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視頻傳感網在高速公路電力維護中的應用淺析
作者：蔣曙豪，李一林，邱淳風
來源：CPS中安網
日期：2011-06-22 09:58:29
摘要：高速公路的快速發展，有力地促進了我國經濟發展和社會進步。高速公路收費站點是保持高速公路管理正常運行的命脈，而高速公路配發電設備是各收費站所的收費系統、通信系統、隧道通風照明、道路監控及辦公、生活設施等的電力保障。
自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來,物聯網(The Internet of things)被正式列為國家五大新興戰略性產業之一。通過各種無線和有線的通訊網絡，物聯網不僅實現了各種前端、樓控系統、家庭智能電器、視頻監控系統等實時在線監測、定位報警、聯動指揮、遠程控制等功能，而且實現了各類終端之間的信息關聯交互。作為物聯網一個重要分支的視頻傳感網因對視頻信息同步采集和處理，廣泛應用于高速公路日常維護之中。
一、需求分析
高速公路的快速發展，有力地促進了我國經濟發展和社會進步。高速公路收費站點是保持高速公路管理正常運行的命脈，而高速公路配發電設備是各收費站所的收費系統、通信系統、隧道通風照明、道路監控及辦公、生活設施等的電力保障。高速公路的性質決定了高速公路各收費站所必然是沿著高速公路呈分散的線狀分布，各收費站所相隔較遠，配發電設備各自獨立，各站所的設備管理人員和電工的素質參差不齊，必然影響到對設備的保養。2010年浙江省高速公路發生供電線路因臺風發生故障，突然發生停電，甚至大雨使線路發生了短路而跳閘，自發電無法供應收費道口情況時有發生，妨礙了收費設備的正常運行，使高速公路的正常運行受到嚴重的影響。目前，浙江高速公路收費站已經達300個，高速公路配發電設備存在如下問題：一是故障信息不掌握。由于管理中心與各收費站及當地機房距離較遠，中心管理人員無法了解發電機房與配電屏的實際狀況，只能靠電話或推測，所以有時負荷已超載或跳閘時，仍然使機器強行運轉，最后發生更大的事故。二是人員配備不到位。目前出于成本考慮，高速公路各管理所往往只配備一名電工，不能做到24小時值勤，晚間如遇停電或線路故障只能由收費員兼職電工先行發電，再通知專職電工再從家里趕到現場，而兼職電工對設備了解及性能的掌握不夠全面電，無法對故障作出正確的判斷，甚至表達不出故障的狀況。此外電工維修水平也是參差不齊，有的在緊急情況下對于故障不敢排除。三是故障維護不及時。目前由于設備運行時間較長，有的設備出現失保失修現象，長期帶病運行。另外各種儀器儀表又不統一，有數字的又有模擬的，對管理、維護帶來了困難。因此，建立一個通過物聯網管理、維護設備的信息平臺勢在必行。
二、建設思路
在高速公路運用物聯網最早是高速公路不停車收費、多路徑識別、不停車收費系統中采用射頻技術進行對車輛的管理與收費。有人認為物聯網就必須采用射頻卡(RFID)，這點我們不敢茍同。RFID只是射頻電子標簽，一般是讀出自己的身份信息結合后以無線的方式發出，短距離、低速率、低功耗無線網絡技術(Zigbee)的功能更強，能與傳感器配合，把傳感器讀出的物體信息，經過一定的處理，再與自己的身份信息結合后以無線的方式發出，其信息容量更大，主要適合于自動控制、傳感、監控和遠程控制等領域，前端采用這種技術只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，其通信效率非常高。為此，構建了以Zigbee、視頻傳感器等為核心的供配電設備監控管理系統，負責全段高速公路配發電設備遠程監視和設備維護管理，并在各收費所設立前端監控點，負責相應所的數據采集和當地設備維護。主要內容簡述如下：
1、Zigbee
Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。一般而言,隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術,ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點,也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。ZigBee有三個工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27個信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地減少了幀的沖突。為抗干擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴頻DSSS和頻率捷變FA技術，有更強的抗干擾和多徑的能力。
2、視頻傳感器
視頻傳感器屬于智能視頻分析范疇，通過對目標特征的處理，分析和識別，從而獲取關鍵信息進行判斷和決策，實現視頻信息的深度應用。視頻傳感器節點的設計需遵循微型化、低成本、擴展性和穩定性好的基本設計原則，在有限成本的基礎上，致力于設計出具有視頻信息采集、處理、傳輸等功能的傳感器節點，提高傳感器節點能力以最大限度地滿足大數據量、實時性要求較高的媒體信息的獲取與處理。視頻傳感器采集到的媒體信息，無論是靜態的圖像還是動態的視頻流，都具有很大冗余性和時空間關聯性，大量冗余數據在網絡中傳輸勢必會造成網絡資源的嚴重消耗。目前，在傳感器節點能量、計算處理能力、通信帶寬等資源普遍受限情況下，在視頻傳感器信息獲取、傳輸、展示中引入有效的網內信息處理技術完成媒體信息壓縮編碼、特征提取、目標識別以及信息融合等處理，并結合數據同步及任務協同處理，以減少網絡業務流量、提高網絡處理及響應速度，進而增強整個視頻傳感器網絡監測能力。
三、實施方案
對于物聯網來說，前端物體應安裝傳感器，把前端設備的信息轉化為能通過傳輸設備能進行傳輸的信息，然后通過身份識別與短距離傳輸設備傳輸信息。如下圖所示，傳感器為視頻傳感器。因為目前大部分儀器無論電壓表、電流表、功率因數表、溫度表等，在發電設備尤其是配電屏中都廣泛采用模擬指針式的電表，從直觀上、精度上還是價格上都有很大優勢。但這種模擬表作為ZigBee的數據采集就帶來很大的困難，因為作為使用者不可能打開表蓋對其電路進行改造。因此，方案核心是通過攝像頭采集模擬表的圖像，經數字化后送數字信號處理器進行智能分析，即通過圖像處理和模式識別技術自動識別指針讀數，包括刻度和文字的識別，指針位置的判讀，再將讀數通過ZigBee的發射端把而數據無線接力傳輸到電腦，再經過以太網傳到管理中心的平臺。
遠程配發電設備Zigbee技術數據采集和信息管理系統主要由三部分組成。
第一部分的前端節點進行數據采集及匯總數據，接受各配電房與發電機房配電設備上傳來的電數據通過ZigBee處理后通過無線匯總到配電房的電腦中。采集和轉發通信方式完全按系統數據傳輸標準進行短距離傳輸。該系統為基于ZigBee網絡的分布式多點監測系統，傳感器關系到監測數據的準確性和可靠性，并且傳感器屬于易損設備。今后應考慮現場的復雜情況，必須選用可靠、穩定、易維護的傳感器。
第二部分是本地數據存儲、交換和遠程通信，它起著承上啟下的核心作用。首先RF接收器收集前端節點發出的檢測信號，經ZigBee接受器處理在配電房的電腦中進行數據匯總，然后通過局域網傳送到系統控制中心。
