某大学海洋学院珊瑚礁养殖可视化监管系统.docx
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某大学海洋学院珊瑚礁养殖可视化监管系统
某大学海洋学院珊瑚礁养殖
可视化监管系统
解
决
方
案
某科技有限公司
第1章概述
1.1项目背景
珊瑚礁研究实验室是某大学海洋学院重点实验室，实验室信息化建设刻不容；拟建设一套可视化的综合管理系统，借助现代信息技术和网络技术优势，促进实验室各项工作的全面建设和发展。
可视化综合管理系统，通过电脑管理软件或手机APP，现场或远程实时预览高清图像（图像叠加养殖池水温、pH值等信息）掌握珊瑚礁养殖情况，通过录像回放了解珊瑚礁生长规律，且能智能控制灯光、电源等开关。
1.2需求分析
1.2.1业务需求
珊瑚礁养殖池环境监控
珊瑚礁养殖池环境监控主要包括生长环境如温度、pH值的读取和灯光、电源的智能控制。
现阶段我国实验室养殖池尚未完成信息化建设，管理方式仍以人工巡检及人工经验判断为主，可能导致水生生物个体长期活动于“逆境”中，通过各类环境传感器实时感知环境因子（如温度、水体pH值）的变化，可理性评价水生生物群体所处的生活条件。
珊瑚礁养殖池环境监控通过设置各类环境指标的阈值，控制养殖池灯的开关及各个功能排插电源通断，使水产品个体始终处于最佳活动环境中。
珊瑚礁养殖池视频监控
通过高清视频监控可代替人眼进行24小时盯防，记录珊瑚礁养殖池内发生的重要事件，24小时自动进行存储记录，形成一个针对养殖过程的历史信息库，通过回放录像可以清楚看到珊瑚礁生长变化及当时的水温、pH值等。
1.2.2系统需求
根据珊瑚礁养殖实验室建设现状，在原有建设环境基础上，从不同角度来看珊瑚礁养殖可视化监管系统项目面临的实际需求：
1．珊瑚礁养殖池内需通过动环主机接入水温、pH值等环境传感器，实时了解养殖环境状况；
2．环境量与视频画面的叠加显示，可将环境传感信息叠加在视频图像上进行显示，全方位展示生产现状；
3．当环境指标超过阈值时，系统立即发出报警信号通知管理员及时调控，保证珊瑚礁个体始终处在一个舒适的活动环境中；
4．前端配备400万高清网络红外可变焦摄像机，实现对珊瑚礁池全天候7*24小时的实时监控与录像；
5．监控中心能够对所有监控点的情况进行实时监控、录像回放、智能检索等操作；
6．平台系统具备完善的运维管理功能，对数量庞大的视频监控设备进行自动化巡检，当巡检结束后自动生成报表，以便运维部门及时处理。
1.3设计亮点
1.3.1高清技术
系统前端采用400万全高清摄像机，最高分辨率可达2560x1440，能清晰地呈现珊瑚礁生长情况。
1.3.2水温、PH值监控
通过对各个珊瑚礁养殖池温度、pH值传感器的读取可以实时监看珊瑚礁生长池温度、pH值等，并能叠加在各个养殖池对应的监控图像上。
1.3.3灯光、电源控制
通过动环主机可以实现对每路灯光、电源独立定时控制或手动控制。
1.4设计依据
系统建设依据国家相关法律规章、国家和行业相关标准、相关研究成果等资料进行规划设计，具体如下：
Ø《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395-2007
Ø《安全防范工程技术规范》GB50348-2004
Ø《跨区域视频监控联网共享技术规范》DB33/T629-2007
Ø《安全防范系统通用图形符号》GA/T75-2000
Ø《安全防范系统雷电浪涌防护技术要求》GA/T670-2006
Ø《智能建筑设计标准》GB/T50314-2015
Ø《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
Ø《综合布线系统工程设计规范》GB50311-2007
第2章系统设计
2.1总体目标
