監控中心，由此便可不受時間和空間的限制實現圖像的實時查看及外圍設施的動態監管^[1]。

    人工智能技術的迅猛發展使得視頻監控產品隨之進入快速更迭期，各種基于互聯網的高性能設備層出不窮。傳統變電站視頻監控系統利用以往架構，兼容性差不能替代舊設備，難以取得滿意的防治效果。為解決此問題，本文使用Linux平臺，并利用近年來成熟的智能視頻分析技術和設備來。本方案基于原始變電站監控系統之上，配裝了專門的智能視頻分析服務器，同時也搭建了報警管理平臺。變電站智能視頻信息融合監控系統在Linux平臺進行設計，能高效、良好、低成本地嵌入先進的視頻攝錄和分析算法和設備，以達到準確度高、報警及時、證據有效存檔的變電站視頻監控使用效果。

1  國內外變電站視頻監控現狀分析

1.1  國內外研究現狀

    國外非常重視變電站的視頻監控領域，美國國防高級研究計劃局成果突出，它在這一領域投入了大量的人力物力。美國國防高級研究項目還與該領域的許多著名大學和機構合作，以實現電力視頻監控的開發和推廣。在視頻監控的過程中，不僅局限于電力領域，將視頻監控技術繼續應用在國家和城市建設中^[2]。

    與此同時，我國成立多家研究機構，著力研究變電站的智能化管理。其中著名的中國科學院北京自動化研究所著力研究在電力管理領域的相關問題，同時成立有電力監測和管理的實驗室^[4]。就目前的發展趨勢而言，電網智能監測工作在發展趨勢中非常突出，目前的發展過程是：首先，在電力視頻監控工作中，信息、網絡和智能的發展目標逐漸實現。與以往的人工管理模式相比，它能更好地反映我國電力智能化的成就，同時充分實現電力管理的自動化目標，有效地促進我國電力的發展。在智能發展的過程中，我國逐漸應用和發展了計算機技術和計算機相關技術。先進的技術也逐漸應用于電力視頻監控領域^[6]。雖然智能的進步，但隨著技術的升級，軟硬件產品的價格也在不斷上漲，價格的劣勢逐漸顯現。在變電站視頻監控領域，信息管理已成為一種普遍現象，但信息的發展主要基于網絡。大多數系統都基于B/S模型。因此，沒有網絡和寬帶的支持，很難達到預期的效果^[7]。在中國的快速發展也為視頻監控系統提供了良好的支持。

1.2  變電站視頻監控需求分析

    結合變電站實際情況，確定出監控對象，一是室內，二是室外。其中，室內監控的根本目的是當發現有外人進入時及時發出預警，同時監控盜竊行為和破壞房間內的各種設施；戶外監控主要為現場工作人員使用電子工作票、電子作業票聯動進行工作調度。同時對變電站內各類人員進行特征分類標記和目標跟蹤，防止人員進入危險區域，對變壓器銅芯等設備進行盜竊和破壞。除此之外，也能對工作人員實施的維護行為進行實時監控，在維修工作者開展工作的過程中，將現場證據作為相關部門有效管理及研究的重要數據。所以，也就對變電站監控提出了下述幾點要求：

    (1)室外區域：變電站邊界入侵檢測。只要監測到有陌生人進入監控外圍區域，就會立即實施停滯、報警等多種有效措施；而只要確定有陌生人進入監控范圍，就會立即發出警報并將捕捉的圖像傳送到監控中心。

    (2)室內區域：室內門道區域的入侵檢測。只要發現有陌生人被允許進入監控區，就會立即發出警報并傳送至監控中心。

    (3)監控中心端：增設專門的報警管理平臺，對智能視頻分析服務器進行實時監控與管理，同時對接收到的報警信息進行分類歸納與存儲。

1.3  系統設計目標

    系統定位南網統一視頻監控平臺的應用系統之一，通過電網的統一視頻監控平臺獲取視頻流數據。在此基礎上，利用視頻智能分析算法，能對變電站的重要設備和各場景下的運行狀態進行自動識別與分析，并且在發生異常時能及時發出預警。檢測報告與上級管理系統相結合，實現數據共享，為現場人員提供可靠的決策支持，為變電站設備的運行維護和基于狀態的維護提供穩定可靠的支持。因此，在設計和建設過程中必須遵循以下條件：

