森林防火
无线视频监控预警系统技术解决方案
北京市优创新港科技有限公司
目录
前言 (3)
第一章总体设计 (4)
1.1 需求分析 (4)
1.2 系统功能 (5)
1.3 设计原则 (6)
第二章系统解决方案 (8)
2.1 项目概述 (8)
2.2 总体结构拓扑图 (8)
2.3 方案说明 (9)
2.3.1前端视频采集系统设计 (9)
第三章网络传输系统 (16)
第四章前端供电系统设计 (17)
风光互补发电系统 (17)
第五章网络视频集中管理平台设计 (19)
5.1 平台组成 (19)
5.2功能介绍： (20)
5.3视频存储 (21)
5.4 视频转发 (21)
5.5 高清矩阵电视墙 (21)
5.6 独立高清数字矩阵服务器 (22)
5.7高清数字矩阵拼接墙方案 (22)
5.8高清解码上墙 (22)
第六章多级联网系统设计 (23)
第七章系统功能介绍 (24)
电子地图服务器 (27)
第八章高清网络视频监控的特点 (28)
系统构架灵活 (28)
工程施工方便 (29)
前言
随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，年年都有一定数量的发生，造成森林资源的重大损失和全球性的环境污染。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。因此一旦有火警发生，就必须以极快的速度采取扑救措施，扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。为了早日实现森林防火工作的规范化、科学化、信息化，贯彻“预防为主，积极扑救的方针”，真正做到早发现，早解决。森林防火视频监控系统是由林区监控管理指挥中心系统、传输系统、摄像机和镜头系统、云台控制系统、电源系统和铁塔组成。林区监控管理指挥中心系统是整个系统的图像显示、图像录像控制中心，远程控制功能，向指挥调度人员提供全面的、清晰的、可操作的、可录制、可回放的现场实时图像。林区监控管理指挥中心系统还具有向上级林业局和省林业厅接口的功能。
第一章总体设计
1、为了满足森林火灾防范的需求，根据各方信息资源的整合，我们设计在林区建设一套网络化、数字化的高清视频监控系统；通过这套系统可以对林区容易发生火灾的区域以及其他相关区域实施全天候的、实时的、高清晰的动态视频监控。通过现场的视频采集设备将这些区域的现场图像通过点对点的无线网络传输后端监控中心，或者其他分中心。
2、系统总体设计采用前端全数字高清视频采集、无线网络化传输和后端集中管理解决方案，前端采用两百万高清网络摄像机配臵大倍数长焦镜头和全向云台实施远距离高清晰大范围的视频监控，所有监控点位都通过无线类传输方式传输，比如无线微波或者无线网桥，传输到后端统一管理，在后端监控中心建设一套数字视频管理平台系统，完成存储、预览、控制以及上级联网等业务承载，整套系统能轻松进行容量扩展和其他业务终端的接入。做到全数字化处理，做到未来几年内技术领先。
1.1需求分析
1、监控点的选择，首先摄像机应安装在森林制高点，要求视野宽、无障碍、监控面大，尽量少设监控点，并尽可能使得每个监控点监控覆盖的森林面积最大，如无法回避有死角，可增加监控点。
2、监控点要全天候工作，这就需要选择摄像机时应选用红外敏感型彩色转黑白摄像机；镜头应选用日夜两用型镜头，并且3KM外能看清人物活动；云台要求选用具有数字回显的室外一体化云台，为了减少远距离图像的抖动，摄像机的安装也要确保牢固稳定。
3、由于森林防火监控自身的特点，传输方式不可能全部采用有线或光缆。因此应考虑无线网络结合有线网络的方式，无线传输方式施工方便，图像实时传输、清晰，并且可根据传输距离的远近、现场自然条件的不同，其功率的大小可以按要求配制。
4、风光互补供电系统是森林防火监控系统重点，它的性能优劣将直接决定森林防火监控前端系统的成败。首先，要选择专业的风光互补公司的产品，其次，供电系统能保证在阴雨天，能给每一个监控点的前端所有设备提供72小时的电力。
5、森林防火监控系统的软肋是前端的避雷与接地，前端设备的避雷与接地直接影响整个工程的安全性和可靠性，忽视了避雷与接地将会给用户带来巨大的的损失，避雷原则是所有设备都要安装在避雷针的保护范围之内，接地电阻不大于10欧姆。