某大学海洋学院珊瑚礁养殖可视化监管系统，对珊瑚礁养殖实验室实现以可视化为核心的辅助系统综合管理。
系统以现代信息技术为支撑，网络互联互通、信息资源共享、应用功能完备，主要实现以下目标：
1．前端平台能够对珊瑚礁养殖实验室内视频监控、环境监测、安全警卫、智能控制等辅助子系统实现统一接入及联动配置，有效节省管理及运维成本，任何事件都能关联相应视频，做到事件能够被有效查询及追溯；
2．珊瑚礁养殖实验室的前端系统能够向上级监控中心实现互联互通，通过前端系统上传的信息、图像，上级监控中心能够对实验室现场进行远程巡视，使管理部门能够及时掌握珊瑚礁实验室珊瑚礁的生长情况；
3．系统能够对异动事件进行及时预警，从而通知管理员进行有效防范，降低和控制危险事件发生的风险；
4．系统形成前端珊瑚礁养殖池活动环境信息的各类统计报表，供主管部门统筹决策。
2.2总体架构
基于“高内聚、松耦合”设计原则和顶层模块化设计的思想，系统平台采用了SOA架构，平台提供统一的服务管理，各个应用或子系统，以及功能模块的服务端以独立方式提供并注册到平台，具备良好伸缩性和业务扩展能力，以确保系统符合信息技术发展的趋势并适应未来应用动态升级的需要。
在项目建设总体思路、建设内容、系统定位等指导下，将系统划分为五个层次，同时根据技术标准和设备标准进行保障。
2.2.1用户层
为平台各类用户提供具有良好用户体验的终端展现界面，业务数据的自动化录入，并提供多种前端接入方式，主要包括智能手机、拼接大屏、个人电脑等设备。
2.2.2应用层
用于支持不同权限管理者和用户的业务应用和智能化、自动化生产，主要包括政府应用平台和企业/个人应用平台，政府应用平台与企业/个人应用平台之间相互服务，数据共享。
2.2.3支撑层
支撑层负责为应用系统的运行提供技术支撑服务，并将这些服务能力依据不同功能划分，以松散耦合的形式组织成各类基础服务。
这些基础服务在SOA的总体架构内互相提供服务和数据，构成了上层应用系统所需要的底层应用支撑。
为上层系统提供数据支持，包括生产环境监测数据库、预警信息数据库、视频图像数据库、门禁管理数据库等。
2.2.4网络层
主要指前端硬件设备上传数据所需传输网络，通过光纤、双绞线等有限传输方式或无线网桥、4G/5G等无线传输方式实现与中心平台的连接。
2.2.5感知层
主要指保障上层系统正常运行的硬件设备，包括各类环境量传感器、前端监控摄像头及各类报警设施设备等。
2.3系统详细架构
2.3.1系统拓扑图
系统最主要的部分由监控前端、传输网络、监控中心组成，系统拓扑图如下：
2.3.2监控前端部分
前端采集子系统主要包含高清可变焦半球、安保半球、温度传感器、pH值传感器，摄像机采集的视频数据及分析结果数据通过网络传输至后端管理子系统进行存储，利用平台软件进行视频预览与回放，记录环境量变化并进行数据展现。
2.3.3传输网络部分
前端通过网线直接接入交换机（距离90米以内）。
2.3.4监控中心部分
监控中心的设计主要包括视频存储、动环主机、视频显示及实现统一管理的平台软件。
1、监控中心视频存储可采用NVR对高清视频图像进行存储。
2、监控中心采用视频切换器切换各主机显示在监视器上。
走廊55寸4K电视机采用解码器解码实验室监控画面，监控中心或者管理人员通过管理平台调整电视机显示画面。
3、中心平台采用综合安防管理平台对视频监控设备和用户进行统一管理，实现视频的预览、回放、权限控制等应用。
2.4前端布点设计
前端设备依据功能的不同其安装位置也有不同的要求，摄像机主要部署在吊顶上，分别监视实验室现场环境及珊瑚礁生长情况；温度传感器、pH值传感器安装在珊瑚礁养殖池内实时测量温度和pH值。
2.4.1实验室治安监控
根据实际需要，配置普通半球安装在珊瑚礁实验室的三个角落及旁边小实验室，共采用4台200万像素网络半球摄像机。
2.4.2珊瑚礁生长情况监控