第三部分是系統控制中心，實現各類監測數據的接收、顯示、統計、自動綜合分析、存儲、應用、發布。本系統構建于現有網絡平臺，把網絡連接看作一個整體設計須依賴于網絡平臺，包括網絡的拓撲結構、帶寬狀況、網絡類型及網絡管理，主要涉及的是服務器的設置，系統具備遠程更新程序的能力。管理處可通過網絡遠程更新現場控制器上運行的程序，更改采集周期、存儲方式等關鍵程序指標，或完全更新程序，以滿足不同時期對現場監測的需要;如有可能，也可在發生災情或其它緊急時刻，管理人員可在通過顯示設備，顯示了解現場監測情況;實現監測中心與監測現場設備間的雙向通信，使監測中心可以方便的了解監測現場設備的狀態，并可隨時向下發送命令或更新現場設備上的應用程序。現場監測站點需要用ZigBee監測配發電設備的參數，通過與儀表相連。系統通過數據采集器采集一系列參數，把配發電設備的電壓、電流、水溫、油壓以及停發電時間等先匯總到配電房的電腦，再通過局域網將數據發到監測中心。傳遞過程中數據保證送達、數據等級設置等工作，以保證數據的安全性和完整性。供中心控制人員了解各設備情況，在發生故障時指導現場操作人員排除故障。
2、功能要求
通過自備柴油發電機控制器的數據通信口進行規約接入，實現了高速公路配發電設備遠程維護與監視，也對微機繼電保護裝置進行了監視運行，實現了其保護定值的查詢、下裝和定值單管理等多種功能。一是報表分析功能，即自動形成電壓、電流的運行曲線，還能自動生成諸如功率、電能量、電壓合格率、供電可靠性等日月年報表，以便進行電網運行狀況的統計和考核，并進一步進行分析和預測。二是數據庫管理功能，即可定義不同級別的用戶群，實行嚴格的密碼管理和操作事件記錄，提供數據備份工具進行數據備份，最大程度保證系統安全。三是運行工況監視功能，即自動監視供配電監控系統本身的運行狀況，及時發現系統自身隱患，保障監控收費系統的可靠運行。四報警功能，即設備故障報警、開關設備報警和異常情況報警，可以靈活設定報警條件，并和工作人員的手機綁定，在滿足報警條件時，自動發送報警信息以及語音通知，對已經到達年限設備會自動提示進行更換。五是查詢統計功能，即提供多種條件查詢和查詢結果分類方式，具備分項排序、統計最大值、最小值、平均值等分析處理功能，提供統計各類監測數據功能，提供查詢結果打印功能。六是系統管理功能，即設置系統的一些參數，包括權限管理、設備管理、在線列表和監控源類型設置等。
四、結束語
視頻傳感網是物聯網的重要組成部分，通過視頻傳感網在高速公路電力維護中應用表明，視頻傳感網不僅可以實時監控各類設備的運行狀態，而且可以隨時了解設備工作位置、環境狀況、工作進度等關鍵技術指標，其應用前景廣闊，尤其對于交通樞紐、環線公路以及高速公路應用效果更加突出，如統計通行車輛數量、檢測交通違法目標、識別故障車輛及判斷道路堵塞狀況等。
一、需求分析
高速公路的快速發展，有力地促進了我國經濟發展和社會進步。高速公路收費站點是保持高速公路管理正常運行的命脈，而高速公路配發電設備是各收費站所的收費系統、通信系統、隧道通風照明、道路監控及辦公、生活設施等的電力保障。高速公路的性質決定了高速公路各收費站所必然是沿著高速公路呈分散的線狀分布，各收費站所相隔較遠，配發電設備各自獨立，各站所的設備管理人員和電工的素質參差不齊，必然影響到對設備的保養。2010年浙江省高速公路發生供電線路因臺風發生故障，突然發生停電，甚至大雨使線路發生了短路而跳閘，自發電無法供應收費道口情況時有發生，妨礙了收費設備的正常運行，使高速公路的正常運行受到嚴重的影響。目前，浙江高速公路收費站已經達300個，高速公路配發電設備存在如下問題：一是故障信息不掌握。由于管理中心與各收費站及當地機房距離較遠，中心管理人員無法了解發電機房與配電屏的實際狀況，只能靠電話或推測，所以有時負荷已超載或跳閘時，仍然使機器強行運轉，最后發生更大的事故。二是人員配備不到位。目前出于成本考慮，高速公路各管理所往往只配備一名電工，不能做到24小時值勤，晚間如遇停電或線路故障只能由收費員兼職電工先行發電，再通知專職電工再從家里趕到現場，而兼職電工對設備了解及性能的掌握不夠全面電，無法對故障作出正確的判斷，甚至表達不出故障的狀況。此外電工維修水平也是參差不齊，有的在緊急情況下對于故障不敢排除。三是故障維護不及時。目前由于設備運行時間較長，有的設備出現失保失修現象，長期帶病運行。另外各種儀器儀表又不統一，有數字的又有模擬的，對管理、維護帶來了困難。因此，建立一個通過物聯網管理、維護設備的信息平臺勢在必行。
