導語：結合水利行業不同場景及特點，水利行業在工程聯網監控、防災預警、水資源監測與管理等領域有著迫切的監管需求，集合高清視頻監控系統、綜合智能數據采集系統、網絡傳輸系統、融合監控平臺的創新型融合監控系統，采用多級大聯網架構，結合云計算及物聯網技術，系統兼容性好、易擴展、網絡適應性強、智能化程度高，是水利行業信息化管理的重要支撐手段，在水利監控領域有著廣闊的應用前景。
水資源與人類的生產、生活息息相關，我國既是一個水資源豐富的大國，也是一個中度缺水以及水患多發的國家，水資源的管理關系國計民生。近年來，隨著我國水資源供需矛盾的日益突出，對水資源的環境監測與調度管理也成為管理工作重心，對水資源的監控除了安全的因素，還需要體現環保、節約的監管力度。
本文介紹的基于融合監控系統的系列解決方案旨在輔助水利部門建設跨地區、跨部門、跨流域的水資源融合監控系統，及時對可能或正在發生的汛情、險情、災情及水資源污染進行動態監視，隨時了解現場情況，可采取相應的預防和補救措施確保水利工程安全運行。對各級領導做出科學決策，減少洪水災害，緩解防洪壓力，合理調度水資源，防止污染與非法用水，保障人民群眾生命財產安全、生活生產供水具有重要作用。
水資源監控全方位分析
為了實現對水資源的有效監管，在建設監控系統時不應孤立、分散地去解決局部、個體的問題，而是進行全方位綜合監控。在思考監控系統的設計時，將會從三個方面分析：監控的應用場合或用途;工作人員對監控的要求;水利應用環境對監控系統的特殊要求，包括管理體系、工程建設、業務應用等方面的環境。
監控的應用場合或用途
在水利部門的日常管理工作中，監控系統常應用于以下場合：
·水利工程監控，作為治水興利的重要基礎設施，需要在安全防范、日常管理、維護巡檢、汛期防災、應急指揮等多方面加強監控;
·防災監測與信息分發，對于山洪、泥石流、滑坡等水土災害活動的監測與預警，及時通知主管部門與居民，減少生命財產損失;
·水資源監管、水污染事件處理，對于水庫、河流取水點的環境監測，防止安全事件與污染事件，利于環保執法取證;
·引水調度，對水資源的使用調配進行監管，防止水資源流失與盜水事件。
工作人員對監控的要求
簡單的說，過去在水利監控、水文監測工作中常提到“四遙”要素——遙測、遙控、遙信、遙調，隨著視頻監控技術在水利行業的推廣應用，監控要素也增加了第五遙——遙視，通過視頻監控與數據監測手段的相輔相成，提高水利部門的監管水平、增強監管效果。
視頻監控在水利行業的應用需要考慮工作人員在特定環境中的一些要求，比如在水利安防應用中，不論是防盜、防破壞的安防需求，還是防洪防災的安防需求，夜間監控是必須考慮的，因為水利監控環境大都在野外，夜間基本沒有環境光，夜間監控使用的低照度攝像機靈敏度要高，或者有補光措施;還有對部分水體監控要求攝像機支持大變倍，以便能遠視距觀察;有的監控點位要求清晰度很高，能分辨水面的漂浮物，或遠處的船只標識等等。
水利應用環境對系統的特殊要求
首先，考慮到水資源環境的特殊性，水利部門在管理上采用既有垂直式行政管理，又有上下游關聯式流域管理的交叉體系，因此在流域、省、市、縣(區)級水利主管部門和防汛抗旱指揮中心都會設置各級監控中心，在水利工程管理單位和水文監測單位設置監控站。監控中心和監控站通過自建專網或租用公網專線連接，構成多層多節點的網狀結構。
