水布垭水电站工业电视系统中图像数字化技术（宋远超,李涟）

摘要: 水布垭水利枢纽工业电视系统主要是对枢纽建筑物及重要机电设备及设施进行全天候实时监控，为电站运行调度人员提供有效的可视调度指挥工具，为实现现场无人值班（少人值守）的高度现代化电站运行管理提供有效手段，设计中应用当今先进的图像数字化技术，较好地解决了枢纽建筑物监控区域分散且图像信息传输量大的难题。对图像数字化的系统结构设计、主要设备选择作了较全面的介绍，并重点介绍了系统多媒体信号数字化处理与传输设计。

关 键 词: 图像数字化;工业电视;系统设计;信息传输;水布垭水利枢纽

中图分类号: TN949.21 文献标识码: A

水布垭水利枢纽建筑物需进行图像监控的区域主要有:地下厂房、地面升压站及管理楼、进水口及放空洞、溢洪道等，各建筑物既分散且相距甚远，在水布垭电站工业电视系统设计中如何对上述各监控区域进行集中监控和管理是该设计中的一个难点。应用当今图像处理技术领域中领先的图像数字化技术，能较好地解决监控区域分散、图像信息传输量大的难题。经研究与咨询，图像数字化处理及传输设备国外目前已有成熟产品，国产产品已趋于成熟，因此图像数字化工业电视系统设计方案是可行的。以下对水布垭电站工业电视系统设计进行阐述。

1 系统总体结构设计

水布垭工业电视系统采用分层分布式系统结构，根据电站枢纽建筑物布置特点，系统结构分成现地、分控、主控3层，在地下厂房、地面升压站、溢洪道监控分区分别设置分控级，主控级位于地面管理楼内。将现场所有各监视点视频等多媒体信号汇聚到各监控分区的分控级，各分控级与主控级进行组网，分控级将信号数字化后，通过网络设备传输至主控级。

主控级包括系统主控设备和终端监视设备。工业电视系统的主控设备具有最高控制权限及控制优先级。除主控级设有一套终端监视设备外，另外还在清江梯级调度中心设置一套终端监视设备。

2 系统图像信息传输方案

由于各枢纽建筑物较分散，信号传输距离远，且为多媒体信号传输，因此，信息传输是本系统设计难点，若解决不好，将使图像失真度增大传输质量下降。为此，对系统图像信息传输提出了3种方案进行比较:

（1）方案1。各监控分区均采用矩阵切换器采集汇聚现场视频信号，再通过光端机直接将视频（模拟）信号传送至主控级。主控级仍通过一级矩阵切换器将现场各路视频信号直接切换，经画面分隔后送至终端显示设备。图像管理信息仍需数字化后进行存储和调用，因此仍设有数字图像管理设备。此方案存在的主要问题是由于采用模拟信号传输，且通过模拟信号二次切换，信号失真度较大。另外，主设备矩阵切换器与光端机造价也颇高。

（2）方案2。各监控分区均采用嵌入式图像监控机直接将现场采集汇聚的视频信号进行数字化编码与压缩，并将主控级与各监控分区组成以太网，通过网络将图像信息进行传输。传输至主控级的图像信息无需切换，直接送至指定的终端设备显示，并将图像信息的存储、管理、录像功能合一。此方案的优点是传输数字化图像信息，传输通道无需切换，信号失真度小，且设备紧凑，造价较低;存在的问题是，为了节省传输带宽嵌入式图像监控机的编码压缩方式，图像的分辨率或刷新速度有所降低。

（3）方案3。各监控分区均采用矩阵切换器将现场视频信号采集汇聚，然后将需上送的图像信息通过编码器进行数字化编码与压缩，同样将主控级与各监控分区组成以太网，通过网络传输图像信息。上送至主控级的图像信息若需在终端显示设备上显示，需要解码成视频信号后，再通过矩阵切换器切换至指定的终端显示设备。图像信息的存储、管理、录像无需解码，由数字图像管理设备完成。此方案的优点是传输数字化图像信息，信号失真度小，编码器的编码压缩方式对图像信号的压缩量较少，因此图像清晰度高且刷新速度快;缺点是设备多、造价高。

