可视化水文监测系统
——视频服务器在水文监测中的应用
目前各省水利厅对下属所有分局、水文站及现场的监控主要针对堤围、水渠、测站（水文站）等进行数字信息的检测，包括流量、水位、雨量等，主要采用GPRS 等无线传输方式进行通信，信号传输存在延迟和不够形象化，对于监控人员来说，专业性较强，人员素质要求较高，用户希望能够采用可视方式进行远程监控，让监测过程变得更加形象、直观，本系统拟采用最先进的视频压缩、传输技术为用户解决在水利水文监测过程中的视像化，让水文监测更加容易，同时可以弥补原有设备在检测过程中因故障造成的数据错误。
可视化水文监控系统是采用先进的视频压缩、传输技术实现的远程视频监控系统，旨在实现对现场的远程监视和监控，达到实时、准确、高效的集中管理的效果。主要技术是采用摄像机对前端现场进行视频采集，通过先进的视频编码技术实现数字化的视频传输，把所有现场的情况通过视频和音频的方式传输和集中到集中管理中心，主要技术分为视频编码和视频传输等方面，本文重点讨论在视频服务器和视频解码器在水利工程中的应用原理和实现方式。
一、设计原则
可视化水文监控系统的技术实现方案遵循以下原则：
1．可靠性
水文监测实施中，大多存在无人值守或者职守人员不足的情况，系统必须能够稳定、可靠地长时间运行。系统在出现故障时仍然能够提供客户服务，以保障系统的正常运行，且能很快的排除故障，恢复正常运行，确保用户能够及时掌握现场情况。
2．扩展性、开放性
本方案按照最经济实用的原则设计的—个扩展性很强且在扩容升级时浪费最少的系统。该系统遵循开放性原则，能够支持多种硬件设备和网络系统，软、硬件支持二次开发。网络系统、数据库系统和通信枢纽采用标准数据接口，具有与其他信息系统进行数据交换和数据共享的能力，计算机网络系统适应将来的广域扩展，所选用设备支持透明串口传输，便于随时接入进水利系统的其它设备。
3．安全性、可维护性
本系统对数据的安全性进行了专门的处理，在H.264 视频压缩基础上采用特制的视频格式，只能采用专用的播放设备才能进行播放。另外，对所有的权限用户进行严格的权限管理，避免越权使用和监看视频。对于本系统设备，采用高稳定性的嵌入式设计，尽量缩小设备系统模块，以期达成精准化的系统，采用模块化设计，系统施工、维护简单，一般情况下，系统可以从故障中自动恢复，如遇到不能自动恢复的情况，中心系统会实时报警，提示用户及时检查设备状况，一般的维护工作可以由略懂技术的用户自行处理，维护工作非常简单。
4．实时性
水文信息要求实时传输，在本系统中全部采用实时传输的模式进行，音视频和水文信息均可以在同一个系统中进行传输，局域网延迟小于0.5 秒，互联网传输小于2 秒，完全可以满足水文系统的实时监控。
二、网络架构及数据流向
本系统中采用三级传输的方式进行，即：测站—省局—分局，如图1 所示。
图1 网络拓扑图
在本系统中，采用省局集中管理的方式进行管理和监控，同时由省局监控平台进行数据分发传输到各个分局，各分局根据授权情况实时监看辖区范围内的监测点的情况。
在实际的网络中，省局和分局之间是光纤直通的形式，测站和省局之间是通过互联网方式连接，测站的接入方式有DDN、ADSL 等。由于系统管理平台安装在省局，由省局统一进行管理和数据转发，一方面实现了管理的集中，便于对整个水利系统的监控和资源调配，另一方面，合理的节省了网络资源。
三、系统原理
1.前端采集部分
设备连接原理图如图2
图2 前端信号采集系统原理图
前端信号采集部分是整个系统的第一层次，即数据采集层，包括对水位、流量、雨量以及现场视频等信息的采集，同时，可以根据需要设置声光报警等设备，如水位超过了警戒水位等，可以提示工作人员采取相应的措施。水位、雨量、流量等传感器把所采集到的信息通过串口传送到视频服务器，视频服务器把相关信息叠加在相应的视频图像上，同时也通过网络把前端信息传送到监控中心。
摄像机采用室外型红外摄像机，确保在任何时候都能够采集到现场的实际图像。
前端采集部分的核心设备是视频服务器，采用H.264 视频编码算
