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智能化系统集成

浅谈如何保证厂区智能建筑工程视频监控系统的图像质量

浅谈如何保证厂区智能建筑工程视频监控系统的图像质量

2018-07-09 次浏览

【摘要】本文就在厂区车间建设视频监控系统所可能遇到的图像质量较差等问题及解决方法做一些简要先容,并举例说明这些方法在实际工程中的应用。

 

一、 前言

随着智能建筑工程安防监控的不断发展,无论各行各业,其生产仪器都已越来越精密,自动化程度越来越高。而为了保证大型设备安全可靠并能够经济运行,许多企业在生产线的人员配置越来越少,企业可以通过计算机技术对生产线本身进行严密监控和自动操作之外,已经开始使用安防监控产品,它主要的作用就是是安全防护,也正是这个主要作用,使得视频监控在工业生产上的应用就变得更加的重要。

虽然我国安防业基本形成了集科研开发、生产制造、销售经营、系统集成、工程建设、报警运营服务为一体的完整产业链体系,但是工业生产安防仍旧处在发展的初级阶段。频发的生产事故使石油化工、煤矿开采、电气行业逐步认识到安全防范的重要性,并大力进行安防系统的建设和升级。但厂区车间环境复杂,没有太多经验可以考量,其中暴露了不少问题,比如:点位设置困难,监视范围薄弱,监视效果差,与建设初期目标不一致等问题。主要原因还是不规范,没有太多的成熟的经验积累汇总。

所以,想通过此篇文章,针对视频图像传输部分,提供同行一些实际的案例经验,大家相互学习参考,最终使大家的安防行业在各行业发挥其应有的作用。

二、 厂区视频监控合理布点与选材对图像传输质量的影响

2.1  厂区外围

通常说的厂区外围,只要是指:厂区围墙以内,厂区各车间或建筑物之外的范围。

通常外围摄像机布点,对图像干扰因素主要考虑以下几点:

环境因素:露天机械设备或者装置对设备的影响、风力,年平均温度等等。例如:上海某风力发电场,地处南汇海岸线边的风力发电装置的监控,原来用户试运行选择的是普通的室外护罩加云台摄像机,但是用了不久,腐蚀严重,图像抖动、图像质量差,经常故障,甚至故障无法使用。经过我方调研后,进行系统改造,更换了摄像机,就是选择一款西门子的超远焦PTZ摄像机防腐蚀抗盐分的密闭防护罩(ss316不锈钢),同时考虑到风力对监视效果的影响,实际安装位置放在距离风力发电装置较远处,固定在1-2公里外一个建筑物上,建筑物距离控制中心又有2公里左右的距离,采用了视频光端机和多模光纤地下敷设传输模式,这样子,有效的解决了图像可能出现的抖动,保证传输的可靠性,同时将环境影响降低到最小。

那如果说监视环境内,有大型易燃易爆的罐体等,则需考虑使用防爆等级的摄像机,同时传输视频信号及供电电源的管材,也应该使用防爆处理的专用棺材和防爆接头。对于,常年低温或高温的,要采用带有加热装置或降温装置的防护罩。这类防护罩要求有严格的密封结构,还要有雨刷、喷淋装置等。例如,在江西德兴铜矿油库及加油站,由于用户对监视范围有严格要求,必须能清晰看到加油机操作人员的体态动作和脸部特征,当时安装距离是比较近的,在加油区顶棚吊杆安装。由此全部采用此类方案实施。另,储油罐在1公里以外的一座小山上,则直接将摄像机架设到油库值班室的屋顶,通过光缆沿山路绿化带埋地敷设,信号传输至山下控制室。至今效果良好。

干扰信号:厂区外围可能会有一些强电线路,在布设监控点位的时候,需要避开,实在无法避开,则传输线缆需要采用金属管屏蔽外界干扰,对于室外的所有摄像机都采取防雷接地装置,保护摄像机正常工作。每台户外摄像机都必须单点接地,打接地桩,接驳接地线和防雷器。

2.2  车间内

车间内如有大型用电设备或生产线等,对监控图像的传输干扰就比较严重了,需要特别注意。这是视频监控工程质量控制的重中之重。

其摄像机的布置原则是,能远离干扰源则尽可能远,无法避开,则需要考虑干扰源种类,以技术手段进行排除。以上海特缆电工车间监控为例:车间原来没有弱电专用桥架或者信号传输路由,车间标高8米,比较高。除了钢梁和支撑柱没有其他可以用来架设摄像机的位置,车间四周墙面安装又由于角度和位置的因素,不能实现有效监视。线路传输方面,管线地面开槽也是不可能。所以,根据现场特殊情况,大家采取了钢柱抱箍支架(见图:)

