工业电视系统的数字化研究

工业电视系统的数字化研究

牛童渊

中核霞浦核电有限公司 福建省 宁德市

摘要：核电站设置工业电视系统的主要目的是主控室操纵员通过前端摄像机，对核岛厂房的某些工艺系统和设备以及人员难以接近和不宜接近的部位的工作情况进行监视。目前工业电视系统多采用模拟系统，其经济性、安全性、实时性很好。但随着数字系统技术的进步，以及模拟摄像设备逐步停产的客观情况，数字工业电视系统的应用已是迫在眉睫。本文从模拟和数字工业电视系统的方案对比、技术比较等方面进行分析，论证了采用数字工业电视系统的可行性，为后续核电项目工业电视系统技术方案的选择的提供了一定的参考。

关键字：工业电视系统；模拟；数字化

1. 引言

目前，运行电厂的工业电视系统多采用模拟工业电视系统，技术成熟，运行稳定。数字平台由于图像延时、造价较高、电气贯穿件匹配、线路改动等问题，模拟改数字并没有得到推广。

近年来模拟摄像设备的大规模停产，设备维护易出现设备缺口。工业电视系统的使用目的除火警复核外，对设备进行连续监控，多机组集中管理等，都对系统提出了新的要求。

2. 工业电视系统的功能与组成结构

核电站工业电视系统依托矩阵主机、硬盘录像机等设备，对常规摄像机、云台、照明灯等不同前端设备进行控制管理，实现参与反应堆冷却剂泵\上充泵的火灾探测、参与汽轮机厂房的火灾探测，监视某个系统或特定点位等功能。

系统由前端摄像、传输、后端控制和显示等部分构成。前端设备：耐辐照摄像机、普通摄像机、解码器、照明灯等。

传输设备：各类线缆和传输设备。

后端设备：监视器、视频矩阵主机、硬盘录像机、码分配器等控制设备。

放射性高剂量率区域的耐辐照摄像机都是模拟摄像机，故数字工业电视系统在核岛采用模拟前端设备，它厂房摄像设备、系统平台等采用数字设备。通过在控制室内设置视频编码器，将耐辐照摄像机的模拟图像信号转换为数字信号接入系统。

3.模拟、数字工业电视系统对比

为比较模拟和数字系统的优劣，对两者的系统构成进行对比。

3.1后端系统平台

系统平台设置在长期有人值守的主控室内，功能为接收现场信号并转化为图像信号，进行切换、显示和记录操作。对比见表1：

表1：系统平台对比

3.2视频传输部分

传输部分负责将摄像机采集的图像信号传送至主控室后端处理设备，并将后端设备的控制信号反馈至现场摄像机。视频传输线一般选用同轴电缆和光缆两种，控制信号多采用直接控制的方式。两者对比见下表2：

表2：传输部分对比

3.3前端设备

前端摄像设备功能为采集现场图像，并将图像转换为电信号，同时接受来自主控室后端设备的指令信号，完成对摄像机和云台的控制。放射性区域的耐辐照摄像机不变，其他区域的模拟摄像机改为网络高清摄像机。

3.4功能对比

模拟系统与数字系统的功能，如图像质量、存储能力、接入能力、功能多样性等进行对比，见下表3：

表3：功能对比

综上，数字化系统的劣势在于实时性，经济性、安全性。

3.5数字系统存在的问题及分析

（1）经济性

模拟系统结构太过简单，无论数字系统如何降低造价也很难低于模拟系统。据多方调研，数字系统的设备投资比模拟系统高10%左右。

随着模拟设备逐步停产及定制化，其价格只会越来越高，届时数字系统的经济性就会超过模拟系统。

（2）安全性

数字工业电视系统使用软件方式调看图像，需要进行用户认证，但无法较好防范因操作系统漏洞造成的网络攻击。

现阶段工业电视系统采用了物理隔离的私有网络，结合核电站完备的安防措施，基本排除了网络入侵的可能。从运营经验来看，只要管理方法正确，就可有效避免网络安全问题。

（3）实时性

视频图像数字化传输过程如下：视频信号采集后，传输到编码器，完成数据打包后通过网线传输到交换机进入网络交换，在监控设备上由软件解码看到图像。视频编码前的传输是模拟传输，编码后的传输为光缆传输，其延时可以不计。延时主要发生在视频编码与UDP数据打包、交换机网络数据交换、软件解码中的某一个环节。

光传输、交换、转发等造成的延迟是μS级别的，远达不到0.5~2s，因此延时应归结到图像的编解码上，编码程序和硬件的处理能力决定了图像延时时长。除非设备硬件性能能有大幅度的提升，不然，改善实时性只能从系统网络结构、设备选型等方面进行优化。

此外，工业电视系统更多的作用是对图像的记录及情况复核，并非用于工艺控制，故不会对实时性提出较苛刻的要求。因此实时性的问题在权衡数字系统优势的情况下，是可以接受。

4.需要关注的问题

综上所述，在确定数字系统方案时需要对以下问题进行关注：

（1）随着后端平台的数字化升级，对核岛内耐辐照摄像机的开启、关闭、联动、保护的自动化管理，是必须继承的。

（2）针对数字系统存在延时问题，在具体技术方案选择上，由于图像的模数和数字转换时都会耗费时间和资源，应考虑采用合理先进的视频图像编码技术，提高编码解码效率^[3]；针对网络设备选择，关注交换机的时延、丢包率、带宽、交换容量、包转发率等性能指标，保证网络畅通；解码设备英选用配置性能先进的解码器或客户端主机。

5.结论

综上，工业电视系统的数字化需要充分考虑系统耐辐照摄像机的特殊性，尽可能多的继承原有模拟系统的特征，并发挥数字平台的优势。

数字工业电视系统固然存在一些不足，但从行业的发展、技术的进步以及使用的便利性等方面，其既能满足后续系统扩展的需要，又可满足对火灾的双重智能检测的潜在需要，故可行。

参考文献：

[1] 冯军 易吉良 以太网在油田实时监控系统中的应用研究 北京：微计算机信息，2004年第20卷第8期：7-8

[2] 黄书益 数字图像监控系统的延时问题 北京：中国仪器仪表，2008年第7期：63-74

[3] 汪首鸣 监控系统图像传输延时及优化方案 中小企业管理与科技(下旬刊)，2013(10)：288-289

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