    (1)嚴格按照國家出臺的標準及行業規定搭建變電站智能檢測系統，旨在實現動態、科學監測與管理，在保證可視化顯示的前提下，逐步提高監測結果的精準性。

    (2)視頻數據采集直接受控于標準接口，由電網對視頻監控平臺進行集中調制，利用通信協議集成生產管理系統，共享檢測報警和結果，功能模塊聯動。

2  變電站視頻監控系統架構設計

    本文提出了一種基于Linux平臺的通用高性能視頻監控系統。系統是前端IPCam采集數據并通過現場總線傳輸到視頻智能分析服務器。本系統依托Linux系統搭建平臺。同時搭建了功能強大且性能相對穩定的Web服務器和視頻服務器，最終將系統傳輸到南網統一管理與控制平臺進行控制。本系統主要基于協議實現網絡通信。嵌入式視頻前端的主要職責是捕獲視頻及其相關數據。被壓縮處理之后，利用網絡上傳至后臺服務器，客戶端就可進行動態監控。本系統直接運行于框架下，客戶端可利用瀏覽器由嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件組成。目前，主要的嵌入式操作系統有：、、、等^[8]。其中，嵌入式作為一種特殊的Linux操作系統，幾乎占了嵌入式系統應用的一半^[9]。嵌入式與一樣，均具備內核完整、網絡性強、硬件兼容等諸多特點。另外，隨著嵌入式技術的快速更新與發展，嵌入式也緊隨其后積極調整不同版本和新版本，并在內核中增加特定的機制以滿足不同的需求。由于嵌入式系統的特殊性，與操作系統應用軟件相比，嵌入式應用具有自身的特點。例如，嵌入式應用程序是特定的，軟件代碼需要在基于高質量和高實時需求的系統上進行固化^[10]。

    智能視頻分析前端機采用先進的模式識別和人工智能技術，不僅能對重要場合進行實時檢測，同時還能提供大量有價值的信息。就整體上來看，它具有較廣的適用范圍。如圖1所示，它是系統的總體架構。

    (1)攝像頭采集前端：本系統使用的是基于互聯網協議的網絡攝像頭IPCam。IPCam可以通過網絡發布視頻信息，只要它被插入到以太網線路和電源中。IPCam用于自己的微處理器和內存，通常使用Linux操作系統、內置web服務器、支持各種網絡協議、具有IP地址和DDNS動態域名，并使用瀏覽器IE輸入IP地址進行視頻查看。

    (2)網絡硬盤錄像機（NVR）：NVR對網絡攝像頭 (IPC)設備通過網絡傳輸的數字視頻流進行接收、存儲和管理，實現網絡帶來的分布式架構優勢。通過NVR完成同時觀看、瀏覽、回放、管理和存儲多個網絡攝像頭。擺脫計算機硬件，不需要安裝很多軟件。

    (3)智能視頻管理服務器：智能視頻分析服務器可以實時捕獲視頻圖像，自動分析圖像內容，檢測和跟蹤視頻中的移動對象，結合運動物體的軌跡信息，與預設的安全規則進行比較，為視頻區域的周長入口、項目遷移、攀爬和鏡頭異常生成報警信息。并具有系統免疫功能，調用者啟動和設置恢復功能。

    (4)中央管理器：中央管理器是整個個分布式視頻監測系統的核心部件，它包含通信模塊、事件分類、平臺交互等核心控制功能。

    (5)流媒體服務器：流媒體服務器壓縮一系列圖像數據，通過網絡段傳輸數據，在系統中即時傳輸視頻數據。

    (6)存儲服務器：使用NAS(網絡附加存儲)網絡存儲服務器，使用標準網絡協議進行數據傳輸，為網絡中的Windows/Linux/Mac OS等各種操作系統的各種計算機提供文件共享和數據備份。

    (7)視頻剪輯服務器：視頻剪輯服務器對于壓縮和處理視頻數據非常復雜。它由多部分構成，具體包括了音頻視頻壓縮編解碼芯片、串行接口控制、協議接口控制、系統軟件管理等。它的主要職責是完成壓縮或解壓操作，通過圖像數據的動態捕捉或恢復，最后利用互聯網實現圖像數據和音頻數據的高效傳輸。

    (8)區級中央管理服務器：是整個監控系統的樞紐環節，接收上級管理部門指示，并對所管轄臺區內變電站進行綜合監控，分別部署。

    (9)上級管控平臺及南網統一管理平臺：接收來自區級中央管理服務器的視頻數據及事件信息，進行綜合決策。

3  變電站視頻監控系統功能設計

    本文根據需求制定了一套完善的處理方案。系統可對移動目標進行智能監測與辨識及追蹤，并按照既有監控規則對可能的發生的一些常見安全事件進行自主分析和預判。只有發生異常事件，站點就會觸發現場警報并及時通知中心。并維護現場證據，以視頻流或快照等的形式向用戶提供現場信息。此外，基于原有變電站監控系統之上，另行搭建一套智能視頻分析服務器，同時也增設報警管理平臺。對于此系統而言，可利用當前備受推崇與青睞的智能視頻分析服務器在前端完成視頻檢測。而監控工作者就可在報警管理平臺的協助下輕松完成報警管理及現場取證等相關工作。就整體上來看，本系統的自學習優勢尤為顯著，并且場景適應能力非常強。相較于普通的視頻監控系統，既能降低誤報率，同時還能很好地控制漏報率。

    原始監控攝像頭信號源主要有兩路，一路直接連接智能視頻分析服務器，也就是在原有監控系統之上輕松更新為智能視頻監控系統。在前端變電站中，智能視頻分析服務器按照提前設定好的規則對視頻圖像進行處理，同時還能智能追蹤和預警異常目標。只要發現目標與規則不相符，就會立即發出報警，而預警信息就會經電力專網上傳到運行管理站，并進行報告管理。警察管理平臺在成功接收到預警信息之后，就會通過以下三種方式通知監控，一是視頻彈出，二是語音播報，三是文本提醒。新系統可在原有平臺上查詢實時視頻，一旦發現有人進入就會立即發出預警并拍下入侵視頻圖像。有效克服了當前監測系統的報警準確率低、誤報率高的問題。只有當警報僅發生時，且存儲資源較少時，才能夠實時捕獲警報，確保存儲資源合理利用。