法和MP3 音频编码算法；采用串行通信口可以连接水文监测传感器，如：水位、流量、雨量等传感器；可以使用R485 接口实现对前端云台和摄像机的控制；可以采用报警联动方式驱动警报器，提醒工作人员采取应急措施；采用RJ45 以太网接口，可以连接到任何以太网络，实现大型的远程视频监控系统，本文所述的方案均是以此核心技术基础进行的一套可视化的水文监测系统。
2.监控中心部分
监控中心处于本系统的第二个层次，数据交换处理层，其中包括中控服务器、数据库服务器、转发服务器、存储服务器（可选）。
中控服务器（必须）：负责远程客户端的认证（用户权限管理），地图目录树管理，电子地图编辑，各转发服务器和存储服务器的管理。
数据库服务器（必须）：负责保存中控服务器中设置的电子地图目录树、电子地图图像文件、用户权限管理、前端设备信息（前端设备，摄像头等）、转发服务器、存储服务器配置信息等数据。
转发服务器（可选）：负责从前端主机获取编码后的音/视频数据，并进行转发（使用TCP 协议），以提供给远程客户端和存储服务器使用，负责巡检主机的状态，接收前端主机的报警信息。
存储服务器（可选）：负责从转发服务器获取音/视频数据并进行存储（写盘），并创建索引信息，以供远程客户端调阅。
各大服务器连接原理如图3。
图3 监控中心设备连接图
图3 中说明了水文监控中心的各个服务器和电视墙的连接原理，图中省略了与水文系统的连接，与水文系统的连接关系实际上是通过软件SDK 接口进行的，主要是把各种水文信息传送给水文管理服务器，同时也可以把重要的视频信息保存到水文管理服务器，便于调阅。
数据交换处理层主要完成以下功能：
①通过网络把现场所有音视频数据进行集中存储，采用专门的数据存储服务器和磁盘阵列进行数据保存，确保数据的可靠性；
②把所有音视频信息进行数据转发，需要现场音视频信息的用户在经过授权后可以远程查看现场情况以及远程下载/回放已经录制好的音视频数据。一般来说，转发服务器可以和存储服务器使用同样
的服务器，以便充分利用网络资源和计算机资源；
③通过大型电视墙预览现场视频，可以对现场所有视频进行分组，然后在电视墙上循环切换显示，对于重要的场景可以使用单独的电视墙进行独立输出显示；
④对于现场的报警信息使用专门的报警服务器进行输出和处理，通过大屏电子地图直观的显示即时报警信息；
⑤采用专门的数据服务器对本监控系统的所有信息进行集中存储。主要包括：设备信息、设备状态信息、用户信息及权限信息、视频分组信息、报警联动信息、报警处理信息、音视频数据保存信息（索引）等各种系统信息；
⑥中控服务器是整个系统中最核心的设备，担负着承上启下、数据交换处理的责任；
⑦对前端采集部分而言，监控中心是后台处理系统，前端收集的所有数据必须经过数据交换处理层后才能转向其他网络用户；
⑧对于整个监控中心而言，主要由中心服务器进行管理，通过对数据服务器进行交互，实现对整个系统进行管理，其中，主要包括：
●对系统、用户、网络等系统资源及安全进行管理；
●对前端数据的存储与管理，特别是对前端报警数据将实现自动存储；
●负责协调、管理数据应用层与数据采集层之间的数据交换；
⑨对于数据应用层，数据交换处理层主要负责为数据应用层提供授权和数据服务。
3.分局级网络用户
分局级网络用户主要采用系统配套的客户端软件进行远程浏览和查看，用户可以根据授权情况查看自己辖区内的检测点的现场实况。客户端软件在任何一台Windows 系统的计算机上都可以安装，使用方法简单，效果图如图4。
图4 水文监测客户端软件界面
客户端软件的功能有远程调看图像、远程调看录像文件、远程控制、循环切换画面等。
可以对所有辖区内的摄像机进行分组，然后在同一个画面上循环显示，同时也可以看到各个检测点的水文状况（数字部分）。
客户端软件本身使用简单，同时也有在线帮助文档，因此，本文不再赘述。
四、总结
可视化水文监控系统采用了最新的视频压缩标准H.264，可以实现对各个水文监测点进
行可视化的远程监控，形象、直观；系统采用了传统的水文监测系统的系统平台网络架构，
最大化利用现有资源；在原有水文监测系统中增加了视频监控功能，让水文监控系统更加容
易让用户接受，降低了水文监控对人员专业化的要求；可视化水文监控系统在各个环节均采
用工业级设备，确保系统的稳定性；可视化水文__