水电站大坝安全视频监控应用场景及设计要点

李 倩，陈 锴

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

随着智能化产业的发展，视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合，包括交通、安防、发电设备运行及智慧城市的建设等[1]。目前的视频监控系统具有多画面监控效果、多样的录制策略、特别的移动侦测功能及灵活的报警联动方式，可通过分析和对比图像数据的变动来确定现场情况。通过分析监控源地点的图像变化，可实现监控系统的一系列联动操作[2]。

视频监控能对大坝安全状况实现快速、高效、在线、实时、远程有效检查，避免传统人工巡检的一些弊端。特别是针对库水位、突发地质灾害、局部掉块、局部隆起、结构裂缝及渗漏点的出现等相关环境量变化或结构缺陷等险情的识别、处理及预警，均具有较强的适用性。

但目前缺少对大坝安全视频监控应用的系统性研究。为了推动大坝安全监测监控感知手段的发展，将视频监控技术高效应用到大坝安全监测领域，对水电站大坝安全视频监控应用场景和设计要点进行研究，十分有意义。

1 国内外研究现状及发展趋势

1.1 大坝安全监控技术现状及发展趋势

大坝安全监控是了解大坝运行状态和安全状况的有效手段，为采取缺陷处理措施提供指导，是一个获取各种环境、水文、结构、安全信息，经过识别、计算、判断等步骤，最终实现大坝安全监测和控制的全过程[3]。

大坝安全监控研究主要内容如下：大坝安全监控仪器和技术方法；获取各种信息资料并进行误差处理和分析，给出综合评判和决策以控制大坝安全运行；大坝安全监控智能系统开发等。

传统的大坝安全监控仪器和技术方法主要靠各类监测仪器和人工巡视检查获取信息，信息类型主要包括：变形、渗流、应力应变和环境量等各类数据信息及巡视检查的相关信息，并对获取的信息资料进行分析。

巡视检查是判断大坝安全的重要手段，但人工巡视检查对检查人员的技术要求高，且某些部位人工难以到达。人工巡视检查要求的频次高，有些时候人工巡视检查或现场测读频次难以满足需要。

为了弥补传统监测仪器的不足，解决上述巡视检查中遇到的问题，可利用视频图像监控大坝运行状态。视频图像作为大坝安全监测的重要辅助手段，可以更好地了解和检查大坝的工作状态和运行情况，主要是对大坝、地基、岸坡的关键部位及监测设施建立图像监视点进行实时监控。

1.2 视频监控技术现状

传统的视频监控系统是指利用摄像机通过传输线路将音频视频信号传送至显示、控制和记录设备上，由前端系统、传输系统、显示系统、控制系统等组成。

前端系统是指视频监控线缆前端连接的设备部分，主要指监控系统的现场设备，包括：摄像机、镜头、护罩、支架、立杆、变压器、电源、云台、解码器、光端机、防雷器、接地体和抗干扰器等。

视频监控系统需通过传输来传递信息，把分散在不同地点的音视频等信息集中起来进行分析和处理。主要传输方式有：同轴电缆传输、光纤传输、网络传输和无线传输。

控制系统主要指设置在监控中心端的设备，包括控制、显示和录像机存储（包括智能分析设备）三个部分。控制部分包括对摄像机监控的音视频和控制信号的控制、切换和传输；显示部分用来显示前端监控摄像机拍摄的图像和采集到的各类数据；录像、存储及智能分析部分用来存储采集到的图像和各类数据，同时进行简单或复杂的智能分析。

2 大坝安全视频监控系统与其他监控系统的关系

视频监控是远程巡视检查的一种技术手段，因此大坝安全视频监控系统是大坝安全监测系统的一部分。对于新建工程，在进行可研设计时，应在安全监测专题中统一考虑大坝安全视频监控系统的规划设计，这样有利于大坝安全视频监控系统与安全监测系统的协调统一。同时在可研阶段宜与工业电视系统、视频安防监控系统进行联合设计，对于现场布置、电缆牵引、电源供电、防雷接地等可统一考虑、共享资源。而对于已建工程，在进行大坝安全视频监控系统设计时，需要对已有的工业电视系统、视频安防监控系统等进行评估，并对大坝安全视频监控系统进行专项设计，统筹考虑工业电视系统、视频安防监控系统中可利用的设备、通信、电源等，有利于节约资源、统一规划。

