萧振辉,刘余敏

(广州供电局有限公司输电管理所,510310）



输电线路安全作业音视频监控系统的研制

萧振辉,刘余敏

(广州供电局有限公司输电管理所,510310）

摘要：本文针对目前输电线路高空和野外作业安全保障措施技术方面存在的不足，研制了一套安全作业音视频监控系统。该系统的通信采用了自适应扩频技术，利用短波的无线网络实现点对点通信。本文详细介绍了该系统的信息采集部分、信息传输部分和监控中心部分的工作原理和具体实现。介绍了该系统的功能和特点。

关键词：音视频监控系统；安全作业；自适应扩频；输电线路

0　绪论

输电线路的巡检、维护等工作具有移动性、紧迫性等特点，一线工作人员经常需要在野外或是高空进行检修工作，对现场安全保障工作提出了很高的要求。目前输电线路中危险作业区（如高压铁塔作业、变电站一次部分带电巡检作业、高压线的春秋季巡检作业等）的操作安全效率有待提高。为了提高输电线路安全作业的数字化管理水平，实现对巡线人员的环境危险点预警提示和遇险呼救定位功能，提高野外、高空作业的安全监护水平, 规范现场作业人员的工作流程，方便重大抢险作业的现场指挥、监控，同时为了对重大作业现场的音视频资料进行保留和提取，方便对重大作业的案例分析及工作总结和观摩学习，需要研制出适用于输电线路安全作业的现场无障碍通信系统。

目前能应用于安全作业领域的通信方式主要包括：1）对讲机：该类通讯设备目前大量应用于安全作业领域，起到了很好的作用。但这类设备的缺点也显而易见：只能一对多通话，即同时只能有一方讲话，其他同频设备同一时刻只能接收。无法做到多方同时通话；通话时需要工作人员占用双手操作，非常不方便。2）国外内通系统：一般此类产品仅有多方通话的单一功能。无法实现视频的传输，同时其设备的价格也难以被工程单位接受。 3）军用作战内通系统：该类产品一般品质要求很高，保密性也很强，但并不太讲究舒适性。其单兵系统较重，同时除了音视频通信功能外，它一般还集成了多项测控数据，如GPS信号、人体生命特征参数等，价格非常昂贵。

(1)随着广州供电局有限公司对电力设备的深入管理，各级领导对电网建设的安全、效率和可靠性提出了更高的要求，大力提倡科技兴安。为了实现对输电线路检修、配网带电作业、变电站检修的视频备档和重大特殊作业现场的实时监控指挥，高空作业人员之间的无障碍通讯，经各方领导、专家构思论证，本文提出并研制开发了输电线路安全作业音视频监控系统。通过在输电线路输电线路安全作业过程中加入本音视频监测系统，可以实现：

1)杜绝现场操作人员的侥幸心理。少部分现场操作人员由于自身素质或者工作量的原因，在操作时节省操作步骤，给安全作业留下隐患，通过本音视频监测系统，可以对整个作业过程实现监督。

2）及时发现操作违章并纠错。通过回放整个作业过程，对照标准作业流程即可发现操作中存在的错误，有利于作业人员技术的提高。

3）为事故分析提供重要原始资料。高空作业一旦出现事故，寻找事故原因一般非常困难。通过本音视频存储资料的回放，可发现重要线索，为事故分析提供客观的证据。

4）对视频资料进行收集和整理后，从中发现的高频率违规操作可为针对多发性安全问题和误操作问题提供重要警示，让操作人员形象生动地看到潜在的危险，以进一步增强其安全意识。

5）对现场优质操作进行录像，能为新员工提供真实生动的学习教材。

本文首先介绍了所研制的输电线路安全作业音视频监控系统的结构和总体设计，其次介绍了该系统各组成部分的设计原理和具体实现，重点介绍了系统中应用的无线通信技术及设备选型，最后介绍了该系统可实现的功能、特点及应用场合。

1　系统结构及总体设计

本文提出的输电线路安全作业音频监控系统的整体结构如图1所示。

该系统主要由现场信息采集单元、无线传输网络、现场信息汇聚单元和监控中心管理平台组成。现场信息采集单元由作业人员随身携带，完成现场音视频信息的采集和发送工作，包括了彩色针孔摄像机、内置微型麦克、无线发射天线和电源等，且已集成于一套装置内。每套音视频监控系统可支持1路现场信息采集单元，且通过扩展最多可支持4路。

图1　安全作业音频监控系统整体结构Fig.1　the framework of the supervising system

安设在场外指导监控区域的现场信息汇聚单元包括有无线接收装置，数字式硬盘录像机和键盘显示器等现场人机接口。它接收来自各现场信息采集单元的实时音视频信息，将其转换为BNC输出的音/视频信号，利用硬盘录像机（DVR）作为音/视频的汇聚平台，实现多路音视频的汇聚接入、统一管理、实时监控和集中存储。

