高空瞭望智能系统

高空瞭望智能系统
可
行
性
方
案
设
计
第一章概述
1.1前言
消防作为现代城市安全系统的一个组成部分，随着现代城市的迅速发展已越来越显示其重要性。

“防患于未然”是消防的一个重要原则，只有将星星之火消灭于萌芽之中避免其形成燎原之势，才能防止国家、社会、家庭的重大财产损失和人员的伤亡。

目前的城市消防工作主要还是采用传统人工方式的“报警、接警、处警”的方式来进行。

然而，随着城市规模日益发展扩大，城市环境越来越复杂，特别是超高层建筑等不断出现，传统方式消防手段逐渐难以适应日益复杂的城市环境并及时做到及早发现、及早灭火的需求。

所以消防建设必需突破常规模式，利用多样化的信息采集平台，为科学有效的指导灭火救援任务圆满完成提供了信息保障。

消防高空瞭望技术作为一项古老理念的全新技术被提出并加以应用，在实际的运用中取得了较好的效果，对初起的火灾报警确认以及监控识别判断火灾起到了积极的作用。

随着监控技术的不断发展进步，消防高空瞭望技术也不断地被述以新的功能要求，它通过较少的投入，构筑了城市消防安全的千里眼，弥补了传统的消防报警、消防监控的不足，在我国高速发展的城市化进程中将发挥越来越重要的作用。

1.2应用前景
消防高空瞭望不同于普通的图像监控，它着力于在较高的位置实现大范围的图像精确监控，是一种既兼顾大场面广角观察，又实现具体目标精确监控的综合监控手段。

高空瞭望技术可以弥补普通监控手段无法避免的环境物体阻挡、视野范围较小、天气气象条件恶劣能见度低的缺点，从而实现全天候多角度无阻挡大范围精确化的监控。

同时结合智能图像分析识别技术，可实现智能化火情预警、定位及远程调度指挥的作用。

高空瞭望用途很多，主要包括城市消防监控、城市重点目标监控、城市治安监控、核心枢纽监控、城市环保监控、防空安全监控、交通疏导监控、自然灾害应急监控等等。

如下图：
第二章需求分析
项目的建设单位为xxxxxxx，项目目标是通过建设消防高空瞭望智能视频监控系统能够起到对城区全天候实时观测火情、智能识别预警并定位、辅助决策或指挥调度以确保火灾救援的及时性。

该套监控系统可实现监控最大在10KM半径距离内全天候的消防监测，白天采用高清CCD透雾摄像机搭配大倍数变焦镜头、夜间采用红外热成像实现夜视及烟火探测预警，应用多窗口自稳定伺服转台系统作为旋转平台，防护具有气密、防腐蚀、抗强风等军工“三防”标准特点。

设备安装位置及视角示意图如下：
2.1要点分析
系统实现要点如下：
消防高空瞭望系统的实施有一定的难度，特别是其核心部分的云台摄像机系统的稳定性、望远能力、精确控制能力、
夜视能力、大气穿透能力、自我保护能力是影响高空了望系统成功实施的重要因素，而周边配套设施的组合，特别是后端控制软件的实施也是影响其建设的重要因素。

由于消防高空瞭望系统都是设置在几百米的高空，风速较大，基础自身的晃动也要考虑，因此云台的抗风能力以及自身的运行间隙控制是影响图像稳定的一个关键;云台摄像机锁定目标的监控范围从几公里到十几公里，如何配置摄像机、镜头、云台，使远处的图像尽收眼底也是系统配置的一个难点;消防高空瞭望所覆盖的范围较大，依靠白天监控摄像机是根本达不到这么远的夜视能力及效果，因此为了保证系统的24小时连续工作，夜间采用热成像实现远距离大面积的夜视监控;由于天气因素影响，城区在有雾的情况下，前端摄像设备要具备一定的雾气穿透能力，尽可能的提升恶劣天气监控距离；另外，架设于高空的云台摄像机如何精确控制、自我清洁、防锈防雷、除霜抗冻也是消防高空瞭望系统中的一大难点。

2.2应对策略
以上消防高空瞭望技术实现过程中的难点问题，随着科技的发展进步，已经被一一化解，不再成为难题。

本系统利用高新科技，包括水平转角、垂直转角、雨刷动作、回转速度、镜头光圈、变焦距离、对焦距离、快门速度、白平衡方式、增益强度、监控位置坐标定位等对消防高空瞭望云台、
镜头进行双向的精确控制和管理，这使得消防高空瞭望技术从“居高临下”的全局监控，到“关注细微”的定点监控可以随意转换，真正使消防高空瞭望技术从理论转变为现实。