大坝安全视频监控系统作为大坝安全监测系统的一部分，由大坝安全监测管理人员统一管理、使用。大坝安全视频监控系统的视频、图片等信息也是大坝安全监测信息的一部分。

3 大坝安全视频监控系统的组成

大坝安全视频监控需要对大坝及近坝库区巡视检查的重点部位、重要缺陷等监控对象进行监视。相对于智慧城市、智慧交通等系统来说，监控范围较小，且在实际工程应用时，大部分水电站视频监控系统均采用分布式结构，在监控站进行统一存储、控制。因此，大坝安全视频监控系统分为监控点、监控子站、监控主站三个层级。其中，监控点是前端设备安装或监控的场所；监控子站是设置交换机，作为监控前端设备信号接入和传输节点的场所；监控主站是用于大坝安全视频系统监控管理、操作人员值守，对系统进行管理、控制，对监控信息进行应用、处置的场所。监控点内包括前端设备，监控子站内包括传输设备（交换机），监控主站内有存储设备、控制设备、显示设备及信息管理系统等。具体结构见图1。

图1 大坝安全视频监控系统结构Fig.1 Structure of dam safety video surveillance system

4 大坝安全视频监控对象和项目

根据大坝安全监控的要求和视频监控的特点，将视频监控项目分为三个层级。

4.1 全景监控

即针对较大场景进行监控。通过对水电站建筑物关键监控因素的梳理研究，确定全景监控的内容和对象包括以下四部分：

（1）建设期的大坝基础、坝肩槽、浇筑或填筑面貌，围堰及导流设施，枢纽区边坡及弃渣场；运行期的坝顶，上、下游坝面，左、右岸坝肩。

（2）影响工程安全的泥石流沟、滑坡体等。

（3）大坝管理区范围内的大型漂浮物。

（4）大坝管理区范围内下游河道的过流泄水、人员活动。

4.2 重要部位监控

针对影响大坝安全的重要部位，梳理可利用视频进行监控的部位，并针对混凝土坝、土石坝等不同坝型的结构特点，确定监控部位，主要包括以下六个部分：

（1）混凝土坝的基础廊道、集水井、岸坡连接坝段、不同结构连接部位；

（2）土石坝的坝脚、防浪墙与防渗体的结合部位、穿坝建筑物的下游面、岸坡连接坝段；

（3）泄洪闸门、泄槽、消能设施；

（4）有失稳迹象，且失稳后影响工程正常运行的近坝库岸和工程边坡；

（5）影响工程安全的其他关键部位和薄弱环节；

（6）上下游水尺、量水堰堰上水尺、压力表、数显监测仪器等重要监测设施。

4.3 缺陷监控

即针对不同部位的缺陷，视频可以针对性监控其现状，记录发展态势。目前梳理出可利用视频进行监控，且对大坝安全有重要影响的缺陷主要包括以下五方面：

（1）坝基、坝脚及坝后等部位的涌水点；

（2）坝前水下入渗点、坝面裂缝、冲蚀等；

（3）影响大坝整体安全的裂缝、错动、塌陷等；

（4）对大坝安全影响严重的其他缺陷；

（5）流道上部大梁等易阻水部位。

5 大坝安全视频监控系统设备选型及布设要点

5.1 前端设备

确定大坝安全视频监控的对象和项目后，可根据监控对象的监控要求和所在部位特点进行设备的选型和布设。针对上述三个监控层级，监控的要求可分别总结为：“看得见”“看得清”和“看得懂”。

（1）全景监控的都是大场景，对于大坝安全来说，关心的是这些部位的整体面貌、是否发生滑移等大范围的变化，因此监控的要求为“看得见”。

监控建设期的大坝基础、坝肩槽、浇筑或填筑面貌，围堰及导流设施，枢纽区边坡及弃渣场，运行期的坝顶，上、下游坝面，左、右岸坝肩，需24 h全天候进行监控，且能做到透雾监控，对于清晰度来说，能看得见目标即可。测点布置时，需根据施工现场条件，布置在左右岸高程相对较高、视野较佳处，设备类型可采用超高清全景摄像机，监控目标距离超过2 km时可以采用高空瞭望激光云台。