新建的2个大池子每个部署2台可变焦半球摄像机，四个并排小池部署2台可变焦半球摄像机，原来的两个小池子部署1台可变焦半球摄像机，里面的半包围池子部署4台可变焦半球摄像机，共采用11台可变焦4K半球摄像机。
2.4.3珊瑚礁养殖池内环境监控
新建的2个大池子、四个并排小池子、原来的两个小池子里各部署1个温度传感器、1个PH值传感器（靠里的几个小池子暂时不部署），共采用8个温度传感器、8个PH值传感器。
2.5存储设计
本存储方案采用1台NVR存储4路外部环境录像，2台动环主机存储11路珊瑚礁生长环境录像。
在计算存储空间时需先计算出所有路数存储一定的时间所需的存储总空间，用总路数乘以每路码流大小，再乘以总的存储时间即可算出总的存储空间，在计算过程中保持单位的一致性。
存储空间计算公式：
单路实时视频的存储容量（GB）＝【视频码流大小（Mb）×60秒×60分×24小时×存储天数/8】/1024
下表为分别按照1路每天存储24小时、采用H.264算法进行编码，按照D1、720P、1080P、4K的分辨率存储不同天数所需的存储空间表，如下表。
（H.265编码设备的码率为H.264设备的1/2，故存储空间也仅需1/2）
序号
分辨率
码流大小
1天存储空间（TB）
7天存储空间（TB）
15天存储空间（TB）
30天存储空间（TB）
1
D1
1.5Mbps
0.0154
0.1081
0.2317
0.4635
2
720P
2Mbps
0.0206
0.1442
0.3090
0.6180
3
1080P
4Mbps
0.0412
0.2884
0.6180
1.2360
4
4K
8Mbps
0.0824
0.5768
1.2360
2.4720
4路外部环境录像采用H.265算法进行编码，存储分辨率为1080P，预计一个月需要4*0.618≈2.5T,采用1块6T的硬盘可以保存60天左右。
2台动环主机其中一台存储5路采用H.265算法进行编码，存储分辨率为4K，预计一个月需要5*2.472/2≈6T,采用2块6T的硬盘可以保存60天左右;另外一台动环主机存储6路采用H.265算法进行编码，存储分辨率为4K，预计一个月需要6*2.472/2≈7.5T,采用2块6T的硬盘可以保存50天左右；两台动环主机如果采用1080P的分辨率存储，保存时间可以达到4K的两倍。
2.6综合管理平台设计
系统采用的综合管理平台是一套“集成化”、“数字化”、“智能化”的平台，可包含视频、报警、门禁、访客、巡查、考勤、停车场、可视对讲、动环等多个子系统。
在一个平台下即可实现多子系统的统一管理与互联互动，真正做到“一体化”的管理，提高用户的易用性和管理效率综合安防管理平台是基于SOA系统架构的集成多系统的联网平台，采用先进的软硬件开发技术，满足系统集中管理、多级联网、信息共享、互联互通、多业务融合等需求，广泛应用于综合安防领域，满足领域内弱电综合管理的迫切需求。
2.6.1平台架构图
综合管理平台从系统架构上分为设备接入层、数据交互层、基础应用层、业务实现层、业务表现层。
具体架构图如下：
2.6.2平台组成
1、设备接入层
第一层为设备接入层，设备接入层包含各系统设备资源，如视频设备、门禁设备、动环监控、磁盘阵列等基础设施，为系统应用提供可靠、有效、稳定的数据来源。
2、数据交互层
第二层为数据交互层，数据交互层包含关系数据库、安全数据交互中间件等组成的综合信息资源库。
对操作系统、数据库、安全加密、多媒体协议进行封装，屏蔽差异，实现上层应用的平台无关性，提高运行效率和系统兼容性。
3、基础应用层
第三层为基础应用层，基础应用层负责在软件框架之上提供各个子系统的管理。
基于基础应用层的平台开发设计，能满足用户实际操作应用需求，并丰富安防综合应用功能，实现了各子系统间的统一管理。
4、业务实现层