（4）推荐方案。方案2采用全数字化图像信息传输，信号失真度小，图像质量好，传输占用带宽小，信息的存储、管理、录像功能合一，设备结构紧凑，造价低廉。方案1为模拟量图像信息传输，信号失真度大，质量差，显然不可取。方案3为部分数字化图像传输，图像质量最好，但设备多、造价高，比较适用于对图像清晰度要求很高的大型工业电视系统。对于本系统，方案2已能够满足其要求，且投资费用均低于方案1、3。综上比较，推荐采用方案2。

3 系统主要设备选择

3.1 图像数字化处理设备

当前国际上普遍采用的数字化图像处理编码压缩标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。各标准能达到的图像分辨率及要求的传输带宽条件如下:

（1）MPEG-1。分辨率，360×288（PAL）;带宽要求，2Mbps。

（2）MPEG-2。分辨率，720×576（PAL）;带宽要求，≥4Mb-ps。

（3）MPEG-4是在应用数字化图像处理设备提高分辨率，降低带宽要求的全新技术基础上制定的一个较新的标准，理论上能达到:分辨率，720×576（PAL）;带宽要求，2～3Mbps。

本系统选用嵌入式图像监控机，采用MPEG-4标准，图像分辨率高，占用带宽低。设备功能包括从视频信号图像采集，数字化编码压缩图像处理、图像画面分割，直至输出到指定的终端显示设备，以及图像信息的存储、管理、录像等功能，因此，选用该设备使系统配置更加紧凑，造价亦有所降低。

3.2 图像传输及网络设备

（1）现地监控点至分控设备的图像传输。现地监控点至分控设备的图像传输视距离的远近分别选用视频同轴电缆或光端机和光缆。常规视频同轴电缆传输距离（不加中继）仅300m，能满足绝大部分现地监控点至分控设备的图像传输，但在部分监控区或监控点，如升压站分控区的进水口、放空洞和溢洪道分控区的机电仓库等距离分控区的距离均大大超过300m，因此必需选用光端机进行图像传输。对多个监控点的监控区，如进水口，可选用具有多路复用技术的光端机设备，以节省光缆。

（2）分控—主控图像传输网络。将分控与主控站进行组网连接，选用成熟、开放性好的以太网交换机及光缆，进行远程数字化图像传输，从而较好地解决了监控区域分散且图像信息传输量大的问题。

（3）与其它系统网络互连。①本系统与枢纽火灾自动报警系统连网，接收火灾报警信号，显示灾情画面。采用简单可靠而开放性好的RS232/485通信接口方式;②在宜昌市清江梯级调度中心设置图像监控远程终端，可使主管部门无需到现场便可及时了解电站运行情况。选用E1接口路由器设备，与清江专用网络连接进行图像远程传输。

3.3 终端显示设备

在地下厂房和溢洪道分控区均配置21″LCD（液晶）监视器（VGA适配），可在分控台上调看本分控区的图像。在中控室的集中监视屏，选用4×42″LCD或PDP（等离子体）监视器。监测器均有与VGA适配接口，直接显示数字化图像。近年来，大尺寸高分辨率的监测器产品价格大幅下降，为工业电视系统提供了价格低廉、显示效果很好的终端显示设备。

3.4 摄像机配置

摄像机是根据监控点所处的位置、监视范围、监视任务配置，配置原则如下:

（1）对重点监视建筑及必经的交通要口，选用一体化快球摄像机。这种摄像机可全方位快速转动，可设多个预置位，能够迅速跟综和捕捉到可疑画面。

（2）室内与室外摄像机的防护罩等级不同，室内IP54即可，室外需达IP65。室外摄像机和部分潮湿环境下的室内摄像机还需配置雨刷及除湿加热等辅助设备。

（3）根据监视范围，摄像机配置不同的变焦镜头。

（4）为满足全天候实时监视要求，在光线很弱处配置红外辅助照明灯。

作者简介: 宋远超，男，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。

来源：《人民长江》2007年第7期