第三章系统设计
3.1设计原则
本项目方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。

并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。

本系统设计内容是系统的、完整的、全面的；设计方案具有科学性、合理性、可操作性。

其具有以下原则：
3.1.1先进性与适用性
系统的技术性能和质量指标应达到国际领先水平；同时，系统的安装调试、软件编程和操作使用又应简便易行，容易掌握，适合中国国情和本项目的特点。

该系统集国际上众多先进技术于一身，体现了当前计算机控制技术与计算机网络技术的最新发展水平，适应时代发展的要求。

同时系统是面向各种管理层次使用的系统，其功能的配置以能给用户提供舒适、安全、方便、快捷为准则，其操作简便易学。

3.1.2经济性与实用性
充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据用户现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现最佳的性能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。

3.1.3可靠性与安全性
系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能，同时系统具有一套完整的系统管理策略，可以保证系统的运行安全。

3.1.4开放性
以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，可与治安、防盗报警系统实现联动，具有RJ-45网络通讯口，可实现远程控制。

3.1.5可扩充性
系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。

并根据今后该项目工程的实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。

追求最优化的系统设备配置
在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。

保留足够的扩展容量
该项目设备的控制容量上保留一定的余地，以便在系统中改造新的控制点；系统中还保留与其他计算机或自动化系
统连接的接口；也尽量考虑未来科学的发展和新技术的应用。

提高监管力度与综合管理水平
本项目系统设备控制需要高效率、准确及可靠。

本系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合监控，时时动态撑握监视及报警情况。

闭路电视监控大大减少劳动强度，减少设备运行维护人员；另外，系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，在最佳情况下运行，既可节能，又可大大减少设备损耗，减少设备维修费用，从而提高监管力度与综合管理水平。

3.2设计依据
《民用闭路监视电视系统工程技术规范》(GB/50198-94)
《系统接地的型式及安全技术要求》（GB14050-93）
《安全防范工程程序与要求》（GA/T75-94）
《安全防范工程验收规则》（GA/T308-2001）
《工业电视系统工程设计规范》(GBJ 115)
《安全检查防范系统通作图形符号》（GA/74-94）
安全防范工程费用概预算编制办法（GA/T70-1994）
视频安防监控系统技术要求（GA/T367-2001）
《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94
《有线电视系统工程技术规范》GB 50200—94
《雷电电磁脉冲的防护》IEC61312
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004
《通信局（站）接地设计暂行技术规定》YDJ 26-89
《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB 50169-92
《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》XQ3-2000
《电子计算机机房设计规范》（GB50174—93）
《计算站场地安全要求》（GB9361—88）
《低压配电设计规范》（GB 59954-95）
《供配电系统设计规范》（GB 50052-95）
3.3系统组成
消防高空瞭望智能视频监控系统由前端视频采集设备、光缆专线传输系统、后端监控软件平台系统（实时监控视频转发、智能图像识别预警、城市GIS联动系统等）。

前端视频采集设备主要包括高清百万像素摄像机、长焦距变焦镜头、红外热成像仪、高精度自稳定云台支撑旋转系统，前端控制柜、防雷、接地等。

因为消防监控系统实时性、图像质量要求较高，所以传输系统采用政府光缆专线方式，搭配数字光端机，直接将前端模拟无失真视频传输至后端监控中心分配，可做到零延时、高分辨率等特点。

监控中心软件平台系统作为整个高空瞭望监控系统的
指挥中枢，主要担负几个主要的功能：网络集中视频管理平台，负责将采集回来的视频数字化，并在消防专网内转发、实时录像存储、用户权限管理、设备管理等；智能图像识别预警平台，采集模拟视频流进行数字化处理，采用特有的分析算法，实时检测当前监控场景的烟火隐患，当发现有火情则作出预警响应，通知相关人员采用进一步措施及时处警；城市GIS联动平台，将城市的地理数据进行数字化，形成数字化二维、三维电子地图系统，综合各方面如前端采集设备方位俯仰角、镜头焦距、GPS数据、城市实际地理数据、接警信息等，通过专业的计算、换算，将实际的火情点与地图位置进行对应，或将地图上标定的报警点联动相对应的视频图像，方便指挥中心人员的远程指挥和调度。