二、建設思路
在高速公路運用物聯網最早是高速公路不停車收費、多路徑識別、不停車收費系統中采用射頻技術進行對車輛的管理與收費。有人認為物聯網就必須采用射頻卡(RFID)，這點我們不敢茍同。RFID只是射頻電子標簽，一般是讀出自己的身份信息結合后以無線的方式發出，短距離、低速率、低功耗無線網絡技術(Zigbee)的功能更強，能與傳感器配合，把傳感器讀出的物體信息，經過一定的處理，再與自己的身份信息結合后以無線的方式發出，其信息容量更大，主要適合于自動控制、傳感、監控和遠程控制等領域，前端采用這種技術只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，其通信效率非常高。為此，構建了以Zigbee、視頻傳感器等為核心的供配電設備監控管理系統，負責全段高速公路配發電設備遠程監視和設備維護管理，并在各收費所設立前端監控點，負責相應所的數據采集和當地設備維護。主要內容簡述如下：
1、Zigbee
Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。一般而言,隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術,ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點,也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。ZigBee有三個工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27個信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地減少了幀的沖突。為抗干擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴頻DSSS和頻率捷變FA技術，有更強的抗干擾和多徑的能力。
2、視頻傳感器
視頻傳感器屬于智能視頻分析范疇，通過對目標特征的處理，分析和識別，從而獲取關鍵信息進行判斷和決策，實現視頻信息的深度應用。視頻傳感器節點的設計需遵循微型化、低成本、擴展性和穩定性好的基本設計原則，在有限成本的基礎上，致力于設計出具有視頻信息采集、處理、傳輸等功能的傳感器節點，提高傳感器節點能力以最大限度地滿足大數據量、實時性要求較高的媒體信息的獲取與處理。視頻傳感器采集到的媒體信息，無論是靜態的圖像還是動態的視頻流，都具有很大冗余性和時空間關聯性，大量冗余數據在網絡中傳輸勢必會造成網絡資源的嚴重消耗。目前，在傳感器節點能量、計算處理能力、通信帶寬等資源普遍受限情況下，在視頻傳感器信息獲取、傳輸、展示中引入有效的網內信息處理技術完成媒體信息壓縮編碼、特征提取、目標識別以及信息融合等處理，并結合數據同步及任務協同處理，以減少網絡業務流量、提高網絡處理及響應速度，進而增強整個視頻傳感器網絡監測能力。
三、實施方案
對于物聯網來說，前端物體應安裝傳感器，把前端設備的信息轉化為能通過傳輸設備能進行傳輸的信息，然后通過身份識別與短距離傳輸設備傳輸信息。如下圖所示，傳感器為視頻傳感器。因為目前大部分儀器無論電壓表、電流表、功率因數表、溫度表等，在發電設備尤其是配電屏中都廣泛采用模擬指針式的電表，從直觀上、精度上還是價格上都有很大優勢。但這種模擬表作為ZigBee的數據采集就帶來很大的困難，因為作為使用者不可能打開表蓋對其電路進行改造。因此，方案核心是通過攝像頭采集模擬表的圖像，經數字化后送數字信號處理器進行智能分析，即通過圖像處理和模式識別技術自動識別指針讀數，包括刻度和文字的識別，指針位置的判讀，再將讀數通過ZigBee的發射端把而數據無線接力傳輸到電腦，再經過以太網傳到管理中心的平臺。
