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谈谈闭路监控系统的设计

 

任何弱电项目建设之前都必须经过系统技术方案设计阶段,电视监控系统也不例外,无论是应用于安全防范系统中还是应用在传统的工业电视系统中,电视监控系统的技术设计是项目建设的基础,设计方案的优劣直接影响到项目建设的质量和使用功能。因此,一个好的监控系统必须从立项、技术设计之初受到更多的重视。
对于电视监控系统设计来说,一般分为两种设计:系统技术方案设计和系统建设施工方案设计。系统技术方案设计更适用于仅仅为项目建设提供技术解决方案、设备供应和技术支持的情况;而对于整个项目建设承包时除了需要提供系统技术方案设计以外还要提供系统施工方案设计。

由于系统技术方案设计是系统构架、设备选配、功能实现的基础,施工方案设计所能遵循的相关标准规范已经十分健全,而且还要根据实际建设现场的具体情况具体分析,本文将着重探讨电视监控系统技术方案设计的程序、步骤、方法以及技术方案的一般格式。

一、系统技术设计的依据

电视监控系统属于弱电工程项目,在设计中除了需要遵守本行业的一些标准规范以外,还需要遵循弱电项目建设的一般标准规范。对于一些特殊环境或应用场合使用的设备还需要遵循针对该环境及应用场合的特殊标准规范。

电视监控系统设计需要遵循的常见标准规范如下:

《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94

《工业电视系统工程设计规范》GBJ115-87

《安全防范工程程序与要求》GA/T75-94

《安全防范系统通用图形符号》GA/T74- 94

《入侵报警系统技术要求》GA /T368—2001

《入侵探测器通用技术条件》GBl0408.1-89

《工业企业通信设计规范》GBJ42-81

《建筑电气安装工程质量检验评定标准》GBJ303-88

《中国电器装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-82

《工业自动化仪表工程施工及验收规范》FBJ93-86

《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-90、92

《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92

《防爆应用电视总技术条件》GB/T15411-1994

《隔爆型防爆应用电视设备防爆性能试验方法》GB/T13953-1992

《爆炸性气体环境用电气设备》GB3836-2000

《银行营业场所风险等级和防护级别的规定》GA38-92

《银行营业场所安全防范工程设计规范》GB/T16676-1996

《文物系统博物馆风险等级和安全防护级别的规定》GA27-92

《文物系统博物馆安全防范工程设计规范》GB/T16571-1996

项目建设招标书、系统建设需求或技术规格书

二、对设计人员的要求

1、熟悉相关的国家标准和技术规范。

2、全面掌握电视监控系统在各种条件、场合应用的实际结构,熟悉各种设备与器材的性能、技术指标、基本原理及市场状况,了解业内新技术的发展情况和新产品应用情况。

3、熟悉电视监控系统项目建设的设备安装、调试过程。

4、掌握电视监控系统的设备的一般维护和故障分析方法。

5、了解视频信号的传输方式及其原理。

6、了解与电视监控系统相关的其它弱电系统专业知识。

7、熟练掌握常用的文字处理软件和绘图软件。

8、具有较强的语言文字组织能力。

三、系统技术设计的过程

根据相关标准规范的要求,技术设计需要经过初步设计、正式设计的过程。技术方案的初步设计一般是在接到项目建设任务书之后进行的,初步设计主要以需求分析、现场勘察、系统容量的确定、系统结构、设备档次的选择、整体费用概算和项目建设工期预计等内容为重点。

初步设计的技术方案应递交给建设单位,由建设单位主持,业务主管部门、公安主管部门和设计施工单位及一定数量的技术专家参加对初步设计的技术方案进行论证。对初步设计的各项内容进行审查,对其技术、质量、费用、工期、服务和预期效果做出评价。然后报上级审批。

正式设计是在论证、审批通过后的初步设计方案基础上进行的系统详尽的技术设计,正式设计方案是对初步设计方案的扩展与补充,在没有通过建设单位和相关审批单位论证认可的条件下,不能对初步设计中的系统结构、设备主要参数进行更改。