第四层为业务实现层，业务实现层负责提供在统一的综合安防应用软件框架之上的各类应用，实现了各子系统间的业务集成及联动。
5、业务表现层
第五层为业务表现层，通过WebService接口使用平台提供的各种服务，将具体的业务展现给最终的用户。
平台支持C/S客户端、B/S客户端、大屏客户端、手机客户端以及平板电脑等客户端，最大化满足用户的体验效果。
平台满足多部门对视频数据、信息数据的共享需求，可根据各使用部门不同的应用需求，采用自定义针对性的用户界面，通过授权的情况下，各部门可实现所有子系统资源及信息数据的共享。
2.6.3平台管理功能
设备管理
组织机构的管理，包括组织机构的添加，删除，修改，为本组织的通道分组，根据本组织的所有通道的不同监控职能，进行分组管理。
在对设备进行管理中，为用户提供组织树排序、设备关键字搜索和监控点信息导出功能。
在用户需要快速找到某个设备或查看设备列表的场景下，可根据某个特征将设备组织树进行排序，通过排序后的组织树来查找或查看某个设备。
用户若知道某个设备的部分信息，如设备编号、名字或IP，可通过设备关键字搜索功能快速查找设备；在大型项目中监控点数较多、不便于实时展开查看，系统可提供监控点导出功能，方便用户查看监控点信息。
在设备因各种原因失去连接时，为满足用户对各种设备的使用可靠性，平台提供设备重连的功能需要，支持用户自定义设备的重连次数和重连事件间隔定义，避免设备失去连接或反复重连。
资源管理
为保证所添加的服务器已经正确安装，可以在看门狗程序中查看服务器的运行状态，以确保设备的正常运行。
用户权限管理
1、用户管理
管理系统所有用户的添加删除，权限分配等操作，具体分为用户、部门、角色管理。
可详细登记用户信息：
用户名、所属机构、用户级别、联系电话、手机、mail等。
为提升用户体验性，支持批量导入用户。
支持A/D域功能，通过鉴权，方便用户无需逐一注册即可登录系统。
2、权限管理
用户权限配置分为三部分：
用户、部门、角色，不同用户可以设置所属部门和隶属角色，相关操作时根据优先级提供优先级高的用户优先使用权利，用户权限可以进行授权、转移和取消；对用户所建立的用户组织，支持用户的禁用和解禁功能，丰富用户权限控制的功能。
报警接收与联动管理
报警管理分为设备掉线报警、服务器异常报警、监控点报警。
监控点报警为监控点的视频类报警，包括移动侦测，视频丢失，遮挡报警等。
录像配置与管理
录像管理，用来管理录像的存储，包括对前端设备的录像计划配置，集中存储的录像计划配置，并支持多种录像类型并存应用，支持自动获取设备录像计划。
在原有基础功能上，新增报警录像的预录和延录功能，其中预录时长取决于前端缓存时间，用户可自定义配置预录时间和延录时间，让用户能查看报警事件的前后录像，清楚了解事件发生的前因后果；同时，CVR支持N+1模式，大大提升系统录像的稳定性。
在系统录像计划配置主界面，能够显示各个中心存储服务器关联监控点的数量，以及各个监控点中心存储位置、码流类型、磁盘分组等信息，能让用户实时掌存储信息，并根据实际存储情况来合理分配监控点存储位置。
系统支持对备份图片按照时间和监控点查询，并以缩略图展示。
客户端管理
用户可在平台登录界面下载中心直接下载“客户端”。
在客户端首页直接显示预览画面，便于用户打开客户端后直接看到预览画面，系统更直观、更贴近用户使用场景。
为了提升用户对系统的操作体验，提升用户使用满意度，系统支持自定义键盘快捷键进行抓图功能，支持PC键盘进行云台控制，满足用户对抓图和云台控制的快捷操作需求。
满足用户对客户端的控制需求，对客户端的控制也进行适当优化，如支持客户端性能计划的配置；在CS客户端，可支持用户CS客户端增量获取资源，支持预览窗口跳转回放画面功能。
授权管理
为满足用户对授权管理的多样化需求，管理平台提供多种授权管理方式，包括加密狗、软授权和临时授权方式，且三种授权方式优先次序依次为加密狗、软授权和临时授权。