本系统的无线传输网络采用自适应扩频通信技术，通过扩频，实现现场信息采集单元与现场信息汇聚单元之间的无线信息传输。

监控中心管理平台可实现现场音视频的远方监控，对现场资料进行收集整理，留待今后研究分析。本系统在DVR上连接无线3G路由设备，通过中国电信CDMA 2000、中国移动TD-SCDMA或中国联通WCDMA任意一家无线通信网络，实现向监控中心管理平台的现场资料上传。

本系统总体设计及建设遵循的原则是：

1）集中化原则：避免重复建设，实现资源整合，满足监控视频的多点接入。

2）标准化规范化原则：系统应具有完善的软件体系结构和标准的内部模块接口，能提供各种规范的应用和服务，灵活实现系统功能模块的配置和扩充，必须统一定义与外部系统的消息、数据接口。

3）最小性能影响原则：平台升级、扩容过程中，尽可能实现系统的平滑升级、扩容，不影响对原有系统功能的正常使用。

4）可维护性原则：平台应易于维护，易于分析和测试，易于发现和定位故障，并通过良好的系统设计保证故障的隔离。

2　系统主要设备的设计和选型

2.1现场信息采集单元

该单元的核心设备包括监控摄像机、视频编解码器和无线发送装置。根据野外/高空施工作业的现场环境，在每个施工作业工地可以安装一个或数个监控摄像机（彩色或黑白、固定或活动云台、定焦或变焦），外围再各配备一台云台、防护罩及云台控制器，云台可以由监控中心的计算机控制。每个视频采集点各匹配一台视频编解码器。监控摄像机用于采集现场施工作业状况的视频信号，主要是监控施工作业工地人员的操作。

本系统选用了无线网络摄像系统，它具有使用方便、无需布线、安装简单、图像质量清晰、稳定可靠和使用灵活等特点，完全满足视频信号实时清晰传送的要求。其核心技术为直接序列扩频DSSS和基于MPEG-4的数字视频编码器。具有保密性高和抗干扰能力强的特点，可实现真正的双向移动宽带通信。

视频编解码器负责把摄像机的模拟视频信号转变成数字信号，同时进行压缩，另外也接收控制信号。视频编解码器内置10/100M网卡，通过网线连接到无线发送装置上。为充分保证每个监控点的带宽，视频编解码器采用MPEG4的编码标准，带宽占用较低，并可实现图像的优质传输和存储，而且传输距离较远，适用于海量数据实时无线传输的要求。

2.2无线传输技术及设备选型

野外施工作业视频监控的特点是监控场合范围相对较广，且分布位置较分散，且监控点和上级指挥中心一般相距较远，信号传输距离较长，利用传统网络布线的方式不但施工不便且成本非常高。采用无线通信技术可将多个被监测点与指挥中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线网络链路。无线传输具有安装施工方便、可实现快速覆盖、灵活性高、扩展性强等特点。

本系统中信号传输全部采用无线宽带接入技术，通过无线宽带接入设备采用点对点方式建立覆盖野外施工作业工地的无线宽带网络。在中心点安装一个同频无线接收器，以尽量保证能够接收到各分部点发射过来的信号。大大提高了图像质量，屏幕彻底消除马赛克现象，达到了系统的设计要求。

视频监控要求信号实时、连续、清晰，使得图像信息传送的数据量非常大，且不同的流媒体文件对网络带宽的要求各不相同，为了达到更好的音视频质量，所设计的无线通信系统的网络带宽将是重要的性能考核指标。无线网络标准IEEE802. 11a定义的网络带宽为8Mbps，有效数据传输带宽为4Mbps。基于高速无线网桥产品支持8Mbps网络带宽，完全能够保证采用MPEG-4格式的数字视频流稳定可靠地进行传输，可达到无线视频监控的目的。

由于目前在城市地区已经部署了大量的2.4GHz扩频通信产品，在2.4GHz频段干扰较为严重，采用工作于300-900MHz频段的无线网络产品可以比2.4GHz无线网络产品更能获得好的信噪比，可建立稳定的网络链路。所以，在产品选择上尽量采用短波频段的产品。同时，300-900MHz产品还可提供更高的带宽（8Mbps）。经过测试，可以既能满足带宽需要，又能保证链路的稳定。

本系统设计的无线通信系统还具有如下特点和优势：

可采用1个独立的频点工作，如在现场测试中发现干扰太多，视频信号有中断现象，本系统可以灵活地通过调整使用的频点及时把有干扰的频点去掉，保证设备的正常工作。如果遇到建筑物阻挡，信号衰减严重，本系统可加装信号放大器来加大无线信号强度。若监控现场与监控中心之间由于受到建筑物阻挡而出现不可直视的情况，为了保证监控中心图像接收效果，可通过找出监控现场与中心都可视的第三点，通过加装无线中继设备进行传输。

300-900MHz频段的室外无线设备采用COFDM技术，支持非视距传输，具有良好的抗射频干扰性，并具有传输距离远、接收灵敏度高的特点，为远距离局域网之间实现高速而经济的无线通讯提供了很好的解决方案。

300-900MHz通信可提供8Mbps的数据传输速率，可实现两个远距离的局域网之间以8M带宽点对点连接，并支持点对点和点对多点无线组网，可提供远距离无线数据通信，采用高增益定向天线传输距离可达到50公里，采用无线射频方式将分布于不同地点和不同建筑物之间的多个有线局域网连接起来，是替代价格昂贵的光纤和租用专线的理想解决方案。