3.4系统原理
系统原理图如下：
第四章系统功能
4.1系统作用
4.1.1巡检预警
消防高空瞭望系统，最主要的作用就是监控城市消防安全情况，第一时间发现并处置火灾。

通过消防高空瞭望系统
的巡航功能，定时不间断地对城市全方位地进行监控扫描，值班人员可以根据图像画面上的异样情况，及时定点跟踪确认，第一时间进行力量调度，并对火灾实时发展变化的情况进行汇报，视情合理调派后继消防力量。

这一点特别是在报警人员较少或者报警人发现失火情况较晚时，表现的作用比较突出。

4.1.2警情核实
利用消防高空瞭望系统，可以准确地对城市火灾报警情况进行核实。

特别是面对当前高达70%以上的虚警、假警报警现实，可以一定程度上解决基层消防中队无谓出动较多的情况，不仅便于部队日常工作、训练的开展，而且使所有指战员树立“有警必有灾”的观念，对待火灾出警高度认真、毫无杂念，对迅速出动、快速灭火有很积极的作用。

4.1.3救援指挥
消防高空瞭望系统“登高望远”的作用，也可以在一定程度上监控出动中队出行道路的情况。

在现阶段经济高速发展，人均车辆拥有数量大幅提升，道路交通拥挤现象曾出，消防中队车辆出动过程中遇到交通拥挤现象，将延误灭火时机，很可能造成“小火变大火”、“小灾成大难”的危险局面。

有道路交通监控和消防高空瞭望系统的指引，出动消防中队可以根据道路情况，选择最佳的行车路线，快速到达火灾现场。

4.1.4协作配合
消防高空瞭望系统在监控城市消防安全的同时，可以协助公安、环保等部门，对危害社会安全、城市环保的现象及时发现，并向相关部门通报解决。

4.2综合调度
消防高空瞭望系统在独立使用，发挥重要作用的同时，也可以与现有的各类消防信息化系统结合使用，发挥更大的作用。

4.2.1交通指挥联动
通过与消防中队视频监控系统、道路监控系统、全球眼、现场消防无线图像传输等系统结合使用，可以从接处警时刻起，全程监控从消防中队出警、行车途中、到场处置、现场具体情况等全方位的火灾处置流程。

对及时调派增援力量、请求相关警种和部门协同作战方面，以及客观评价火灾扑救情况，科学进行灾后消防战评等一系列工作有着积极而且重要的作用。

4.2.2G IS精确定位
通过与消防GIS(地理信息系统)结合使用，实现“所选即所见”的城市消防监控功能。

即在消防报警定位的基础上，通过已经建立的消防GIS的数字化地标，消防高空瞭望镜头第一时间自动转动到报警位置，对报警方位进行监控。

也可以
通过点击消防GIS的某一幢建筑或者某一个点位，消防高空瞭望镜头都能实时的寻找该点位并进行定位，如果有多个消防高空瞭望镜头，就可以通过全方位的视角了解定点位置的情况。

这将对消防指挥中心进行消防力量科学合理调度，以及实现消防指挥中心远程调度指挥奠定基础。

4.3系统拓扑图
4.4系统工作流程
正常工作时，前端采集设备配备长焦距变焦白光摄像、红外热成像全天候巡视城区状况，并将采集到的模拟视频图像通过政府专线光缆传输至消防指挥调度监控中心；监控中心分别配置网络视频监控平台、图像识别预警平台、GIS联动平台等，将采集回来的图像进行视频转发，录像存储，图像识别则实时分析数字视频流，检测当前监控场景有无火情，一旦检测到火情信息，则与GIS系统联动，驱动前端设备定位到火情发生点，并实时在地图上标注地理位置等信息；同样，本系统与火警接警平台可以做无缝集成，当接警平台有报警接入时，系统则自动计算出报警位置在地图上标注，并由GIS系统计算出前端设备方位俯仰角，自动定位到报警发生地，拍摄实时的视频图像以便于了解火险情况，远程指挥调度。

