1、毕业论文一种基于3G的煤层气采气井站远程监控系统设计一种基于3G的煤层气采气井站视频监控系统A Video Monitor System of Coal Gas Well Based on 3G摘 要我国的煤层气产业已进入高速增长期，及时掌握煤层气田的生产情况对于安全开采有重要的意义。因此，本文针对煤层气田的特点，提出一种基于3G的视频监控系统。我国的煤层气田分布在广袤的大地上，多数气田在人迹罕至的地方。若以传统方法建立煤层气视频监控系统将会面临电缆敷设难、后期维护成本高等困难。本文借助以高传输速率为优势的3G网络，构建无线视频监控系统可以在煤层气田视频监控领域得到广泛的应用。首先，对比各种3
2、G网络和视频压缩算法，最终确定煤层气视频监控系统采用中国联通WCDMA网络，压缩算法选择目前最适宜网络传输的H.264算法。实践证明，在联通WCDMA网络高传输速率的保障下，视频信号经H.264算法压缩后具有很好的传输效率。WCDMA网络中的终端不具备公网IP地址，这样监控中心就无法访问到终端设备，通过在前端设备和监控中心之间建立VPN虚拟专用网的方法很好地解决了这一问题，并保障了网络传输的安全。该煤层气视频监控系统由前端视频采集设备、视频服务器、3G路由器和监控中心软件组成。使用C#语言编写了功能齐全的视频监控软件。最后，提出一种利用帧差法的图片存储策略来解决大量图片占用系统存储资源的问题，
3、即通过比较不同时刻图片的灰度值来判断所监控的场景是否有变化，有变化则存储，没有则不存储。这种存储策略将大大节省系统的存储空间，提高了视频管理的效率。相信随着3G网络的不断完善，该无线监控系统将较好的满足很多应用领域的需求。关键词：视频监控；煤层气田；3G；帧差法 A Video Monitor System of Coal Gas Well Based on 3GAbstractOur CBM industry has entered a period of rapid growth, it is important to grasp the situation of coal-bed met
4、hane fields of the video for the safety of CBM. Therefore, this paper presents a 3G-based video surveillance system based on the characteristics of CBM.Our coal bed gas fields are located in the land of the vast and majority of fields are located in inaccessible places.If CBM video surveillance syst
5、em is established by the traditional methods, the problems such as cable laying face difficult and high maintenance cost will appear. The wireless monitoring system which is built by the 3G networks that has the advantage of high transmission rate will be used widely.Firstly, the comparison of 3G ne
6、tworks and the compression of video algorithms make us choose the China Unicoms WCDMA network and the H.264 network algorithm which is best for the network transmission. The video signal compressed by the H.264 algorithm appears good transmission efficiency with the support of WCDMA, Which is proved
7、 by practice. The terminal in WCDMA does not have the public IP address, so that the monitoring center can not access to the terminal device. Building the VPN between the monitoring center and the front-end equipment will solve this problem and protect the network security. This CBM system consists