在初步设计与正式设计的实际过程中包括了很多必要程序,如现场勘察、用户需求分析、设备考察与选配、系统结构的确定、技术建议书的编写、系统可靠性的论证等,这些程序会因不同的项目特点而有所不同。

3.1 现场勘察

现场勘察过程对于是否能够获得一个优良的技术设计方案至关重要,现场勘察包括对建设单位防护级别的确定、工程规模的确定、防护区域的具体划分、用户实际需求分析、现场安装场地与环境的详细描述、勘察记录资料的全过程。

3.1.1 建设单位风险等级的确定

如果建设单位属于国家规定的具有高风险等级的行业,在技术设计之前必须确定建设单位的风险等级,一旦确定了建设单位的风险等级,那么所有技术设计将严格按照有关该风险等级的设计规范中的要求严格执行。像银行营业场所、文博系统就属于这样的行业。

如果电视监控系统的建设是以提高管理水平、及时掌握现场信息、实现科学生产等为目的,就不需要确定建设单位的风险等级,而是按照工业电视系统相关规范来进行设计,此时需要根据建设单位的投资大小确定项目规模。除了相关标准明确规定的具有风险等级划分的行业、单位以外的电视监控系统建设基本都属于工业电视系统的建设,如道路交通、港口、机场、工厂等。

对于一些没有明确风险等级要求但仍然以安全防范作为主要系统建设目的的项目,虽然不能严格确定建设单位的风险等级,但在实际设计时需要参考高风险等级行业系统设计的规定,以建设方的需求作为主要依据进行系统设计,这类系统应用场合如小区、商场、宾馆等。

3.1.2 防护区域的划分

电视监控系统中前端设备负责将现场的图象、声音、数据都各种信号进行采集,设备安装的位置以及防护区域划分将直接影响系统容量确定。

对于防护区域的划分需要根据相关设计规范和建设单位的实际需要加以确定,并最终获得如下信息:

*防护区域的数量

*各防护区域的防护目的与要求

*各防护区域所配置的前端设备数量

*各防护区域的前端设备性能要求

3.1.3 用户实际需求分析

除了相关标准、规范将作为系统建设所必须遵循的依据以外,用户实际的需求将直接影响到前端设备的数量、系统构架方式、使用功能、设备档次等,因此在技术设计中必须对用户的实际需求加以严格的、系统的分析。

一、前端设备的数量分析

在防护区域划分以后有时可以直接确定前端设备的数量,而有时防护区域划分后只能确定不同区域的实际防护要求,而设备的数量则需要根据用户要求进行确定。确定前端设备的数量必须了解用户在该区域中需要获得什么样的监视效果,例如在一个方圆1km的范围内,如果只是以了解现场情况作为监视目的时,那么完全可以配置一个监视点,而如果在此范围内还需要有如果个重要监视点,这些重点区域又需要同时进行监视而不能以巡游方式来解决多点监视时,就需要考虑增加监控点,从而影响了前端设备的数量。
因此对用户需求分析后,结合前面防护区域的划分得到如下信息:

*前端设备数量

*前端设备的实际配置

二、前端设备档次的确定

设备档次的确定需要根据用户实际监控质量要求、投资规模来确定的,一般来说前端设备档次确定后将直接影响到控制设备的档次,从而为整个系统档次确定基调。

三、用户使用功能分析

系统所能提供的信号摄取、处理效果是由设备档次决定的,而系统所能实现的使用功能决大多数都是由控制设备实现的,对用户的使用功能分析后基本上就可以确定系统控制设备以及整个系统的结构。用户使用功能分析需要从下面几个方面着手:

*用户想看什么 提供需要的图象、声音、报警等

*用户怎么获得信号 提供信号传输方式

*用户想怎么看 提供信息显示的平台

*用户看到后想干什么 提供丰富的信号处理操作功能

*用户想怎么干 提供相对个性化的操作编程

*用户简便地干 提供自动响应功能

*自己干还是大家一起干 提供多用户控制或联网功能

四、系统构架方式

从实际的电视监控系统结构来看,可以是传统模拟监控系统结构、数字网络式监控结构、模拟加数字的综合监控结构三种,每种结构都具有各自的优点和不足。根据上面的用户需求尤其是用户使用功能的需要来确定系统实际的控制方式,也就确定了系统的结构。