6、由于整个监控前端设备地处深山，维护极为不便，所以中心要是能随时掌握前端设备的工作状态，对维护将起到重要的指导分析作用，一方面降低了整个系统维护工作的强度和费用，另一方面也保护了用户的利益。
1.2系统功能
1、监控指挥屏幕墙可以实时显示前端采集点的图像；
2、所有视频图像进行全程录像存储，并可以对以往的历史图像进行查询和回放。
3、野外采用重载数字回显云台，具有实时回显位臵信息功能；同时配备电动长焦距镜头和低照度高清晰摄像机；可以通过专用操作键盘或监控软件控制云台和镜头；
4、通过设臵的监测点,实现整个有林面积的监视范围达到95%以上；
5、系统安全性高，采用人员身份认证、访问控制功能和审核功能等方式保证系统安全可靠；
6、查询简便性：采用时间流设计，可由时间、日期、前端采集点完成资料检索；
7、光纤结合微波传输模式，降低系统成本，避免有线传输带来的具大施工难度，方便与其他防火中心及其他森林防火管理相关部门连接；
8、防盗报警，在监控点装臵红外探头，有盗窃入侵时监控中心告警，保护用户投资，或将损失降低；
9、火情识别报警：当监控摄像机扑捉到林火时，由GIS系统确认火点位臵，通过短信平台
10、GIS管理系统：以电子地图为基础,实现地图基本操作功能；
11、火灾定位功能：利用前端采集系统中的数字回显云台，在地理信息系统里将每一个监控点进行地址编码，同时将每一个监控点的坐标直接落实在电子地图上，这样地理信息系统一旦接收到特定编码的数字云台回传的位臵数据，通过建立特定的位臵转换数学模型，实现定位功能。同时，系统具备实现人工定位功能；
12、辅助决策功能：GIS信息系统提供最近扑火队前往火情点最短路径以及通往现场的主要道路和通行能力,提供防火隔离带的位臵及赶赴火场的时间等重要信息；
13、电源系统:电源供给在全天候的环境下,保证系统不间断供电；
14、防雷接地系统:系统要有安全的防雷接地保障措施,确保系统能够安全运行
1.3设计原则
“森林防火数字化监控预警系统”项目设计和功能的实施将遵循以下原则：
先进性：所谓先进是指要求采用的产品和系统是当代先进计算机技术的应用成果，具有一定的前瞻性，特别是符合计算机和网络通信技术最新发展潮流并且应用成熟的系统。
保密性和安全性：必须符合国家的安全标准和要求，以保护内部信息特别是密级信息不被非法访问。系统设计时应充分考虑数据库和应用系统的安全性，建立身份认证、权限认证，彻底屏蔽内外非授权用户的非法访问。
智能化：系统中采用的产品和系统本身必须具有智能特征，比如自主编程、记忆功能、主动检测等；前端设备与系统必须有良好而可靠的通讯能力和故障自动检测、报警功能等等。网络化：在计算机网络技术高度发展和广为应用的信息社会，设计完成的监控系统中所采用的产品和系统，必须与计算机网络技术相结合，实现各个子系统的信息共享，才能适应时代的前进、技术的进步，满足更广范围巡查的要求。
实用性：我们这里讲的实用是指要求所采用的产品和技术经过了市场的考验，能满足目前监控系统的需要而无华而不实之嫌，决不搞盲目投资、浪费资金。
兼容性：考虑到国家林业局、区林业局已建成的或在建的防火信息系统，本系统能与区林业局、国家林业局的防火信息系统接轨和共享数据；同时考虑到今后重新开展森林资源调查后资源数据库与最新卫星影像的更新问题；另外，本系统能够妥善处理好与上下级防火信息系统的连接，做到与相关已建立好的信息系统的兼容。
成功应用：系统设计采用的产品和系统，必须是经过了一定时间市场考验的成熟产品，特别是在国内应该有成功的应用案例。
合理配置：系统设计时，应对需要实现的功能进行合理的配臵，并且这种配臵应该是可以被改变的，甚至在工程完成后，功能、配臵的改变也是可能的和方便实现的。
良好操作：系统的前端产品和系统软件均具有良好的学习性和操作性。特别是操作性，应使一般水平的管理人员，在粗通电脑操作的情况下通过培训能掌握系统的操作要领，达到能完成监控任务的操作水平。
可靠性：设计必须遵守的原则是保证系统的可靠稳定运行。这个原则要兼顾到两个方面：?系统运行可靠－?系统的运行要求可靠。要求从计算机的配臵到系统的配臵、前端设备的配臵都要仔细考虑这个问题，对所有的设备进行认真的可靠性认证。