8、of front-end video capture devices, video servers, 3G routers, and center software. The full-featured video surveillance software is written in C#. Finally, an image storage strategy using the frame difference method is presented to save the systems memory resources. Whether there is a change of sce
9、ne is determined by the gray value of the monitor pictures at different times. Practice has proved that this strategy will greatly reduce the system memory storage space and improve the efficiency of the system. With the development of the 3G networks high-speed data transfer rate, this system will
10、meet the needs of many applications.Key Words：Video Monitor; Coal Gas;3G; Frame Difference Method1 绪论视频监控系统广泛应用于国民经济各个领域。目前应用最广泛的是模拟视频监控系统和数字网络监控系统，这两种形式以极高的稳定性赢得了广泛的市场。但在实际应用过程中，无论是模拟监控系统还是数字网络监控系统，都是需要建立在现有网络基础之上或是需要大量布线的。随着无线网络的发展，近年来出现了3G网络。3G网络具有高传输速率的特点，因此设计一种基于3G网络的视频监控系统就变成了可能1。在我国广袤的西北大地上分布
11、着许多煤层气田，这些煤层气田分布地域广、监控点多而分布不均。采用传统方式对这些气田进行监控，将导致户外线路架设困难及后期维护成本高等诸多问题。正是在这一背景下本文提出一种基于联通WCDMA网络的无线视频监控系统。伴随着网络技术的飞速发展，视频处理能力的快速提高以及3G网络的逐渐普及，视频监控进入了数字化网络时代。而以往的数字视频网络监控系统，基本上都是基于局域网或者专网，在偏远地区敷设线缆变得十分困难。3G无线路由器的出现无疑很好地解决了偏远地区的问题。视频监控系统中的数据传输为上行传输，3G上行传输速率的提高，为视频监控领域中的高速率高质量的图像传输提供了技术支持。本文正是利用网络视频服务器
12、、3G路由器和自主开发的视频监控终端构建了一种基于3G网络的煤层气田视频监控系统。1.1 视频监控系统的发展历程视频监控技术的发展过程可按照主流设备划分为3个阶段，20世纪70年代开始的模拟视频监控阶段、20世纪90年代开始的数字视频阶段和近几年兴起的智能网络视频监控时代。模拟监控阶段的核心设备是视频切换矩阵，数字视频阶段的核心设备是硬盘录像机(DVR)，智能网络视频监控时代没有核心硬件设备，系统变得开发而分散，设备包括网络摄像机(IPC)、视频编码器(DVS)、网络摄像机(NVR)及中央管理平台(CMS)等2。目前的实际应用中，各种类型的产品和架构方式都存在并会持续很长时间，但从长远看，智能
13、网络视频监控系统是未来视频监控技术的发展方向。模拟时代，视频监控系统由模拟摄像机、多画面分割器、视频矩阵、模拟监视器和磁带录像机等构成。摄像机拍摄的图像经过同轴电缆传输，自动化程度比较低。模拟视频监控系统又称闭路电视监控系统(CCTV)，一般由前端信号采集设备、中间信号传输部分、视频矩阵切换及控制部分、显示及录像4个部分组成。前端视频采集设备(摄像机)将光信号转换为电信号后，通过信号传输部分(同轴电缆)传送到矩阵输入端，视频矩阵再将信号输入到显示器，利用矩阵的切换功能实现前端摄像机到监视器的选择切换。通过矩阵和多画面处理器可以实现在一个显示器上观看多个场景的功能，从而节省了监视器和录像机。在模