4.4.1消防预警流程图
第五章设备选型
5.1前端设备选型分析
根据用户的要求，我们认为选择的产品应从以下几个角度进行前端设备分析：
5.1.1长焦镜头
由于用户监控环境很大一部分是陆地城区，监视的物体有大有小、监控距离比较远，因此镜头应采用变焦及相对较大的焦距才能满足要求；
5.1.2气象因素
由于城市天气变化无常，雨雾天气会对系统的成像距离和清晰度影响较大，所以摄像机应考虑具备透雾成像能力；同时系统要24小时工作，夜间远距离大面积夜视也是系统不可缺少的功能，采用主动红外照射显然不能满足要求，应该考虑被动远红外成像系统作为夜视成像的首选设备，其具备的穿透雨雾、沙尘、成像不受可见光线影响的特点也成为本系统重要组成部分。

5.1.3高清监控
需要获得高清晰的画面来弥补因照度、空气或雾气引起的画面模糊是需要由两个方面来解决的。

摄像机和镜头均是必要的环节。

因此我们推荐使用的摄像机实现高清晰度的图像还原以及艳丽的色彩，同时使用大倍率变焦镜头来实现清
晰的图像捕获和准确的色彩还原；
5.1.4高精云台
要实现超望远的精确控制就需要有高精度的云台来实现精准的定位。

后端1°的误差会造成几公里外目标的几十或几百米的误差，这会给视频监控，特别是夜间监控造成巨大的麻烦。

因此我们推荐使用定位（精度）≤0.001°的高精度伺服云台。

同时云台的绝对角度定位是简化工作的一大重要步骤，应做到与GIS系统的联动集成；
5.1.5防护保障
实际监控环境应该说是比较恶劣的，因此选择的云台、防护罩应该具有防水、防尘、耐盐的能力，考虑到气候原因，因此云台要具有较强的抗风能力。

5.1.6综合管理
当前高空了望环境尚未建立，但是整个系统和其它环境的整合是必须的，因此我们选择的云台摄像机必须有足够的附件或者解决方案和各类矩阵、DVR或者数字编解码设备进行连接，以获得各种各样丰富的控制和管理手段。

5.2前端云台摄像采集设备
基于以上的重点，我们提出了下列指标，而根据这些技术指标我们就可以逐一分析具体的系统参数，从而为我们的
产品选型提供了一个重要的依据。

5.2.1系统功能
1）昼夜成像功能
可见光成像系统的彩色模式非常适合天气晴朗、能见度良好的状况下的观察监视识别；黑白模式则具有优良的透雾性能和较高的视频分辨率，在雾天的情况下优点非常明显；红外热成像无论昼夜均能轻松发现与环境有温差的物体，对飞机、车辆等物体以及夜间侵入者均能有效发现；
2）具有手动搜索、捕获和自动跟踪目标的功能
该系统操作十分方便。

通过手动操纵单杆可以在不同的转速下对空中目标进行搜索、观察和监视；采用先进的图像处理和识别技术、目标自动跟踪技术，使要求跟踪的目标保持在电视视场中心。

3）具有良好的视轴稳定功能
光电指向器采用球形结构，具有风阻小，抗风能力强的优点；采用陀螺稳定系统能够有效地隔离因强风造成的安装平台摇摆，从而保持光电摄像系统的稳定，得到清晰、稳定的图像，而且保证目标图像始终在电视屏幕上而不丢失。

4）具有雷达引导跟踪功能
通过接入雷达系统的引导信号，实现雷达与光电的联动，充分发挥雷达作用距离远、光电系统成像直观的优点；
5）具有电动变倍、调焦等光学参数调整功能
6）采用三防处理，指向器密封充氮气结构，有利于室外环境长期使用。

5.2.2技术指标及规格
高清百万像素摄像机:
●可见光镜头:
适配指标：可匹配1/2”CCD使用；
红外修正：具备近红外800-1000nm焦点修正能力，确保摄像机透雾成像时的图像清晰不偏焦
高灵敏度热成像仪：
探测器类型：氧化钒焦平面阵列320x240像素
工作波段：7.5-14µm
灵敏度（最小可探测温差）：0.05度
变焦：2倍电子变焦
图像处理：DDE图像细节增强技术
镜头：40-100mm,具有宽、窄双视场，满足搜索与跟踪识别目标的要求
自稳定云台
防护等级：IP67全密封充氮设计，做到防水、防尘，坚固耐用；
工作温度：-10 ～+45摄氏度；
耐风能力：风速20m/s以下正常工作，风速40m/s以下可以工作（手动），风速60m/s以下不受损坏；
水平转速：0.05度/秒～60度/秒；
垂直转速：0.01度/秒～60度/秒；
水平旋转角度：左右各±170度（可调）；
垂直旋转角度：向下60度，向上20度；
耐寒、耐盐、耐雨雪。