3.1.4 现场气候条件的勘察

在一些项目建设中,建设单位可能会提供设备安装现场(尤其是室外环境)气候条件的相关参数,这些参数包括最高与最低温度及变化情况与持续时间,风、雨、雪、雾、雷电等天气条件及持续时间等情况。如果建设单位没有提供详尽的现场气候条件,需要在勘察阶段与建设单位沟通,必要时与当地的气象部门联系,以获得相关的气候资料。

现场气候条件将直接影响防护设备的指标及实际选择,例如防护罩、云台的防护等级、工作环境温度及其它辅助设备等等。

3.1.5 现场设备安装环境的勘察

前端设备根据需要会安装在室外或室内环境,因此实际的勘察也要分为室内环境的勘察和室外环境的勘察。

一、室内安装环境

对室内环境的勘察主要集中在建筑物的结构、装饰、管道、照明等情况。这些现场情况将直接影响设备的安装位置、设备类型、信号传输方式、管线路由等。

勘察项目 勘察内容 勘察意义 建筑物结构 建筑物楼层、建筑物结构、梁柱的位置、主要出入通道与防火通道、门窗位置与数量 确定前端设备的布防位置 建筑物装饰 地面、墙壁、屋顶等内部装饰和外沿装饰情况 确定设备的安装方式和设备类型

管道 水、电、风、气等管道的分布,尤其是出入户的接口状态 确定路由设计 照明与光线 自然光与室内照明实际的光线强度 确定设备性能参数 建筑物周边环境 周界,电磁波发射设施、高压线、变电所等易产生电磁波干扰源的分布情况 确定辅助设备的增减 配电状况 配电间、弱电井的位置,所提供电源容量 确定设备功率及电源要求

二、室外安装环境

室外安装环境除了前面提到的气候条件为重点勘察对象外,设备安装位置周围的土壤、配电、干扰源等状况也需要进行勘察,以确定设备的安装方式。

3.1.6 勘察报告
勘察报告中除了需要体现上述勘察内容的详细说明,还需要绘制现场设备布防草图、系统结构草图、信号传输建议、线缆敷设路由草图等。

对于需要进行施工设计的项目,现场勘察的重要性就更加突出,尤其是线缆敷设路由的确定方面对勘察工作要求更为细致。如果仅仅是设备供应和技术支持而进行技术设计时,除了需要为建设单位提供信号传输方案外,对于线缆附设和路由确定方面的工作将大大减少。

3.2 技术设计中的前端设备选择

由于初步设计与正式设计所遵循的规范、设计思路、设计方法基本一致,只是内容的详尽程度有别,因此这里只以正式设计作为详细讨论的内容。

3.2.1 摄象机的选择

当前的摄象机设备品牌、种类繁多,需要根据用户需求、现场环境、安装方式加以选择。

一、摄象机外型的选择

枪式摄象机 适合于所有监控场合

1/2”CCD 适合于配置大倍数、长焦距镜头,监视范围大、图象质量要求高的室外环境

1/3”或更小CCD 适合于图象质量要求较高,配置定焦镜头或常规变焦镜头的场合

变倍一体化摄象机(含带云台的一体机) 适合于监视范围广,可远近调整监视的场合例如广场,街道商场、学校、酒店、宾馆大堂等

半球型摄象机 适合于室内隐蔽安装,图象质量要求不高,以美观、隐蔽安装为主要目的的场合

智能球机 适合于室内/室外环境,更注重摄象设备的整体使用功能的方便性和美观隐蔽安装,图象质量要求一般

其它异型摄象机(烟感、针孔、飞碟等) 适合于室内环境有特殊安装要求的

二、摄象机类型的确定

彩色摄象机 适合于光线较为充足的环境

黑白摄象机 适合于所有监控环境,尤其是照度较低的环境,并且可以配合红外辅助照明设备以实现夜间监控
彩色转黑白(单色)摄象机 适合于光线变化大,日夜监控图象要求均较高的场合 3CCD彩色摄象机 适合于投资大,图象质量要求很高的场合