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图片2.jpg解决了车间内摄像机布点的问题。

管线敷设,由于车间内,原来没有弱电专用金属桥架,必须考虑如何处理视频信号及摄像机供电问题。解决方案为:沿车间四周墙面安装100*50镀锌桥架,通过就近的支撑柱连接镀锌钢管至摄像机点位。供电方式原来不考虑使用POE供电,是采取中心集中供电方式,理由是对POE交换机的安装距离有75米的限制,而现场条件不满足。后选择网络数据一线通,加装宽带载波传输器,具备支撑PoE和PoC技术,前端的IP摄像机和设备也无需单独布电源电缆。

信号传输方式,初步设计有2个方案,第一是模拟信号双绞线传输,第二是直接选用高清数字摄像机,传输数字信号。2种方案,都是考虑避免其他信号源对监控图像信号的干扰。双绞线特殊的物理结构,平衡传输时其上传输一对幅度相等、极性相反的差分信号,可使两线间的寄生电容、寄生电感趋于零。但对外界干扰信号而言上述结果并不存在,干扰信号在两根线上幅度极性都一样。故当传输模拟视频信号网络摄像机、距离在1公里左右时,综合成本及工程难易程度等各方面因素,双绞线平衡传输具有不可替代的优势。而数字监控的易传输,易压缩、抗干扰、易控制,已经为众人所知,成本稍高,但随着技术越来越成熟,设备成本也是逐步下降。同时最终图像质量相对模拟系统则更为优秀。

最终,经过与客户沟通讨论,决定采取数字安防视频监控系统(前端直接采用网络型数字视频安防监控)。同时对该数字系统的传输方式做了一个分析比较:

项目

光纤

无线

网线

两芯铜缆

传输设备

光纤收发器

无线路由器+天线

网络交换机

网络数据一线通

传输介质

光缆

微波、射频电磁波

网线

两芯铜缆

传输方式

光电转换

高频无线电

信号增益放大

宽频载波

距离

1~100公里

100米无遮挡/每段

100米/每级

2000米(SYV75-5)

网络速率

10Mbps~10000Mbps

100Mbps

100Mbps

270Mbps

经济性

施工难易度

可拓展性

环境要求

网络数据一线通产品,又称宽带载波传输器,是一个新产品,它为高速以太网信号传输设备。可一对一使用,也可一对多点使用。使用它可将网络信号通过两芯线,如双绞线、电话线、同轴线、电源线等电缆进行长距离传输,传输距离可达2000米,最大物理带宽可以达到600Mbps。另外,该产品可支撑电源同缆传输(220V电源需外接电源耦合器),因此可以利用同轴电缆或双绞线等介质进行网络信号的传输。极大的降低了实施难度。

正是由于车间面积过大,数字摄像机信号传输距离相对较远,防干扰因素综合考虑,数字监控加网络数据一线通,是最为理想的解决手段。

 

1530248153885840.jpg 

 

(理论距离,实际应控制在75米左右。)

1530248163688021.jpg 

(无线传输对环境要求太高,排除该方案。)

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(使用一线通产品原理图)

综合上述解决手段,基本上该车间视频监控系统结构搭建完成。

三、 大型厂房车间视频监控抗干扰保图像传输质量的手段

3.1 抗干扰的传输方案选择

以上海特缆电工为例,对抗干扰而言,可供厂区监控所借鉴的有这么几种方案:

要注意视频信号平衡传输。由于外界干扰(包括强电交流地电位差干扰)多为共模信号,平衡传输时,视频信号是经差分的,在传输终端,共模干扰被抑制几十分贝。此外,UTP双绞线的双绞结构即双线平衡且空间上等间隔变换,使空中感应干扰得到抵消,所以具有良好的抗干扰性能。一根含四对双绞线的五类线可传输四路视频信号,其粗细和售价与一根相当直径的视频电缆差不多,性价比高。用在抑制重复接地引起的交流电位差干扰、电梯轿箱等具有很好的抗干扰效果。

或者,通过光缆传输。由于传输介质是光纤和激光,不受电信号干扰,所以抗干扰、抗雷击等电浪涌的性能很好,安全稳定。多应用于工业厂区、城市交通电视监控的远程传输,造价低效果好。