●控制技术要求
实时输出水平转角、垂直转角、焦距、视场等参数；
状态输出平均间隔不大于20ms；
控制线路采用RS485/RS422方式，具有抗干扰能力强、传输距离远的优点；
●智能跟踪软件
具备相关跟踪、形心跟踪、边沿跟踪等多种跟踪方式；
目标跟踪，依据特征提取进行目标快速配准；
云台控制，根据目标位移和目标大小进行云台控制以及镜头伸缩控制。

对于指定飞行目标，从起飞到脱离视线的期间能够实时进行自动跟踪；
保证目标在成像中心区域附近；
处理速率为25帧/秒。

●防雷设备
以上前端设备均需提供以下的防雷支持：
视频信号避雷
主要功能：视频同轴线路过压、限流保护，给室外摄像机作防雷保护
工作电压：24V
插入损耗：<0.5dB
特性阻抗：75Ω
标称放电电流8/20μs KA：10
控制信号避雷
主要功能：RS422/485 信号防雷保护
工作电压：24V
插入损耗：<0.5dB
标称放电电流8/20μs KA：5
电源避雷
工作电压：24V
最大持续运行电压：45V
标称放电电流8/20μs KA：10
最大标称放电电流8/20μs KA：20
限制电压：小于0.25KV
5.2.3设计说明
伺服云台与陀螺稳定系统
伺服云台由壳体、水平回转轴、俯仰轴、执行电机、测速电机、速率陀螺、测角元件、限位机构、密封、轴承及支撑环节等组成，用于承载可见光、红外传感器，并提供与安装基座的安装接口。

在系统驱动下实现水平、俯仰转动，对陆地、空中目标进行观察、识别和跟踪。

伺服云台的设计中充分考虑了工作环境和室外防护要求，由于光电传感器工作环境要求严格，设计中采取电视传
感器信号地、机壳地分离的原则，以提高信号的质量。

伺服云台机壳采用水密设计，可承任意方向的雨淋。

机壳表面采用设备通用的涂覆技术，具有防雨、和耐盐雾腐蚀能力；传感器集中密封安装于随动转台内部，不会遭受灰尘、雨水、盐雾等侵扰。

伺服云台的俯仰包为密封充氮设计，最大程度地保护内部的传感器和光学、电子部件。

俯仰包内部设计有加热器件，当气温过低时，系统启动加热器件对敏感器件局部加热保证敏感器件能够正常启动和工作。

传感器各信号线在随动转台内部布置，不受雨水腐蚀和阳光照射，有效地提高了传感器传输线路的防腐和抗老化性能；传感器各信号线与伺服云台控制线由下部集中引出，位于伺服云台安装面内部，使安装后外部无任何电缆电线，进一步增加了设备的抗老化性能，同时也使设备外观整洁。

云台具有如下特点：转动速度快，精度高，图像平稳不抖动；
转动平稳，速度可调，调速范围宽；
采用陀螺伺服稳定，有效隔离风摇；
具有方位和俯仰测角输出功能，可提供方位回转角度和俯仰角度信息；
三防设计，俯仰包充干氮，适用于各种恶劣气候环境；
球形结构，风阻力矩各向均匀；
外观无电缆，抗干扰，抗老化。

主要技术参数如下：
电视摄像系统
(1) 可见光摄像系统特点
本产品采用的摄像系统具有如下特点：
具有电动变焦机构和电动调焦机构，可以遥控驱动电视传感器光学系统连续变焦；
相对孔径大，成像亮度高，作用距离远；
采用自动光圈调整方式，调光范围满足目标照度从黎明到黄昏变化范围的需要，有利于对动目标的搜索与跟踪；
选用高分辨率光学镜头和高灵敏度CCD器件，以满足系统对不良环境下目标探测的需要；
图像分辨率高、易于识别目标细节；
使用寿命长。

(2) 电视摄像系统技术参数
主要技术参数如下所示：
镜头焦距：12.5mm～775mm连续变焦，采用二倍扩展后，焦距范围可达25mm～1550mm
通光口径：φ105mm
感光器件：高灵敏度1/2寸CCD
靶面规格：1/2″
最低照度：0.001Lux(F1.2)
信噪比：54dB（AGC关）
（3）摄像系统的作用距离。