遠程配發電設備Zigbee技術數據采集和信息管理系統主要由三部分組成。
第一部分的前端節點進行數據采集及匯總數據，接受各配電房與發電機房配電設備上傳來的電數據通過ZigBee處理后通過無線匯總到配電房的電腦中。采集和轉發通信方式完全按系統數據傳輸標準進行短距離傳輸。該系統為基于ZigBee網絡的分布式多點監測系統，傳感器關系到監測數據的準確性和可靠性，并且傳感器屬于易損設備。今后應考慮現場的復雜情況，必須選用可靠、穩定、易維護的傳感器。
第二部分是本地數據存儲、交換和遠程通信，它起著承上啟下的核心作用。首先RF接收器收集前端節點發出的檢測信號，經ZigBee接受器處理在配電房的電腦中進行數據匯總，然后通過局域網傳送到系統控制中心。
第三部分是系統控制中心，實現各類監測數據的接收、顯示、統計、自動綜合分析、存儲、應用、發布。本系統構建于現有網絡平臺，把網絡連接看作一個整體設計須依賴于網絡平臺，包括網絡的拓撲結構、帶寬狀況、網絡類型及網絡管理，主要涉及的是服務器的設置，系統具備遠程更新程序的能力。管理處可通過網絡遠程更新現場控制器上運行的程序，更改采集周期、存儲方式等關鍵程序指標，或完全更新程序，以滿足不同時期對現場監測的需要;如有可能，也可在發生災情或其它緊急時刻，管理人員可在通過顯示設備，顯示了解現場監測情況;實現監測中心與監測現場設備間的雙向通信，使監測中心可以方便的了解監測現場設備的狀態，并可隨時向下發送命令或更新現場設備上的應用程序。現場監測站點需要用ZigBee監測配發電設備的參數，通過與儀表相連。系統通過數據采集器采集一系列參數，把配發電設備的電壓、電流、水溫、油壓以及停發電時間等先匯總到配電房的電腦，再通過局域網將數據發到監測中心。傳遞過程中數據保證送達、數據等級設置等工作，以保證數據的安全性和完整性。供中心控制人員了解各設備情況，在發生故障時指導現場操作人員排除故障。
2、功能要求
通過自備柴油發電機控制器的數據通信口進行規約接入，實現了高速公路配發電設備遠程維護與監視，也對微機繼電保護裝置進行了監視運行，實現了其保護定值的查詢、下裝和定值單管理等多種功能。一是報表分析功能，即自動形成電壓、電流的運行曲線，還能自動生成諸如功率、電能量、電壓合格率、供電可靠性等日月年報表，以便進行電網運行狀況的統計和考核，并進一步進行分析和預測。二是數據庫管理功能，即可定義不同級別的用戶群，實行嚴格的密碼管理和操作事件記錄，提供數據備份工具進行數據備份，最大程度保證系統安全。三是運行工況監視功能，即自動監視供配電監控系統本身的運行狀況，及時發現系統自身隱患，保障監控收費系統的可靠運行。四報警功能，即設備故障報警、開關設備報警和異常情況報警，可以靈活設定報警條件，并和工作人員的手機綁定，在滿足報警條件時，自動發送報警信息以及語音通知，對已經到達年限設備會自動提示進行更換。五是查詢統計功能，即提供多種條件查詢和查詢結果分類方式，具備分項排序、統計最大值、最小值、平均值等分析處理功能，提供統計各類監測數據功能，提供查詢結果打印功能。六是系統管理功能，即設置系統的一些參數，包括權限管理、設備管理、在線列表和監控源類型設置等。
四、結束語
視頻傳感網是物聯網的重要組成部分，通過視頻傳感網在高速公路電力維護中應用表明，視頻傳感網不僅可以實時監控各類設備的運行狀態，而且可以隨時了解設備工作位置、環境狀況、工作進度等關鍵技術指標，其應用前景廣闊，尤其對于交通樞紐、環線公路以及高速公路應用效果更加突出，如統計通行車輛數量、檢測交通違法目標、識別故障車輛及判斷道路堵塞狀況等。
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