再者,中频、射频传输。此方案就是广播电视传输方案,中频、射频调制是把基带视频信号频段搬移,可避开频率相对较低的干扰频谱,虽然调制后频率提高,单位线损提高,但倍频程下降,频率失真小,可实现高质量远程同轴电缆传输、无线发射、多路图像共缆传输、双向视频传输、数字视频传输、控制信号传输等。这类方案,在视频监控中运用不多。

最后,数字网络传输。是最新的网络数字视频信号传输,其依附局域网或公共信息网,网络点位能到达的地方就可以实现监控,用户在授权的情况下,可以不受地域限制随时按需监控,数字传输的优越性在于其系统只要能辨别“0”和“1”就不会出错,抗干扰阈值很高,且其失真不会因距离的加长或处理环节的增加而积累,由于网络摄像机输出就是数字信号,其抗干扰性能是所有其他传输方案不可比拟的,特缆电工视频监控工程中,使用这个方案,没有出现任何图像干扰。

3.2 抑制监控图像干扰的手段

除了选择合理的方案,规避可控制干扰源之外,抑制图像干扰的方法也很多,需要值得注意的是以下几种情况:

1、选用质量好的传输设备及配件。由于传输线接插头接触不良而引起的故障占很大比例,尤其在沿海潮湿地区受盐雾侵蚀,像南汇风力发电场,此类案例尤其需要重视,因此要选用优质的传输设备及配件,如视频电缆、BNC接头等,并加强防护。应选用品牌的,有质量保证的产品,才能从根本上消除这类问题。

2、安装工艺要规范。(1)所有接头应焊接。不允许压接、绞接,同时要严密可靠地包扎,防止与支架或立杆搭接。注意防水。(2)传输电缆中间不要接头。这是施工单位常犯的错误,贪图方便或偷懒,会造成系统不稳定的隐患之一。(3)走线要套管。尤其是线头线尾套管,如特缆电工项目:所有线头必须套管进过路盒,并且用杯梳束接紧固。它是进水、断线等故障多发点,不可忽略。(4)部分外露线缆,采用金属套管抗干扰。

3、抑制交流地电位差干扰。抑制方法有:(1)一头“浮空”。就是前端不接地。摄像机、解码器及电缆与云台、支架、立杆之间尽可能在电接触上隔离。避免干扰信号经电接触传导,同时使摄像机前端“浮空”,不接地,可避免交流地电位差干扰,干扰源没有通路。(2)视频光耦合电路。收发两端的地线不可相接。(3)视频变压器,市场上有几款摄像机自带“地隔离变压器”,光耦与视频变压器均隔断了地电位差干扰通路,可等效为“浮空”。(4)差分隔离电路,也就是平衡传输。

4、 抑制广播电台干扰。如特缆电工直接采取双绞线平衡传输,用数字网络传输彻底消除此干扰。

5、抑制射频传输时的干扰。射频传输干扰多为系统或设备性能等内部原因引起或无线电波干扰,所以设计、安装、调试、选择无干扰频点等环节都不可忽视,远距离传输需兼顾不同季节不同温度下的系统参数。在特缆电工案例中没有此类问题。

6、合理选择传输方案。在特缆电工项目实施之初,多次进行勘测论证,根据现场环境合理选择传输方案,如工程中临时改变传输方案,必然提高建设造价,延误工期。

四、 结束语

本文仅就上海特缆电工视频监控系统为例,先容了一些在厂区、车间遇到的问题与解决手段。在工业企业监控领域,未来仍有很多挑战需要大家工程技术人员与行业研发人员去克服和解决。相信,随着科技的进步和大家技术人员的努力之下,安防行业,尤其是视频监控行业,必然会有更新的技术和产品,更好的安装技术,更严谨的行业规范,使整个安防视频监控系统不断提高到新的高度。

 

【参考文献】

[1]《安全防范工程程序与要求》GA /T75-94

[2]《安全防范系统通用图形符号》GA/T74-2000     

[3]《安全防范工程技术规范》GB50348-2004

[4]《智能建筑设计标准》GB/T 50314-2006

[5]《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94

[6]《民用建筑电气设计规范》BJ/T 16-92

[7]《电子计算机场地通用规范》GB/T 2887-2000

[8]《上海市公共安全防范工程管理暂行规定》

[9]《安全防范系统验收规则》GA308-2001

[10]《视频安防监控系统技术要求》GA/T 367-2001

[11] lianghaini编著,《监控图像受干扰的产生原因及解决方法》,http://zhishi.maigoo.com/115930.html,2012-11-05