三、摄象机指标的确定

清晰度 450至480线(彩色)560线(黑白) 高清晰度,对图象质量要求高

330线至420线(彩色)380线(黑白) 普通清晰度,对图象质量要求不高

灵敏度 0.1lux(彩色)0.01lux(黑白) 低照度,适合于光线不足的监控场合

2lux(彩色)0.1lux(黑白) 常规超度,适合于光线充足,对夜间监视要求不高的场合

电子快门 自动/手动 可以配合镜头扩展摄象机灵敏度范围

AGC 自动 可以配合镜头扩展摄象机灵敏度范围

背光补偿 自动或菜单设置 适合于固定监视点具有逆光的监视环境

信噪比 48dB以上 高质量,适合于摄取较暗场景

45至48dB 一般质量,适合于光线充足或变化不大的环境

白平衡 ATW 适合于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合

ACW 适合于可以找到白色参考目标的环境

强光抑制 适合于监视现场经常出现反差很大的强烈光线的场合

供电方式 AC220V或AC24V/DC12V 可根据其它前端设备的配置选择在具有特殊要求需要使用安全电压时采用低压供电摄象机

四、摄象机推荐

枪式摄象机:SONY、JVC、CREATOR、GANZ

半球摄象机:Panasonic、CBC、TRC

一体化摄象机:CREATOR、LG、SONY

智能快球:Pelco、Kalatel、Panasonic、CREATOR

3.2.2 镜头的选择

一、 光圈的选择

自动光圈:适合于绝大多数环境,尤其是室外光线变化较大的环境;

手动光圈:适合于室内光线变化不大的固定监控点;

电动光圈:适合于室内外光线变化不大的全方位监视点。

二、 焦距调整方式的选择

固定焦距:适合于可以直接确定监视区域的固定监控点;

手动变焦:适合于暂时无法确定监视区域的固定监视点;

电动变焦:适合于大范围远距离监视的全方位监视点。

三、 镜头尺寸的选择

需要根据使用摄象机CCD的尺寸来决定,大尺寸的镜头可以和小尺寸CCD摄象机配合使用,但视场角会变小,镜头与摄象机尺寸应尽量选择一致。

四、 焦距值的选择

短焦距镜头:适合于对大范围的全景监视;

长焦距镜头:适合于对远距离的特写监视;

实际的焦距值可以根据下列公式进行估算。

f/v=D/V f/h=D/H

其中:f───镜头焦距; D───镜头至景物距离;

h───靶面宽度; v───靶面高度;

H───成像宽度; V───成像高度

估算后得出的焦距值和实际镜头产品相比较,并结合摄象机CCD尺寸来确定实际使用镜头的型号。

设计中有关镜头的其它参数可以不用重点考虑,因为一旦焦距参数确定后,也就确定了镜头型号,对于某种品牌的镜头来说,其它参数基本就由产品本身决定了。

五、 镜头选择的其它注意事项

确定镜头后还需要考察该镜头的接口方式,并参考摄象机的接口方式,如果接口方式不合适需要加倍接圈。注:当前有的摄象机注明可以配合C和CS接口,但没有标配接圈,需要订购。
有的自动光圈镜头或摄象机没有标配自动光圈的4芯插头,实际时需要考察摄象机自动光圈接口形式和摄象机、镜头是否配置了自动光圈接口插头,否则需要订购。

六、 其它特殊镜头的选择

无论是3CCD摄象机专用镜头还是针孔镜头都属于特殊环境或者特殊设备专用镜头,需要根据实际需要加以选择。

3CCD镜头——专门配合3CCD摄象机使用;

针孔镜头——适合隐蔽监视,电梯中也有使用。

七、镜头推荐

精工(AVENIR)、CBC(Computar)、福光

3.2.3 防护罩的选择

防护罩选配原则为:密封等级、防护罩类型、尺寸和辅助设备种类。

一、 防护等级

防护等级对于应用于室外环境来说十分重要,符合IP65即可以应用于室外环境,但是在较为恶劣的气候条件并从延长设备寿命、提高摄象机总成的可靠性等方面考虑,IP66或更高的防护等级将是首选。