软授权包括在线和离线两种方式。
管理平台采用license写入加密狗的授权方式，在安装完平台后，只需插入加密狗即可完成授权；后继用户若需要平台扩容，再导入扩容license即可。
软授权通过软件license形式，方便软件销售传递，减少反激活导致的操作困难，提升用户对系统的感知。
软授权采用当前业内最优方式，可充分保证系统的便捷性和安全性。
数据库备份与恢复
管理平台支持数据库的备份和恢复。
备份平台数据后，备份文件保存在安装平台的系统盘中，也可通过修改平台的配置文件，自定义备份文件的保存路径；当系统损坏导致数据丢失时，可方便快捷地完成数据的恢复。
系统安全
为保证购买用户的非授权访问，提高软件使用的安全性，系统支持用户和mac地址的绑定功能。
系统运维管理
综合管理平台运维服务对系统内的设备运行状况进行监视和管理，并能以各种图表的形式进行实时显示，主要提供资源清单管理、远程维护管理、性能管理、故障管理、日志管理，对各种维护数据可以进行查询、统计，并生成相关报表。
2.7系统特点
2.7.1环境感知技术
通过动环监控报警主机对前端环境监测传感器的接入，在线采集珊瑚礁养殖池内环境指标数据（水温、水体PH等），还可通过OSD叠加显示到视频画面中，让管理者对养殖池内的环境变化了如指掌，同时也是对外展示的首选呈现方式。
2.7.2生长过程可视化
通过布置在珊瑚礁养殖实验室内的网络摄像机、动力环境主机（接环境传感器）等监控设备对珊瑚礁生产情况和进出实验室人员活动进行跟踪拍摄并记录存储。
2.7.3视频质量诊断
视频质量诊断系统能够对前端设备的图像质量进行远程智能分析，支持新建多个周期性任务，分析诊断摄像机画质、设备运行状态，保障视频监控系统运行稳定。
系统能够识别至少十多种常见摄像机故障，检测内容包括：
信号丢失、图像模糊、噪声干扰、黑白图像、图像偏色、图像剧变、场景变更、画面冻结、视频抖动、视频遮挡、对比度异常、登录异常、亮度异常、条纹干扰、云台失控、取流异常等。
2.8系统功能
2.8.1实时预览
珊瑚礁养殖实验室内安装高清监控系统，可实现全方位监控和24小时不间断的监视工作。
管理人员可以在监控中心、办公室或家中有互联网的地方观察珊瑚礁生长情况，甚至可以将该视频直接公布在网络上。
2.8.2温度、PH值监控
本方案的设计不仅仅是视频的监控，它还能够监控现场的环境量，能够通过传感器，将现场的温度、PH值等水质监测等数据传回监控中心，让管理人员在监控中心就能感知到现场的温湿度、PH值等传回中心的数据，同时各种数据可以和视频进行叠加，既可以看到监控区域又可以感知监控区域的环境情况。
2.8.3环境波动预警
大幅度的环境条件变化会直接影响到珊瑚礁的活动，甚至威胁其生存，对于超出设定阈值的环境变化，系统会自动触发警报并以通知形式告知管理人员，且每次报警都能进行存档记录，为后期管理和决策分析提供参考依据。
环境波动预警功能包括预警标准值设定、预警区域管理、预警时间及预警方式选择等。
2.8.4行为分析
监控区域可以设定时间禁止人员闯入，如果有人员闯入，应该视为紧急事件，通过行为分析，本系统能够触发报警。
2.8.5移动客户端监控
本系统可以安装移动客户端，移动客户端目前支持的系统有iOS、Android等系统，管理人员可以在其移动设备上安装客户端，通过3G/4G网络查看现场实时视频画面。
2.8.6视频质量诊断
采用轮巡方式检测设备工作异常，如清晰度异常（图像模糊）、亮度异常（过亮、过暗）、偏色、噪声干扰（雪花、条状、滚屏）、画面冻结、信号丢失、云台失控等，及时系统的故障并报警通知，提高视频监控系统有效性。
2.9类似案例