14、拟监控系统中磁带录像机(VCR)可以对选择的视频通道的视频进行录像。这种模拟监控系统架构形式技术成熟、性能稳定、操控性好，在超市、商场等场所有着广泛的应用。但在监控点多而分散的场合使用模拟监控系统就会出现大量敷设电缆，施工难等缺点。数字时代，以DVR为主要标志产品，模拟视频信号可以通过DVR进行模数转换并被压缩，这样视频信号就可以通过网络进行传输，并且大大提高存储功能。数字化网络视频监控系统的形式非常多。最典型的架构方式是有摄像机、数字视频服务器和计算机组成的系统。摄像机采集视频信号，然后将模拟的视频信号输送给DVR(数字视频录像机)。DVR的核心功能是将模拟音视频信号数字化，编码压缩并储存。
15、模拟视频通过相应的视频A/D转换器压缩编码为MPEG-4、H.264或其他格式的视频数据。CPU通过PCI总线将编码后的音视频信号发送到本地存储硬盘中，通过网卡将数据发送到互联网上进行远程传输。当用户需要回看视频时，需要到本地回放，通过读取硬盘中的音视频数据并发送到解码芯片，解码芯片解码并输出到D/A转换中，完成录像的回放功能。智能网络视频监控时代，目前还处于起步阶段。主要由网络摄像机、视频编码器、高清录像机、海量存储系统及视频内容分析技术(VCA)构成，可以实现视频的远程传输、存储播放、远程控制和视频内容分析等功能。1.2 国内外发展现状视频监控系统具有非常好的市场前景和应用价值。因此，世界
16、各国研究机构都十分重视视频监控系统的科研工作，该领域新产品层出不穷。我国在视频监控领域虽然起步较晚，但发展极为迅猛。下面就对视频监控系统的国内外发展情况作一概述。安全防范设备在美国等发达国家的应用十分广泛，应用层次也很高，对我国的借鉴价值非常大。由于美国经常发生恶性治安犯罪事件，因此美国的大街小巷都遍布了各种监控设备，它们成了防范犯罪的有力武器，几乎所有的银行、商店、加油站、ATM机、公交地铁站、医院、学校等地方都安装有视频监控设备。在欧洲也是这样，无论是高楼大厦、还是路口车站也都设置了视频监控设备。视频监控系统为欧洲的夜间安防提供了重要的支持，通过在人们不容易发现的地方架设视频设备。所架设的
17、视频监控设备通过网络与公安系统的监控中心直接相连。广泛的安装视频监控设备使得欧洲的犯罪率下降了50%。2005年的伦敦地铁爆炸案中，视频监控系统准确地捕捉到恐怖分子的外部特征，为案件的侦破提供了有力的证据3。我国的视频监控起步也很早，20世纪50年代一些重要的部门就秘密地安装了视频监控系统。我国陆续制定了相关系列的安全技术防范标准。不过就总体而言，我国的视频监控系统尚处于起步阶段。为此，中国安全防范产品行业协会于2000年就制定了中国安全防范产品行业“十五”发展规划力争在“十五”期间加快中国高科技安防产业的发展。该规范提出要“发展自动跟踪和锁定系统、远距离多路报警图像传输信号系统和多媒体技术传
18、送及接受图像系统，提高监控产品质量。研制有自主知识产权的系统产品，开拓应用领域，提高国内产品的市场占有率”4。目前，模拟视频设备的发展已进入瓶颈阶段，因此无论发达国家还是我国的视频监控系统都在向数字化迈进。数字信号具有抗干扰能力强、失真小、传输效率高等模拟信号无法相比的优势，同时也存在信号处理数据量大、占有频率资源多的问题。若要使数字信号具有模拟信号一样的传输性能，就必须有效地对数字信号进行压缩，数字信号的传输才能实现5。目前各种数字信号处理技术的广泛应用大大加快了视频监控系统数字化的步伐。各种视频设备普遍采用数字信号处理技术，如视频图像的采集、图像的拼接组合和图片的模式识别等。这些设备输入输
19、出信号都是模拟量，在设备内将这些模拟信号转变为数字信号进行处理。数字信号处理单元和动态存储单元可以帮助控制单元对信号进行并行和分时处理，实现多通道信号之间的同步，解决扫描变换和采样后带来的失真问题。各种数字视频设备的功能更加完善，性能大为提高6。目前数字信号处理技术和器件技术已趋于成熟，其应用也为CPU在视频设备中的应用提供了更有利的条件，使得信号的变换、处理和控制均处在同一个数字层面上，同时也使得视频设备与计算机的接口更加方便7。1.3 课题的来源本课题来源于国家科技重大专项项目大型油气田及煤层气开发中的第39子项。目前煤层气的开发和利用得到国家的特别重视，但其安全监测是煤层气能够推广应用的
20、重要保障，国家安全监管总局在2010年3月专门就煤层气开采的安全问题下发通知。因此，建立煤层气视频监控系统，对于保障煤层气的开采安全具有重要意义。3G网络在我国已经覆盖大部分地区，但3G技术应用于分布式监控系统，仍有很多问题需要解决。本课题通过大量研究，提出一种基于3G技术的视频监控系统，这种无线煤层气田视频监控系统在国内为首次应用。可以预见的是构建无线视频监控系统将很好地满足煤层气田视频数据的传输需求。1.4 研究内容论文的主要工作集中在以下几个方面：第1章：简要地介绍国内外视频监控系统的发展状况和几种典型的视频监控系统的架构方式。第2章：从三个方面分别比较国内3G网络的特点，最终根据煤层气