（2）重要部位监控的场景相对来说范围较小，是某一特定部位，因此监控的要求为“看得清”，即需要看清该部位的状态是否正常。

监控混凝土坝的基础廊道、集水井、岸坡连接坝段、不同结构连接部位时，需要24 h全天候监控，且可清晰抓拍关注范围内的目标物和关键部位状况，因此监控点布置应满足监控场景要求，以覆盖监控部位为原则确定监控点个数，而监控设备则宜采用高清网络红外球机。针对廊道这一特殊场景，亦可采用巡检机器人搭载云台进行监控。监控上下游水尺、量水堰堰上水尺、压力表、数显监测仪器等重要监测设施时，需要24 h全天候监控，可看清目标运行状态、数字或刻度，对应设备宜采用高清网络红外筒机。

（3）缺陷监控针对影响大坝安全的各种缺陷进行重点监控，在能看到缺陷的基础上，还可利用人工智能技术、图像识别技术等达到“看得懂”的程度。

针对坝基、坝脚及坝后等部位的涌水点，需要24 h全天候监控，且能分辨目标类型、颜色。监控点布置除满足看清缺陷目标的要求外，还应考虑缺陷识别功能需满足的特殊要求，在设备选型时宜采用高清网络红外筒机。针对影响大坝整体安全的裂缝、错动、塌陷等，需24 h全天候监控，且能分辨目标类型，在有廊道的大坝，最佳方式可采用轨道式机器人（挂载可见光云台）或高清网络红外筒机。

各类监控设备相关技术指标见表1。根据上述要求可确定前端设备的类型，之后还需根据不同监控环境和要求，确定其他参数。例如：当监控目标环境照度较低（＜1 Lux）或补偿性光源较弱，可以采用超低照度摄像机；在大坝、库区环境多雾的监控场景，可以采用具有透雾功能的摄像机；针对大坝、库区、水闸、边坡等大场景，需要经常快速变换监控对象的室外场景，可以采用一体化高速球形摄像机或全景摄像机。监视周边环境时，可以采用全景摄像机和球机联动，也可采用无人机、无人船等搭载相应视频监控设备来完成；全景大坝制高点监控宜采用高空瞭望云台摄像机或全景摄像机；需要观察多个方向，且要清晰显示细节的区域，宜布设高速球型摄像机；监控闸门、阀门、门槽、量水堰、压力表、数显监测仪器等固定场景对象，可采用固定式定焦摄像机；环境照度变化大的场所宜采用宽动态摄像机。同时，镜头的焦距还需要根据视场大小、镜头与监视目标的距离按相关公式确定。另外，水电站大坝在应急状态下，可能出现通信中断的情况，而此时监控视频是十分重要的资料，因此，若在前端摄像机配置256 GB的存储卡，可在通信中断的情况下，存储一定时长的视频。

表1 大坝安全视频监控前端设备技术指标Table 1 Technical indexes of front-end equipment in the dam safety video surveillance system

5.2 信号传输要求及相应设备

当视频监控点位置距离监控主站较远，且相对集中的时候，可在附近设置监控子站，将多个监控点的信号集中后再统一传送至监控主站。考虑大坝安全视频监控系统和大坝安全监测系统的关系，可以将监控子站和大坝安全监测自动化系统的监测站结合布设。大坝安全监测自动化系统的监测站一般布置在监测仪器集中的地方，并具备一定的工作空间和稳定可靠的电源，有条件与监控子站分享上述资源。

大坝安全视频监控主站与监控子站连接，可以控制、监视、调阅所辖范围内所有监控前端的视频和音频信息。同样，大坝安全视频监控系统的监控主站可以与大坝安全监测自动化系统的监测管理站结合布设，相关设备的设置协调统筹，满足系统运行、系统管理、设备安装和维护等要求。

大坝安全视频监控系统网络通信方式的选择应根据监控点与监控子站、监控子站与监控主站的距离、传输介质、环境条件等确定，采取有线传输或无线传输方式。有线通信传输介质可根据需要及现场条件选择光缆、五类及以上网络线缆等。对于部分难以部署有线网络的视频监控点位，可以采用无线通信方式。目前视频监控系统适用的无线通信方式主要包括无线网桥和4G、5G等移动通信技术。

5.3 信息存储要求及相应设备

视频监控存储方式可分为分布式存储和集中存储两种，因大坝安全视频监控路数一般不多，且区域相对集中，根据相关工程经验，大坝安全视频监控系统比较适宜采用监控主站集中存储的方式。