?保存和恢复设置方便－?在实际运行中，即使系统的故障率非常低，也会因为各种意想不到的原因而出现问题。所以在系统设计时要考虑到系统设臵数据的方便保存和快速恢复。开放性：即使是最先进的系统，也有随时间的推移而落后的可能。在系统设计中，我们选用产品和系统时，应充分考虑系统的升级、扩展、维护问题，设计应全面、周到，注意预留到位并留有充分余量,以适应未来发展需要，主要体现在以下方面：
?智能化升级－?系统的软件是最有可能升级的，选用的系统管理软件必须有厂家的免费升级承诺。升级的操作应该相对简单，由系统管理员即可完成，不需要繁复的操作和专门的技术。
?模块化结构－?为方便硬件的维护和升级，设计时采用的设备应为高度集成的模块化产
品。由其组成的系统应是模块化结构。这样便于系统的维护和升级。
?经济性－?为了确保投资合理性，要在满足其它基本原则的基础上选择性能价格比最优的系统和产品，从而使系统投资物有所值，不造成盲目投资。
第二章系统解决方案
2.1项目概述
在监控前端的现场设臵森林防火专用摄像机对重点区域进行实时监控，通过网络将监控视频信号传输至本地监控中心（三级监控中心），再由各三级监控中心传输到上一级监控中心（监控中心）。由监控中心传输至指挥中心（一级监控中心）在一级监控中心，通过网络监控平台软件集中统一管理、显示、录像存储等。
该部分录像在三级监控中心内部可以实现实时监控、显示、存储，同时上传到一级监控中心集中统一管理。
2.2总体结构拓扑图
2.3方案说明
1、森林防火监控系统整体系统设计为数字接入方式的全数字型。如图所示，前端是高清数字监控设备，借助光纤或无线传输系统，通过监控专网接入（三级监控中心），三级中心通过交换机，连接GIS服务器、林火报警服务器、监控服务器、会议电视系统。进入三级监控中心的数字视频信号由三级平台统一管理、存储、显示。同时数字图像上传给监控平台和一级监控平台。
2.3.1前端视频采集系统设计
前端监控设备主要是指摄像机部分，根据森林防火监控系统设计的需要，我严格按照要求采用满足现场监视画面清晰、技术领先、经济适用的摄像机。为森林防火视频监控系统在来几年内整个系统平台处于领先地位。前端系统主要由摄像机、镜头、全向云台、护罩等组成；这几部分构成了前端视频采集系统，通过这种模式可实现超远距离、大范围、高清晰的视频图像采集。
摄像机：采用基于标准的H.264 Main Profile @ Level 4.1算法的两百万像素高清网络摄像机。它采用500万像素的逐行扫描图像传感器，压缩分辨率可达30帧/秒实时1080P （1920*1080）全高清编码，清晰度可达1000TVL的广播级图像画质。从视觉效果来看，其图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平。从画质来看，画面清晰度、色彩还原度都要远胜过标清网络摄像机。而16：9的宽屏显示也带来更宽广的视觉震撼。由于采用标准H.264压缩，录像文件可使用标准解码器解码，支持常用播放软件直接播放。在相同码率下具有比MPEG-4倍增的画质，在同样的画面质量下，码率仅为MPEG-4的二分之一。同时该款高清摄像机有完善的模块化管理平台软件，可根据需要任意组合和延伸，使得整个系统的可扩展性大大提高。
镜头：镜头是视频采集比较关键的部件之一，镜头质量的好坏，类型的搭配、以及调
试等都非常关键；在森林防火视频监控这类特殊的系统中，一般都采用长焦距的镜头，通过大倍数的调整实现宽范围、近距离的监控视场调整，具备强大的灵活性，满足不同要求的视频采集。同时应采用光学成像有效像数更高的镜头，这是因为摄像机具备200万像素的图像压缩能力，如果前端光学采集源有效像素不够高的话也就达不到预期的效果。镜头为了适应不同的光线环境的变化，应能自动调整光圈，由于摄像机提供了一个DC12V直流驱动接口，因此我们选用直流驱动的自动光圈镜头。镜头焦距和聚焦通过云台解码器接入到摄像机的485通讯端口，然后通过摄像机转化成网络信号与后端管理软件的控制模块建立控制通道。
全向云台：在森林防火监控系统中，全向云台我们设计采用具备在室外恶劣环境下工作的重型云台，具备IP66防护等级，承重可达50KG，全向云台采用AC24V供电方式，内臵云台解码器。
护罩：护罩也是比较关键的部分，由于前段采用的是高清网络摄像机，而且镜头是长焦距变倍镜头，因此同样设计采用IP66防护等级的护罩。同时还具备恒温控制功能，满足室外恶劣环境条件下保护内部设备稳定正常工作。
2.3.2前端设备（无线方案）