21、田对视频监控系统的要求确定使用中国联通WCDMA网络。介绍系统中会用到的若干关键技术。通过对比MPEG-4和H.264压缩算法，最终确定系统设备使用H.264压缩算法。引入VPN虚拟隧道技术解决WCDMA网络中各终端没有固定公网IP地址的问题。第3章：根据系统功能要求提出该煤层气视频监控系统的性能指标。提出一种基于3G的煤层气视频监控系统架构方式。系统由前端视频采集设备、视频编码压缩设备、3G网络传输设备以及监控中心组成。介绍监控中心应具备的条件和监控软件的总体架构。详细说明系统中各设备的配置情况和如何使用这些设备进行组网工作。第4章：设计视频监控软件，给出每个功能模块的程序流程图。详细介绍软
22、件中重要模块的关键代码。在图片存储方面提出硬盘存储与数据库管理相结合的方式，并提出一种图像存储策略，应用该策略可以大大节约监控中心计算机的存储空间。最后，对全文工作进行总结，并提出对未来工作的展望。2 3G网络选择及关键技术介绍选择合适的网络对无线视频监控系统至关重要，同时选择一种适合无线网络的视频压缩编码方式也会大大提高无线视频监控系统的效率。本章对网络选择问题及涉及到的视频压缩等关键技术进行介绍。2.1 3G网络的选择3G（3rd-generation的缩写）是第三代移动通信技术的简称，是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务的代表特征是其提供的服务有高速度的传输速率。目前在我国
23、存在三种3G通信标准，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的CDMA2000。为找到一种适合无线视频监控系统的无线网络，下面从速度、稳定性和覆盖面、资费等方面比较这三种无线网络的优劣。结合煤层气自身的特点，最终决定选择联通的WCDMA网络。2.1.1 速度无线视频监控系统中主要需要考虑上行传输速率，但由于云台等辅助设备需要接受监控终端的指令，因此在主要考虑上行传输速率的同时还要兼顾下行传输速率。3种3G网络的理论速度对比8如表2.1：表2.1 3G网络速度对比Tab. 2.1 Rate comparison of 3G networkTD-SCDMAWCDMACDM
24、A2000下行速率2.8Mbps14.4Mbps3.1Mbps上行速率384Kbps5.76Mbps1.8Mbps显然，在理论上无论上行速率还是下行速率中国联通WCDMA都是最快的。虽然我们实测的速率和运营商宣传的有很大差距，但联通WCDMA上行80-120Kbps、下行140-250Kbps的速率已经可以完成无线视频传输的任务。并且在实测数据传输速率中联通WCDMA是3G网络中传输速率最快的一种方式。2.1.2 稳定性和覆盖面TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000都属于宽带CDMA技术。宽带CDMA进一步扩展了标准的CDMA概念，在一个相当更宽的频带上扩展信号，从而减少多路径和衰减带
25、来的传播问题，具有较强的抗干扰能力与抗衰落能力9。因此在网络稳定性方面，三种方式处于同一水平。但在覆盖面方面三种方式有所区别。中国移动TD基站：一期建设中已经累计开通了17672个基站，容量可达950万户；在2011年，基站的总数将达到14.5万个10。中国联通WCDMA基站：从2008年起在全国许多城市建立了基站设施，并先期在深圳、上海、柳州、佛山、保定、武汉、无锡和郑州八个已经开始了各约上百个基站的外场测试，计划将来在超过200城市部署总数近7万基站。中国电信CDMA基站：约10万多个，国内81个城市的本地网已经采购CDMA EV-DO的网络设备。2.1.3 资费目前，这三种网络的各地运营
26、商都推出了很多套餐，有包年、包月、包流量综合比较这三种网络的各种资费标准，但CDMA2000 网络的资费最具优势11。另外基于自身业务的发展情况，3家运营商在市场定位和营销策略上是有不同的12。3家运营商的3G视频监控业务营销策略对比见表2.2。显然，中国电信和中国联通的视频业务是比较适合行业用户的。表2.2 视频监控业务营销策略对比Tab. 2.2 Comparison of video monitor sales way中国联通中国电信中国移动业务优势行业用户基础优势家庭用户、小规模商业用户基础优势合作伙伴优势WCDMA稳定可靠的技术优势行业用户基础合作伙伴优势视频监控技术规范优势个人手机