[12] 《本市数字视频安防监控系统基本技术要求 》,上海安防协会http://www.sh-anfang.org/Item/Show.asp?m=1&d=45032012-11-22

 

 

从AI加速芯片看弱电智能行业技术升级换代


201853日,智能芯片企业寒武纪科技在上海举办了产品发布会,正式发布了多个最新一代终端IP产品:采用 7nm工艺的终端芯片Cambricon 1M、首款云端智能芯片 MLU100及搭载了MLU100的云端智能处理计算卡,开启云端战略,构建端-云一体化的AI体系。简短的一条消息,一石激起千层浪,弱电智能行业将迎来颠覆性的技术升级换代。

先简单先容一下AI和加速芯片。人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI,自图灵等人提出以来,伴随计算机技术的发展而发展,目前研究、应用集中在机器学习领域,弱电智能行业中生物识别应用技术正是机器学习中的深度神经网络技术(又称深度学习)。深度神经网络需要高的算力,通常需要几块GPU并行工作才能在适当的时间内完成计算任务。GPU的设计本意是用来辅助CPU处理图像图形数据的,对于机器学习来说,GPU所实行的底层计算指令仍然是通用化一般化的指令,对于人工智能算法的实行,并没有做针对性的优化。随着潜在应用规模逐渐显现,针对机器学习的专用芯片就应运而生了。

寒武纪研发了自定义的指令集Cambricon,是专门为深度学习乃至机器学习重新设计的一套全新的架构,而并非用传统的CPU向量扩展、GPU架构或脉动阵列机架构旧瓶装新酒,去处理深度学习应用。与这类架构相比,寒武纪处理器的运算效率更高,性能功耗比更高,在智能领域的通用性更好。

MLU100采用寒武纪最新的MLUv01架构和TSMC16nm的先进工艺,可工作在平衡模式(1GHz主频)和高性能模式(1.3GHz主频)下,平衡模式下的等效理论峰值速度达每秒128万亿次定点运算,高性能模式下的等效理论峰值速度更可达每秒166.4万亿次定点运算,但典型板级功耗仅为80,峰值功耗不超过110瓦。MLU100云端芯片可支撑各类深度学习和经典机器学习算法,充分满足视觉、语音、自然语言处理、经典数据挖掘等领域复杂场景下(如大数据量、多任务、多模态、低延时、高通量)的云端智能处理需求。

寒武纪1M,全球首个采用台积电7nm工艺制造,能耗比达到5Tops/W,即每瓦特5万亿次运算,并提供2Tops4Tops8Tops三种规模的处理器核,满足不同场景、不同量级的AI处理需求,并支撑多核互联。寒武纪1M处理器延续了前两代IP产品寒武纪1H/1A卓越的完备性,单个处理器核即可支撑CNNRNNSOM等多样化的深度学习模型,更进一步支撑SVMk-NNk-Means、决策树等经典机器学习算法,支撑本地训练,为视觉、语音、自然语言处理以及各类经典的机器学习任务提供灵活高效的计算平台,可广泛应用于智能手机、智能音箱、智能摄像头、智能驾驶等领域。

科大讯飞在发布会上披露的测试结果表明,寒武纪的智能处理器在语音智能处理上,能耗效率领先竞争对手的云端GPU方案达5倍以上。据称,其专为神经网络任务优化的架构可以使其达到传统四核 CPU25 倍以上的性能。由于计算能力显著提高,利于计算向数据移动。这将从关键点上打破传统范式:先把收据收集到存储服务器里,需要时再处理查询。在配有AI加速芯片的前端传感器,拥有一定程度的信息处理能力,传感器的角色就从当前的数据采集,上升为数据采集和简单处理,处理复杂度较高时,传感器再上传数据。以下尝试列举几例,说明可能发生的变革。初步粗糙的想法,有很大的斟酌余地和提升空间。

居家防区报警主机是智能家居的核心设备,连接多种传感器:被动红外探测器、红外幕帘传感器、烟雾传感器、门窗磁传感器、手动报警按钮等。由于各传感器输出开关量信号,报警主机对居室内的态势感知获取的信息非常有限。当处理芯片升级为AI加速芯片之后,从红外传感器、烟雾传感器采集连续信号获取更多的信息,从而更智能地服务家居。目前的防区报警主机,操作起来极为不方便,找人厌烦最后大家都弃之不用。有了人工智能芯片之后,可以自行判断态势完成布防和撤防工作,发生小概率错误时,接收人类语言指令提示改正。