针对大坝安全视频监控系统的特点，存储设备在选型时需要考虑以下方面：一是能保存原始场景的监视记录，监视记录应有原始监视时间和地址信息，并具有防篡改功能；二是要采用嵌入式设计，支持视频监控接入、存储、管理和控制等基本功能；三是要支持ONVIF、RTSP标准及主流厂商的网络摄像机，支持视频集中管理、视频参数配置、信息的导入和导出等功能。存储容量大小可根据视频存储时间的要求进行计算设计。

大坝安全视频监控系统中的信息分为24 h不间断的视频流信号和抓拍的视频、图片。视频流在存储设备中的储存时间按照一般电站管理要求，建议不少于30 d。存储设备在选型时，可以根据存储时间要求确定存储容量。视频监控系统中抓取重点部位、重要时段的图片及生成报表的频次应该与大坝安全监测相关规范中关于巡视检查的频次要求相适应，因为抓拍的视频、图片等属于巡视检查资料，可以根据相关法规和运行单位管理规定进行存储和管理。

6 大坝安全视频监控信息管理功能

大坝安全视频监控管理系统除了要具备视频储存、查看、回放、截取、转发、预置位设置、设备遥控、断网续传、自诊断等视频监控系统的基础功能外，在大坝安全领域，最好还能具备以下功能，以满足大坝安全运行管理的要求。

（1）事件捕捉识别。主要针对以下情况进行事件的记录，并自动截取保存事件起始时间范围内的视频：大体积漂浮物或失控船舶越过坝前警戒线；库水位、下游水位超警戒水位线；泄洪闸门开启及关闭的过程；建筑物结构出现开裂或变形，以及边坡和坝坡出现塌陷、滑动等现象；射水、涌水等明显渗漏现象，以及渗漏水浑浊等情况。

（2）巡视检查。通过人工控制摄像机或摄像机自动巡航对监控范围进行巡视检查，利用人工判定识别或利用摄像机捕捉识别功能记录巡检结果。

（3）闯入识别。具备人脸闯入识别、船只闯入识别等功能性应用，记录闯入事件的开始和结束时间、闯入对象类型和数量，能自动截取并保存闯入对象的图片、闯入过程的视频。

（4）异常预警。支持不同的报警方式，包括短信报警、电话报警、铃声报警、移动应用程序消息报警，具有报警联动的接口。报警信息中应当包括事件类型、事件发生时间、事件发生地点、预警等级、预警事件对应的监控图片等。

（5）统计汇总。按照时间区间、事件类型、报警类型、监控部位等指定条件对事件进行汇总统计。

同时，为了适应移动终端的不断发展，视频监控系统还可以支持在移动端的应用，移动应用程序可以具备以下功能：能够查看不同监控部位的实时监控视频和视频回放；在触发报警功能后，根据报警等级的不同，向相关用户推送报警信息；可分历史事件信息、历史报警信息进行查询。

目前，利用人工智能、图像识别等技术，可以初步实现一些简单功能，如混凝土裂缝的识别、渗水析钙的识别等。

7 结论与展望

大坝安全视频监控系统作为巡视检查的辅助手段，适用于所有水电水利工程。特别是一些中小型水电水利工程，因其监测仪器偏少、现场管理人力不足，更需要建立大坝安全视频监控系统，协助远程水工管理人员了解大坝现场运行状态，提高大坝安全现场管理水平。

大坝安全视频监控系统作为大坝安全监测系统的一部分，应纳入工程的安全监测系统统一规划设计、统一运行管理，同时宜与工业电视系统、视频安防监控系统等协调统筹，实现资源、信息共享。大坝安全视频监控系统分为监控点、监控子站、监控主站三个层级，对大坝及近坝库区巡视检查的重点部位、重要缺陷等监控对象进行监视。大坝安全视频监控系统设计时需进行总体规划、永临结合，遵循实用性、可靠性、经济性、先进性、可维护、可扩展、可升级的原则，确定重点监控部位、监控项目及技术要求。

目前大坝安全监控仪器和技术方法已由传统监测技术转向多学科相融合的自动化监测技术，自动化、数字化、可视化、智能化是大坝安全监控技术发展的必然方向。随着视频监控技术、人工智能技术的不断发展和大坝安全领域专家们的不断探索，不久的将来，一定能更好地通过视频监控系统实现对监控对象缺陷的智能识别、管理和告警，推动大坝安全监测监控感知手段的不断发展。