其次，水利監控設施多在戶外甚至野外，條件惡劣，攝像機等設備必須具備防水、防雷、防銹蝕、防高低溫、防大風等特性，在很多實際工程應用中，大多數攝像機損壞是因為雷擊，還有的設備因高溫工作而死機。在某些入?？谔幩x用的設備還應考慮防鹽霧、防腐蝕、防銹蝕、防變形等問題。此外，大部分的水利工程處于野外，容易成為偷盜的目標，因而在施工時應充分考慮到防盜、防暴等要求，防護等級應不低于IP65。其他還有傳輸、供電方面的環境特殊性，如有的場所無法敷設線纜，只能采用無線傳輸、風光互補發電等等。
第三，水利部門在水利信息化建設方面還有防洪預警、水文監測、工程管理、視頻會商等業務系統，需要將視頻監控與這些業務系統對接、關聯，以最大化發揮視頻信息在業務應用中的作用。因此各級監控中心的監控平臺應具備可擴展的業務接口，方便實現與水利其它業務子系統的對接，并應具有資產管理、設備自動巡檢及智能事后檢索等符合水利實際應用需求，便于水利部門方便實現系統管理的擴展應用功能。
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基于融合監控系統的水利監控解決方案
前文闡述了筆者對水利監控系統設計方面的問題分析，下面談談具體的解決方案。
本案在業界率先提出“融合監控”的概念，致力于豐富視頻物聯網在行業應用的解決方案。本文介紹的方案正是融合監控理念在水利行業的具體應用展現，分別從監控點前端采集、中間傳輸、后端管理應用幾個環節，結合應用場合的差異性進行介紹(如圖1所示)。
基于融合監控系統的水利監控解決方案
系統結構
水利融合監控系統由各級監控中心和監控站組成。在省、市、縣(區)各級水利主管部門和流域管理單位、防汛指揮中心分別設置監控中心，在水利工程管理和水文監測等單位設置監控站。監控中心和監控站通過計算機網絡連接，構成多層多節點的網狀結構。
監控站與一個或多個前端監控點直接相連，采集前端監控點的實時圖像和其它相關數據信息，并對其進行管理和存儲。一般監控站均為大中型水利工程的直接管理部門和水文部門。監控中心則控制、監視、管理、調閱本轄區內監控站的所有圖像信息，并向公眾發布實時狀況圖像信息。
市、縣(區)級監控中心配置視頻流媒體服務器，可向同級政府有關部門及上級監控中心提供圖像信息。省級監控中心則通過統一的網絡監控管理平臺，根據實際需要控制、監視、管理、調閱省內監控站的圖像。
這種架構適合流域監控的要求，體現了流域監控的特點，同時在防汛時刻確保各級領導和決策人員可以通過網絡系統獲取實時視頻信息。
監控前端
水利部門所管轄的水體資源和水利工程類型多樣，包括水庫、河流、堤圍、漁港、水利樞紐、供水設施等，監控場所涉及水閘、大堤、壩體、港灣、采水點、自來水廠、水文站、防汛亭、水電設施、溢洪道等，這些場所可能在城區，也可能在野外、偏遠山區，有的配備有專用機房，有的只有簡單的立桿和防水設備箱，有的可以通過光纖專線，有的則需要無線傳輸，因此需要針對不同的監控現場選擇適合的監控前端產品，滿足各自特殊的需求。
1、水庫
由于場景開闊、水域面積大，有專用機房，且一般需要錄像，可采用日夜兩用的高變倍模擬球機，配合數字硬盤錄像機DVR，通過接入光纖專線或通過3G無線公網，將現場畫面傳遞到監控中心。
在高清應用方案上，對于已建模數混合監控的水庫，建議配備HD-SDI數字高清攝像機，結合帶智能分析功能的高清DVR，可利用原有線路資源平滑升級到高清系統，可實現對水庫的水體質量和表面漂浮物進行監測，及時發現污染或溺水事件，還可配合水質探測裝置進一步準確掌握水資源狀況。