网络管理软件可以远程控制设备的参数，监控网络中任何一个设备的工作状态，包括远程统计、接口统计及其它系统信息等。该软件还可以监控设备到远端设备的通讯链路质量。该软件中的访问控制管理功能可以对设备的访问进行限制，避免受到未经授权的访问。

2.3监控中心部分

监控中心主要由视频编解码器、矩阵电视墙、监控服务器、硬盘录像机等组成，可完成现场图像接收与显示，录像的存储、检索、回放、备份、恢复等。

视频编解码器对经无线网络传送来的前端监控点摄像机采集的视频信号进行编解码处理，传到监控管理中心局域网视频监控服务器上，再经交换机通过内部局域网传送至各个相关部门或人员的客户端。将模拟摄像流转换成数字流，并且可以控制摄像头的移动和控制中心监视屏幕的切换。该编码器采用MPEG4 ACE压缩算法，数据量远小于MEPG1以及MPEG2算法，大大节省了磁盘空间，适用于网络传输，使得每路视频流速度能够达到30帧/秒，能够为用户提供流畅的图像效果。

通过本系统，监控中心内人员可远程实时监视现场作业的视频图像，还可发出的对于云台、镜头等的控制指令。用户可以通过位于监控中心的云台控制设备控制现场任意点的云台、镜头的光圈、焦距、变倍；云台的上、下、左、右、自动或辅助控制远端的电源、摄像机开关等。

信号切换和控制既是整个系统信号的传输、切换和分配中心，也是整个系统的控制中心，因此该系统质量的优劣，功能的配置是否完备和先进，直接影响整个系统的功能和运行质量。本系统配置的控制矩阵可满足下列要求： 支持分控功能和独立控制键盘界面直观，系统编程简化，有背景照明，显示清晰具有组同步切换功能和子网切换功能。模块化结构，具备扩充功能，可扩展成更大规模的矩阵切换系统，具备报警功能 。

3　系统功能及特点

本系统可实现对配网带电作业、输电线路检修、变电站检修的视频备档和重大特殊作业现场的实时监控指挥，高空作业人员之间的无障碍通讯，具有如下功能与特点：

1）支持3G网络无线数据传输，支持G网、C网手机。

本系统可内置国内3种不同制式的3G无线网络模块。如：TD-SCDMA（移动），WCDMA（联通），EVDO（电信），采用无线方式传输实时视频图像。只要用户手机能支持多媒体网络，即可实现手机视频查看。通过手机可视频录像切换、视频抓拍、云台控制、焦距控制等。

2）视频画面清晰，双码流设计

采用目前改进的高效率视频压缩的H.264压缩算法，在不影响视频质量的前提下，明显地减少系统对带宽和存储空间的需求（30-50%）。服务器为双码流设计，第一支为高清晰的视频信号，用于本地录像存储；第二支为无线网络传输，用于实现远程PC查看和手机视频查看。这样既保证了高清晰图像的录像存储又可以在网络上通过PC和手机实时观看。

3）视频录像功能

支持内置SD卡（支持大容量SD卡）实现长时间录像。采用MP4视频存储格式，可以实现远程录像回放。

4）报警联动功能

视频服务器带有移动侦测报警、视频丢失报警功能，实现报警联动录像，具有报警前10-20秒的预录像，与智能分析模块联动实现智能视频分析报警（周界入侵/可疑物探测/物体丢失侦测/人数统计等功能）。可外接报警输入和输出设备，提供RS485接口。

4　结论

本文结合输电线路实际工作特点，针对高空作业、野外巡检等高危工作场合提出并研制了输电线路音视频监控系统。本文针对输电线路安全作业的现场通讯要求提出了使用300-900M频段的自适应扩频无线网络技术来实现现场信息采集单元与现场信息汇聚单元的通信，通过现场试验和试运行结果表明视频信号传输流畅，完全满足实时视频传输的要求。本系统所设计的监控中心能实时监控现场作业情况，并能远程控制现场监视摄像终端，完全满足了全方位掌控现场作业的需要。

本文所研制的输电线路安全作业音视频系统同时具有安装施工方便、可实现快速覆盖、灵活性高和扩展性强的特点，能为提高输电线路安全作业管理和技术水平提供有力的支持，具有良好的推广应用价值和市场应用前景。

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The development of an audio and video monitoring system for transmission line safety operation

Xiao Zhenhui，Liu Yumin
(Guangzhou Power Supply Bureau Co.,Ltd.Transmission management,510310)

Abstract：This paper has proposed a novel audio/video supervising system in order to resolve the problems of the existing measures applied to the power system safety operations.The adaptive spread spectrum technology is adopted in the communication of the proposed system, and a 5.8G wireless network is applied to realize point to multi-point communication.The operation principles and implements of the information acquisition unit, information transmission unit and monitoring unit are introduced in detail.And the functions and features of this system are also given.

Keywords：Audio/video supervising system；safety operations；adaptive spread spectrum； power system