27、用户优势品牌资金优势良好的业务团队营销策略重点发展行业用户加快推进发展个人用户和家庭用户小规模商业用户重点发展行业用户通过行业用户带到个人，家庭用户和小规模商业用户的发展重点发展个人用户争取行业用户加快LTE技术应用发展，抢占技术制高点2.1.4 网络的确定前面三小节已经很系统地比较了三种网络的优劣。最终网络的确定还要结合煤层气田视频监控自身的特点。煤层气田大多分布在人迹罕至的偏远地区，且数量众多。一旦某煤层气发生火灾、盗采等事故时，及时的获取现场视频信息就可以最大地降低损失或为破案提供关键线索13。因此，对煤层气田视频监控系统而言，首先考虑的应是在网络稳定的前提下。网络的传输速率问题。其次才
28、是资费的问题。前三小节已经论述三种3G网络的稳定性难分伯仲，并且随着中国电信事业的发展网络会越来越稳定可靠。中国联通的WCDMA在传输速度方面有着明显地优势。因此，最终决定选用中国联通的WCDMA网络。下面对WCDMA进行简单介绍。WCDMA是Wideband CDMA的英文缩写，中文翻译可理解为宽带分码多工存取，该方式支持384Kbps至2Mbps的不同等级的数据传输速率。即使在高速度移动的时候，也能提供大约384Kbps的数据传输速率。在低速移动或者室内环境中，则可提供的传输速率高达2Mbps14。而对于GSM系统而言，目前只能达到9.6Kbps，对于固定线路Modem调试解调也只有约56
29、Kbps的速率，因此WCDMA可以算得上是真正的无线宽带通讯。相比其他两种3G模式，中国联通WCDMA具有如下网络优势15：（1）网络速度快：WCDMA 3G技术已经在全世界很多国家得到广泛应用，网络最高理论下载速率达到14.4Mbps。而2G无线宽带约为150Kbps，可加联通WCDMA网络速度几乎是2G网络速度的100倍。（2）支持业务最广泛：基于WCDMA成熟的网络平台，可以支持的业务非常多 ，包括无线上网卡，手机上网等。（3）终端种类多：目前全球主要手机生产商都退出了WCDMA手机。（4）国内覆盖范围广泛：目前全国大部分地区开通了联通WCDMA业务。（5）可漫游的国家多：全世界几乎所有
30、的国家都开通了WCDMA网络，使用联通WCMA手机可以在很多国家进行漫游。2.2 H.264技术说明为了充分利用无线网络数据带宽，合理地选择一种适合无线视频传输的视频压缩编码是很有必要的。目前主要应用的压缩编码方式有MPEG-4和H.264方式。与MPEG-4相比H.264作为最新的图像压缩标准拥有容错能力和高质量的视频编码效率。在相同的重建图像质量下，H.264在性能方面比MPEG-4方式实现的视频格式提高了33%，也就是说它拥有更快的传输速度，更能适应网络多媒体传输的条件。H.264在很宽和像素范围内使编码效率提高约50，压缩比达到150：l，从而提高了其传输的稳定性。视频流量可由公式2.
31、116计算： N=分辨率色深(bit)帧速(fps) (2.1)其中N的单位是每秒数据采集量bps。实践证明500（水平）582（垂直）的分辨率可以满足野外煤层气田监控的需要，经H.264压缩后视频流仅0.77Mbps，远远小于3G网络的理论上行速率。但高于实测的上行速率，不过经过实际使用发现这只会造成监控画面的延时，不会影响图像的清晰程度。与以前的标准一样，H.264采用了预测编码和变化编码混合的编码模式，集中了以往各编码方式的优点，因此H.264获得了更好的压缩性能。H.264具有很高的数据压缩比，在同等图像质量的前提下，H.264编码的压缩比是MPEG-4的2倍左右。在相同图像质量的前提
32、下、它可节省相当大的带宽和存储成本。H.264的编码架构如图2.1所示：图2.1 H.264编码架构Fig. 2.1 Coding structure of H.264与其他视频编码压缩标准相似，H.264的主要功能有预测、变化、量化和编码，同时还增加了环内滤波功能，这样通常所看到的“马赛克”现象就没有了17。H.264编码的关键特性如下：（1）网络适应性强：H.264提供了网络抽取层，这使得H.264编码的文件可以在互联网、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等不同的网络环境中传输。（2）容错能力强：H.264可以在不稳定网络环境下解决容易丢包等错误。（3）整数变换：H.264使用了基于44像素块的类似于DCT的变换，但使用的是以整数为基础的空间变换，整数DCT变换还具有减少运算量和复杂度、有利于定点DSP移植的优点。（4）运动估计特点：H.264运动估计的特点包括不同大小形状的块分割、高精