2、堤圍、漁港、防汛亭、水文站、采水點
這些場所一般沒有專門配套的機房，也沒有錄像的需求，在傳輸和供電方面需要更加靈活、方便的部署，我們為這些場所配備了輕便、易安裝、低功耗的網絡攝像機，可以通過敷設光纜或租用電信運營商的線路資源，將圖像傳送到監控中心，對于部分難以鋪設線纜的地區，還可以直接用3G公網進行無線傳輸，能大大減少工程量，提高布點效率。
在高清應用方案上，建議配備網絡高清攝像機，尤其適合堤圍、漁港這樣視場開闊的場景，另外結合水位水質傳感器，可對于水文站、采水點這些場所進行視頻、數據綜合監控。
3、水利樞紐工程
水利樞紐工程由于規模較大，需要多方位、多角度的監控部署，包括工程周邊的邊界防范，工程內部各場所的監控，如水閘、機組、上游壩坡、水位標尺等，水利樞紐工程有專門的機房環境和長途線路資源，可將各種音視頻監控、動力環境監控信息統一接入到監控主機，然后通過專線傳輸到監控中心。
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4、自來水廠
自來水廠監控主要包括水源井、加壓泵房、管網的監控。水源井、加壓泵房的點較少，且相對集中，是重點監控對象，可采用有線的方式進行數據傳輸，增加視頻監控。每個監控點安裝監控主機，接入傳感器、智能設備、視頻設備，實現對水源井、加壓泵房的監控。管網監測點較多，且分散，可采用無線的方式進行數據傳輸，方便部署。每個監控點安裝小型監控采集裝置，接入傳感器，實現對管網的監控。
5、機動監控點、應急車、單兵系統
雖然水利部門花費巨額投資建設了大量監控點，但相對我國廣闊的水域資源而言，仍顯得匱乏，尤其在汛期突發情況很多，因此需要準備一定的機動、應急響應能力。可通過架設無線監控點、攜帶單兵系統進行現場的臨時監控，或者裝備應急監測/指揮車到各處進行機動的采集、觀測與調度指揮。
在監控前端設計方面，我們充分考慮環境因素，比如供電問題，位于偏僻地區的監控設備取電困難，我們一方面采取借助其他能源發電，比如風光發電、油機發電，目前不少無人值守水文站、觀測站也是采用風光互補發電來滿足日常監測與無線傳輸的需求。另一方面采用低功耗設備，或采取定時休眠/喚醒來節能。有些地區我們還可以采用高壓直流、遠端供電方式，從監控站機房向監控點設備進行輸電。
另一個是防雷問題，水利工程往往建設在野外空曠之處，易受到雷電侵襲，監控點設備的電源一般在現場就近取用，也易受雷電影響產生高壓和浪涌電流，為了設備能可靠、長久地運行，攝像機桿和前端機箱必須接地;對攝像機的視頻信號均應配置防雷設備，以防止雷電對攝像機等設備的損壞;對各監控站點均應配置電源浪涌保護器，防止雷電的侵襲。
第三個是夜間監控問題，現有水利工程中，不少未安裝照明系統，而夜間又往往是抗洪的關鍵時刻，因而在系統設計時應充分考慮夜間監控的要求，可采用射燈照明或紅外方式。建設優先選用射燈照明模式。夜間監控中，輔助照明設備開啟時投射到被監控區域的有效照度應不低于40W白熾燈照度。紅外攝像機的有效監視距離應根據實際狀況確定，室外一般不應低于30米。
傳輸線路
業內一般將水利監控的傳輸線路分為兩類，一類是接入線路，一類是骨干線路。接入線路解決將位于水庫、樞紐、河道等各地監控點圖像、數據傳到監控站或匯聚點，骨干線路則將圖像、數據等信息遠程傳輸到上級監控中心。