    本方案的提出與實施旨在從源頭上提高系統的智能化水平，為監控中心提供大量準確率高的報警信息，將誤報率控制到最低，并在第一時間存儲并傳送現場證據。根據現場實際情況，本文對系統做了詳盡的功能分解和規劃，系統詳細功能如圖2所示。其主要部分包括：

    (1)工作票、操作票聯動分析模塊：根據實際現場人員的紙質工作單和操作單聯動形成電子表單，操作人員手持PDA進入變電站現場執行工作，對現場情況進行指導，以及對異常行為進行報警。

    (2)電子圍欄警戒模塊：對變電站工作區域在視頻監控區域內進行劃分，當監控視頻發生入侵時，系統立即發出警報，同時鎖定目標，自動調用附近的監控設備跟蹤目標。本系統可以在監控區域使用不同的攝像頭來收集和跟蹤目標，并將目標牢牢鎖定，使入侵者無處藏身。

    (3)人形偵測模塊：利用基于可變形部件模型的HOG(梯度方向直方圖)特征算法結合LSVM(隱支持向量機)算法對人形目標進行檢測，對視頻區域人員異常行為（例如打架）進行實時監測防范。

    (4)人臉識別模塊：利用高精度人臉識別SDK對變電站內往來人員在出入口處進行人臉識別監測，對未錄入系統的非工作人員進入站內事件進行報警。

    (5)工作服、安全帽偵測模塊：對變電站內工作人員的工作服和安全帽特征進行分解，利用特征目標識別算法對其站內工作人員進行輔助識別跟蹤。

    (6)物件跟蹤檢測模塊：具體包括物件遺留報警和物件遺失報警，在監測區和自動報警系統中自動檢測移動物品，支持物品被搬移和物品被搬移一段時間未放回報警。

4  變電站視頻監控系統設計特點

    本文提出的基于Linux智能變電站視頻監控性能主要體現在：

    (1)提高監控系統報警的準確性。目前采用的一些監控系統主要是通過多種不同類型的探測器對變電站進行動態監測與報警，不僅容易受到外部環境變化帶來的諸多影響，同時也會受到電磁干擾。而在本課題中開發的智能視頻分析系統采用視頻分析技術對場景進行實時監測與分析，有效提高了報警的成功率。

    (2)降低漏報率。在原有監控操作系統中，因為是操作管理處的監控人員有選擇地監控某些視頻，必然會造成其他視頻信息遺失，最終導致很多報告信息出現了不完整等問題。而在本設計中選用視頻分析技術，使用計算機技術識別、處理和計算異常事件，同時有人力檢測，能夠在復雜環境中識別監測區域的運動目標，彌補人力監控的不足。

    (3)提高監控系統的實時性，及時提供預警。現有系統的紅外雙檢系統、電子圍欄及各種探測器不能現場分析，不能預先警告。本系統可以跟蹤和分析移動目標并及時警告潛在威脅。

    (4)提高監控系統的信息傳輸銷售率，第一時間存儲并傳送現場的報警證據。目前使用的紅外雙報警系統、電子圍欄及不同類型的探測器可實現功能過于單一，只能對事件進行動態監測與報警，無法提供有力的現場憑證信息；編碼器不能對報警事件進行智能分析與評判；監控中心無法完整保存現場證據。發現報警事件生成之后，系統第一時間傳送報警現場信息并將其保存報警管理平臺上進行驗證。

5  結論

    為解決變電站因數量眾多且無人值守的監控和管理難度，本文提出一種基于Liunx的視頻監控分析智能化解決方案。本文提出的基于Linux的智能變電站監控系統既保留了傳統系統的功能，又可以利用視頻分析前置機的優勢快速精準上傳報警信息。就整體上來看，本系統主要具備下述優點：

    (1)安全性提高。常規的監測系統主要是通過各種探測器對目標進行監測。監控人員只是對部分圖像進行選擇性監控。監控過程中暴露出很多安全問題。而本系統則選用了功能強大且性能相對穩定的智能視頻分析技術，由此大大提高了系統運行的安全性。

    (2)監控效率提高。常規的監控系統需要工作人員長時間盯著監控顯示器，工作效率非常低。而本系統則利用機器進行全天候監控，工作人員無需長時間盯著屏幕，只需處理一些突發的報警事件，這樣一來不僅降低人員工作強度，保證其工作質量，保證了工作精度，同時提高監控效率。

    (3)存儲效率提高。常規的監控系統只是保存部分視頻，無報警事件的監控畫面占用過多空間，而本系統確定了報警事件前后所需的視頻優先存儲和保存等級。系統保證了有用信息的存儲，提升存儲精度和效率。

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作者信息:

梁國堅,張永挺，羅斌斌

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山528400）