烟台清泉海洋牧场试点项目，采用深水型水下摄像机监控海底生物活动情况，摄像机通过海底电缆连接风光互补设备供电，视频数据通过海底线缆传输至水上平台，再由3KM无线网桥传至岸边运营商网络，通过水下长期监控可尽早发现水生生物异常状态，及时规避风险灾害。
实际应用中还可通过动环主机接入前端各种环境传感器，实时感知水体指标参数的变化，达到监测预警目的。
烟台清泉海洋牧场试点项目
第3章设备选型
3.1变焦半球摄像机
Ø功能特性：
⏹支持最大2560×1440@30fps高清画面输出
⏹支持H.265高效压缩算法，可较大节省存储空间
⏹支持2倍光学变倍，16倍数字变倍
⏹采用高效红外阵列，低功耗，照射距离达30m
⏹支持区域入侵侦测、越界侦测、移动侦测等智能侦测功能
⏹支持断网续传功能保证录像不丢失，配合SmartNVR实现事件录像的二次智能检索、分析和浓缩播放
⏹支持宽动态、3D数字降噪、强光抑制、电子防抖、SmartIR等功能
⏹支持镜像、一键恢复功能
⏹支持350°水平旋转，垂直方向0°-90°
⏹支持300个预置位，8条巡航扫描
⏹支持运动功能一键开启或关闭
⏹支持3D定位功能，可通过鼠标框选目标以实现目标的快速定位与捕捉
⏹支持定时抓图与事件抓图功能
⏹支持定时任务、一键守望、一键巡航功能
⏹支持POE（802.3af）供电
⏹内置麦克风，同时支持1路音频输入和1路音频输出
⏹内置speaker（内置功放），可无须外接音频设备实现双向语音对讲
⏹内置1路报警输入和1路报警输出，支持报警联动功能
⏹支持Wi-Fi功能，可支持WPS一键配置
⏹支持最大128G的MicroSD/SDHC/SDXC卡存储
⏹支持E家协议和萤石云服务
3.2普通半球型摄像机
Ø功能特性：
⏹最小照度0.01Lux@（F1.2,AGCON）,0LuxwithIR；
⏹0.028Lux@（F2.0,AGCON）,0LuxwithIR；快门1/3秒至1/100,000秒；
⏹镜头4mm,水平视场角:
79°（2.8mm,6mm,,8mm可选）；
⏹数字降噪3D数字降噪；支持两轴调节：
水平:
0°~355°,垂直:
0°~70°；
⏹宽动态范围数字宽动态；帧率50Hz:
25fps（1920×1080,1280×960,1280×720）；60Hz:
30fps（1920×1080,1280×960,1280×720）；
⏹感兴趣区域ROI支持三码流分别设置1个固定区域；存储功能支持MicroSD/SDHC/SDXC卡（128G）断网本地存储,NAS（NFS,SMB/CIFS均支持）；
⏹智能报警区域入侵侦测,越界侦测,场景变更侦测,人脸侦测,虚焦侦测,音频异常侦测；具有1对音频输入（Linein）/输出接口（插线式）、1对报警输入/输出（三极管：
超过30毫安建议加继电器）接口；
⏹工作温度和湿度-30℃~60℃,湿度小于95%（无凝结）；
⏹电源供应DC12V±25%/PoE（802.3af）；功耗5WMAX（ICR切换瞬间7WMAX）；
⏹红外照射距离10-30米；
⏹防护等级IP67；防暴等级IK08。
3.3综合管理平台
1、平台支持分布式部署，支持50路视频授权管理，支持各子系统分别部署在不同的服务器上。
2、支持本地抓图的查看和管理，图片放大缩小、旋转、镜像处理、亮度编辑、对比度编辑、锐化等操作。
3、支持紧急录像、下载录像的播放和管理，播放时可进行抓图、倍速回放、倍速倒放、单帧播放、音量调节等操作。
4、日志查询功能包括配置日志、控制日志查询等，可以对各业务在统一界面进行查询统计，以报表等的形式展现，支持日志信息以excel格式导出
5、用户可以在控制中心客户端查看CPU、内存使用情况，方便用户查看电脑的状态。
6、支持数据库备份计划管理，可按照天计划、周计划、月计划、间隔计划自定义，并设置备份文件的数量和大小，及保存路径。
7、支持事件日志查询，按子系统、事件类型、查询范围、起止时间进行过滤。
8、支持在CS端
升级会员 