對于骨干線路，通常采用水利政務專網，各省在防汛抗旱指揮系統項目建設時已做了網絡建設和改造，除視頻監控外，還承載了視頻會商與水情監測等業務。鑒于大流域管理的需求，有的還建設了跨省線路，便于下游地區對上游水情的及時了解。
由于水利環境的復雜性，接入線路就存在較多不確定因素，通常我們會結合監控的要求和環境兩方面來選擇傳輸方式，對于監控畫面要求清晰、實時的點位(比如水庫、堤圍、漁港、樞紐等)，一般采用有線傳輸，借助水利部門自建專網或租用運營商的專線資源。一些無人值守泵站、河道監測站、水文站，位于崇山峻嶺深處或荒無人煙之地，或者即便在城區，但有線網絡難以到達或者投資較大的地區，則考慮無線網絡(以3G網絡為主)或點對點傳輸通道(如微波無線擴頻、OFDM)。
這里特別提到一點，山洪災害是我國現階段造成生命財產損失較大的水患類型，有突發性、隱蔽性、破壞性強的特點，因為環境偏僻惡劣，難以利用常規手段加以監測。我們在山洪預警方面融合了物聯網WSN技術，將水情傳感器灑落分布在山洪多發地區，利用ZigBee傳輸手段，將采集的信息傳到觀測區域的監控主機，再通過3G網絡匯聚到監控中心進行分析處理，從而加強了對山洪災害的預報能力。
監控中心管理平臺
水利部門垂直管理特征明顯，為了既保障統一的指揮，又能實現分散自主管理，從跨省的流域管理委員會，到各省、市、水利工程的多級管理單位，都會建設規模、復雜度不一的監控中心，通過各級監控中心的管理平臺，既可以訪問管轄范圍內的水利監控點，也可以向上級監控中心提供級聯服務的能力，或者向有關部門共享部分視頻資源。
監控管理平臺針對水利行業的特點，進行了大量優化，大致包括以下幾大特點：
·大容量接入與并發訪問。在水資源較豐富的省份，由于河道水網密布、大小水利工程星羅棋布，水文監測和水利設施監控所需的監控點往往數以千計，這就需要平臺具有大容量接入的管理能力，及對各地圖像并發訪問的處理能力。特別在易發生水文、氣象災害的汛期、臺風等特定時間，往往需要同時關注很多具有險情的水利設施、河道等監控點，平臺和網絡都將面對較大的負荷考驗;
·多廠家設備兼容。各地水文監測、水利監控的信息化建設先后不一，設備選型各異，造成在后期建設平臺進行統一管理時面臨多廠家的設備分布，為保護已有投資，避免重復建設的浪費，就要求平臺能兼容很多廠家，至少是主流廠家的設備;
·多業務融合。管理平臺能綜合前端采集的視頻信息與數據信息(如水情、風情、雨情、地質情況等)，通過電子地圖進行分析、觀察，并產生預警提示，在監控終端上可以在圖像疊加所在點的水文信息，在水利電子地圖上可以選取監測點進行現場圖像調看。另外可以通過與水雨情及工情數據庫對接，獲得現有閘門和水庫的水雨情及工情信息，實現有效聯動，例如在水位超過某個警戒值時聯動視頻實現報警，便于領導和相關人員及時做出決策。也可以為水文信息發布系統提供各時期的現場圖片，便于直觀地展示水雨情、工情;
·多級管理與互聯。由于水利行業是垂直管理、跨區域協同特征很明顯的一個行業，一個流域、一條河從上游到下游，縱向上從省廳到流域到地市到區縣，需分級調度指揮，橫向上沿途的地市相互間有溝通、共享的需求，如上游爆發山洪，在下游的城市如果能看到上游城市水域的圖像，就可以早做防災準備。因此我們充分考慮了平臺間的級聯與互聯特性，一方面通過二維權限體系和資源管理，實現水利部門上下級監管的有序性，另一方面通過級聯互聯保障了用戶對數據、圖像獲取的有效性。
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