前端由采集定位系统、无线网桥、传输天线、设备防盗监控系统、避雷接地系统、智能太阳能供电系统等组成：
中继由供电系统及传输系统组成：
2.3.4中心控制设备
中心控制室由无线网桥接收系统、网络视频管理录像系统、地理信息系统、林火自动识别报警系统、短信发布平台、监视及投影系统、UPS电源等组成：
2.3.5.三级监控中心（三级监控中心可以独立存在作为本地监控预警平台）
1．职责与功能
三级监控中心的功能主要有三个：第一，将辖区内所有监控点的信号汇集，进行本地监控；第二，设臵网络录像服务器，做好录像监控工作；第三，处理报警服务器的报警信号，进行紧急的报警联动监控。
三级监控中心区域内的监控点和报警点原则上直接接入二级指挥中心，支持二级监控中心内相关部门的实时监控，重要图像可由二级指挥中心调用，需要再次录像的在二级监控中心录像。报警信息在二级指挥中心进行复核，再按预案转发相关部门人员。
2．三级指挥系统
远程控制与通讯是指挥中心的主要功能，即通过指挥中心可完成对林场各个地区的通讯指挥工作，同时在指挥中心可以实现对火情地区的实时监视、控制功能。以指挥中心为核心将各个系统进行整合，实现办公的信息化网络化，通过有线、无线调度系统完成对下属部门的命令发布、工作查询、人员调配工作；同时把监控系统与地理信息系统进行无缝结合，完成对林区的监控、以及资源调查工作。
三级监控中心网络图
1．职责与功能
二级监控指挥中心可以对所有系统监控完成高效正确的控制；通过多级权限管理赋予下辖各个职能部门和作战单位有效的监控和指挥手段；接收三级监控中心报警与监控信息；制定专家预案系统，方便接警员根据预案系统快速指挥；提供各种功能扩展接口，以适应系统不断发展的需求；具有数据管理功能，对用户管理，对前端设备日志管理，对用户权限进行管理，对接入的所有设备进行管理；可实现系统时钟同步功能，让系统内各子系统服务器时间一致，以利于录像资料的查询和跨子系统间的资料比对。
2．二级指挥系统
二级监控指挥中心通过有线方式的光纤专网与多个三级监控中心连通。在二级指挥中心设臵视频管理服务器、监控与控制终端以及屏幕墙。
二级指挥中心拓扑图
2.3.7一级监控中心
一级监控中心是整个监控预警系统的最高级指挥调度系统，拥有一级和二级监控中心所有功能。可以根据三级监控中心的报警信息，采取更全面的指挥调度处理方案。
2.4电子地图与警视联动功能
与报警系统相结合，可以实现电子地图与警视联动功能，将全市林区的电子地图分三个层次制作到系统管理主服务器中，可采用双屏观看，也可显示到电视墙上；平时显示第一层地图，第一层为辖区的完整地图，上面标有可以被激活的具有明显标志的摄像机图标；点击摄像机标志可以打开本摄像机周围小范围的详细实际地图（第二层地图），同时该摄像机的标志会闪动；再一次点击闪动图标，就可以显示摄像机的实时图像，可以是部分地图和小的活动画面（三层地图），也可以完成全屏图像显示，并可以通过鼠标控制云台和镜头的动作。
第三章网络传输系统
整个系统采用全网络化、全数字化架构模式，前段采用的高清网络摄像机在满足高质量画质的前提下最小码流可控制在2Mbps左右。这对于200万像素的高清网络摄像机来说已经是一个非常优秀的传输码流，满足了远距离无线微波传输的要求。前鍴摄像机通过RJ45 10/100M自适应网口与前端无线AP连接，然后在通过天线与后端汇聚天线建立连接，并把数据传输到中心。遇到不可视或者距离太远的时候可增设中继天线。由于每个无线AP汇聚带宽是有限制的一般有效带宽在通常状态下在20Mbps左右，因此每个汇聚AP 可接入的前端无线监控点位可接入8个。但在实际的应用中考虑到各种天气和传输距离的
影响，实际的带宽有所浮动，因此在实际应用时请详加分析。
第四章前端供电系统设计
风光互补发电系统
4.1 概述
森林防火监控多使用于深山老林，为这些监控设备提供电源需要建设很长的电力线路，成本造价高周期长严重影响系统的实施周期，并且本身对森林也是一种危害。所以在很多情况下，对前端设备的供电就成了森林防火中的重要考虑部分。在本方案中，结合太阳能和风能发电的优点，对前端设备供电。设备的总功率为100W，需要在阴雨天气里连续三天可不间断的供电。