楼宇控制系统控制楼宇里的水电风,在保障正常使用和节省开支避免浪费之间如何取得最优化解决方案,一直困扰现场工程师们。借助水压、光通量、水流量、空气质量等多种传感器,人工智能算法可以结合实时环境因素自动优化参数,保持系统工作在最优状态。

门禁考勤系统已经用上了深度学习支撑的人脸识别、指纹识别、声纹识别。当前端扫描到光学图像或者声学数据之后,数据被传向服务器,由服务器集中处理,做出识别之后,向前端传回结果。当大量的前端信息集中在短时内传向服务器,系统延迟问题就会出现。将计算向数据移动,AI加速芯片安装在前端图像采集器后,在前端即可处理本地数据。只有当本地没有相应数据时,服务器才处理。服务器负担缓解,整个系统反应延迟就小。

视频监控是弱电智能行业的重头戏,公共安全方面,例如在广场、车站、街道、商场等应用场景,传统方法依靠监控人员值守在电子屏幕墙前,遇到异常情况通知外勤的保安人员。人类注意力集中的持续时间是有限的,监控人员能值守的图像数量也是有限的。对于追逃这样的任务几乎不可能完成,对于突发性的局部事件,也不可能实时捕捉到。这类任务最好由计算机自动完成。随着深度学习技术的发展,科学家已经开始研究图像内容语义理解问题,通过分析图像识别盗窃、打架等异常行为,在人多、光照变化大、有局部遮挡等复杂光学成像环境条件下,跟踪识别特定对象。从发表的论文看,这方面的研究局限在挖掘单点计算算法潜力上。实际上由于算力的提高和寒武纪芯片提供的云与端协同计算的计算模式,可以利用多镜头之间的关联关系,组成一个集群计算系统,从事件的发展时空轨迹提取信息,有助于机器对图像内容的理解,有望突破单点计算的极限能力。

目前巡更系统的使用方式,其实脱离了原来的设计目的。在需要夜间定期安全检查的使用单位,希翼安保人员能克服睡意走出岗亭巡查。但值夜班熬瞌睡还能尽职尽责拿着巡更棒四处查看的人少之又少巡更基本上走过场,巡更系统变成了摆设。使用机器人巡更,可免除保安人员半夜定时巡更之苦。普通机器人已经进入商用,巡更机器人具有多种传感器感知外界情况:可见光成像、红外成像、超声测距、温度、湿度,也可能安装其他特殊用途的传感器:电磁、煤气等,还要能防止人为攻击。机器人能融合多种信息源,做出模拟人的判读和决策,找出躲藏在暗处的小偷,看到忘记关闭的门窗,有泄露的化学容器。得到AI加速片的加持,巡更机器人可以出色完成任务。

旋翼无人机巡逻将是弱电智能行业新的成员。基于像素级语义理解图像内容算法可以处理无人机上携带的摄像机拍摄的图像,从而实现自动调整飞行高度和躲避障碍。无人机巡航航路自动规划技术大量使用人工智能技术,求得最优解,从而飞行最短、视频覆盖面最大。

未来技术演变也许更丰富更贴近实际应用,以AI加速芯片的核心的产业生态已经逐步形成。寒武纪的合作伙伴联想企业在发布会上宣布了国内首款搭载寒武纪MLU100智能处理卡的服务器平台Thinksystem SR650,打破了37项服务器基准测试的世界记录。中科曙光发布了全球首款基于寒武纪MLU的云端服务器PHANERON系列,以及人工智能管理平台SothisAI,可以与寒武纪芯片及其开发环境实现无缝对接、深度融合。科大讯飞则披露了与寒武纪芯片的深度合作研发项目,尤其是披露根据最新的测试结果,寒武纪智能处理器在语音智能处理上,能耗比领先竞争对手的云端GPU方案超过5倍,可使语音本地识别准确率相对传统处理器加速9.8%。alibaba达摩院正研发一款神经网络芯片Ali-NPU,该芯片将运用于图像视频分析、机器学习等AI推理计算。其他创业企业有:耐能、地平线机器人、深鉴科技、西井科技、云之声、云天励飞等都是有实力产品研发企业,不久的将来可以看到他们的人工智能嵌入式芯片进入市场应用。

以上仅就AI加速芯片对弱电智能行业的影响做了简单初级的展望,随着新的技术突破和应用范式革新,技术演变过程将会更加贴近实用、更加智能完善。

 

 

 

 

 

 



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