风光互补发电系统由风力发电机组、太阳能板、风光互补控制器、泄荷器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，供电系统各部分容量的合理配臵对保证供电系统的可靠性非常重要。为了满足广大用户的用电要求，为用户提供可靠的电力。因此需要认真分析用户的用电负荷特征以及用户所处区域的风能资源及太阳能资源状况，针对不同用户配臵不同的设备。
本套设备的保护和控制系统是一种全新保护与控制理念，包括过充、过放、过载、过温、短路、反接；对风力发电机实行强风自动限速；对输出实行多路控制；对负载增加节电控制等等，使保护和控制动作十分安全可靠与稳定。
4.2 太阳能板
采用太阳能发电解决森林安全设备供电问题成为最快、最有效
的办法,无须架设电力线并且一次性投资，无需缴纳电费。发电操作
简单、既经济又节能、环保。并且太阳能供电是一种既不消资源又
无污染排放的清洁能源，使用寿命长、性能稳定、维护费用较低。
以高纯的晶硅棒为原料，纯度99.999%。
采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆一层防反射涂层，以减少光子被光滑的硅片表面反射掉。
可按所需要的规格组装成太阳电池组建（太阳电池板），用串联和并联的方法构成输出电压和电流。
表面采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，坚固耐用，使用寿命一般可达20年。
太阳电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳电池阵列。
4.3 风力发电机
风力发电是一种廉价的再生能源，它的发电成本要远低于其他
发电，但其发电量受天气的影响较大。为了弥补风力发电的不足，
现经常采用的方法是风、光互补系统，就是将风力发电、太阳能发
电结合起来，这样就能在一定程度上满足人们日常的工作、生活的
需要
运用钕铁硼永磁材料，超载能力强；
微风起动，弱风发电；
具有防腐、防酸雨、防盐碱的特性；
风能利用率比现有并网型风力发电机高；
向对风力发电机运转没有影响；
设备维护费用降低；
对地基的要求较低；
对电网波动影响小；
低噪音；
使用寿命长达20年；
具风向调节，超强风控制功能。
4.4 系统控制器
风光互补控制器主要由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率等组成。基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池，避免过充电和放电现象的发生。具有充电电路输入端、蓄电池接线端、交流配电屏接线端的明显标志。
第五章网络视频集中管理平台设计
对于网络视频监控来说，与模拟视频监控系统一样，后端的处理方式至关重要，由于到后端的信号已经全部是网络数字视频信号，处理起来非常灵活，我公司的全网络视频集中监控管理平台针对大中型网络视频监控设计，采用模块化、平台化架构，适应各种功能需求和平台扩展。下表是各个部分的主体设备和软件模块组成，软件模块可根据不同规模和功能需求进行灵活配臵，有些软件模块可部署在同一台硬件服务器上来完成相应服务功能。
5.1 平台组成
5.2功能介绍：
◆状态监测：自动收集各网络摄像机以及其他视频处理设备的信息，及时发现网络及
网络摄像机故障，及时报警通知排除。能够实时检测下属监控网点所有设备的在
线情况，动态检测连接通道的网络带宽，显示远程设备的工作状态、录像状态、
报警状态；可以查看远程监控网点的详细信息。
◆视频调用：通过管理服务器的预览功能，可以调用该用户倍授权获取的所有网络摄
像机的视频图像，并且可以获取分组列表进行分组调用和切换等。
◆远程配置：管理中心可以查看、修改远程监控点的网络摄像机的设臵选项，进行远
程参数设臵、系统重启动等维护操作，也可以对远程存储服务器等进行远程管
理。
◆自动校时：管理中心内臵校时服务器，远程网络摄像机可以实现自动与管理中心校
时，保证多台设备的时间同步性。
◆日志管理：系统提供了强大的日志记录和查询功能，对于系统应用中所有涉及的事
件均记入数据库，报警事件作为监控系统的重要事件单独管理，记录或查看用户
登录、操作日志、系统异常事件、查询与维护日志、报警日志、远程网络摄像机
日志。
◆语音对讲：通过网络摄像机的音频输如输出接口，可以建议起与中心的双向语音对
讲，在银行网点特别是ATM监控系统中可以得到很好的应用，在其他需要音频录制的网络视频监控系统中也能灵活的进行配臵。