二、防护罩类型

矩形防护罩 适用于绝大多数应用场合,与其它类型防护罩相比更适合室外环境

球形防护罩 适用于绝大多数应用场合,与其它类型防护罩相比更适合室内环境

角装防护罩 适合于室内墙角安装场合

嵌入式防护罩 适用于室内隐蔽安装场合

三、 防护罩尺寸

防护罩内部净尺寸的长宽高尺寸应该容纳摄象机、镜头组件,净尺寸是指防护罩标称内部尺寸减去防护罩辅助设备和内部接线端子后的尺寸,同时需要考虑摄象机/镜头组件中变焦镜头控制时 产生的尺寸增加、摄象机/镜头连线空间。

四、辅助设备种类

防护罩的辅助设备包括遮阳罩、加热器/除霜器、风扇、雨刷器、清洗瓶等,设计时需要根据现场环境加以选择。

五、特殊用途防护罩

在一些特殊环境中需要选择经过特殊加工、认证的特殊用途防护罩,如易燃易爆危险环境、高温环境、强腐蚀环境等,设计时需要根据建设单位环境的特殊要求根据相关的标准选择符合相应防护等级的防护罩。

六、 防护罩推荐

通用防护罩:Bewator、Pelco、亚安(YAAN)、

特殊用途防护罩:Bewator、Pelco、

3.2.4 云台的选择

考察云台的参数有:载重、防护等级、转速、转动角度、齿轮间隙(回差)、扭矩、载重方式等。

一、 载重

云台的载重量应该完全可以承载摄象机、镜头、防护罩极其配件总成的总重量,考虑到云台的载重指标均为平衡负载,在云台载重选取时应该有适当余量,一般选取负载的1.3~1.5倍作为云台的载重指标。

6kg以下 适合于室内/外安装一体化摄象机或定焦镜头摄象机

6kg至12kg 适合于室内/外安装一体化摄象机或小型变焦镜头

12至25kg 适合于安装较大变焦镜头、摄象机、防护罩总成

25kg以上 适合于安装特大型变焦镜头、摄象机、防护罩总成

二、防护等级

防护等级对于应用于室外环境来说十分重要,符合IP65即可以应用于室外环境,但是对于较为恶劣的气候条件并从延长设备寿命、提高云台的可靠性等方面考虑,IP66或更高的防护等级将是首选。

三、转速

云台一般分为交流定速云台和直流变速云台,交流定速云台转速低而且恒定,直流变速云台可变速而且转速高。

交流云台 水平6~9°/秒,垂直3~6°/秒 适合于不需要快速追踪的场合

直流云台 水平20°~50°/秒,垂直10°~30°/秒 适合快速追踪或其它需要高转速的场合

四、转动角度

云台转动角度分为水平转角和垂直转角,垂直转角与负载安装方式相关,一般顶装云台的垂直转角为-90°~+40°,侧装云台的垂直转角为±100°左右,水平转角一般都可以达到345°~365°实际设计中需要根据建设需要,尽量保证无监视死角,因此垂直角度需要保证-90°~+20°,水平旋转角度需要保证360°。

五、齿轮间隙

齿轮间隙(Gear Backlash)也称回差,是考察云台转动精度的重要指标。齿轮间隙越小说明云台的精确度越高,尤其是对于高速转动的云台或带预置位功能的云台来说十分重要。

、扭矩
对于一定载重的云台来说,扭矩越大说明云台抗拒非电机启动的力量越大,这对于比较恶劣的气候条件来说非常重要。

七、承载方式与安装方式

按照负载安装方式,云台有顶装方式和侧装方式,实际选择时需要参考载重和建设单位的认知程度选择。

云台的安装方式一般有正装和吊装两种,设计时需要考虑同样云台吊装时载重指标的大幅度下降,如无特殊需要不建议采用吊装方式。

八、 辅助功能

云台的辅助功能包括自动水平扫描、预置位、加热器等选项,设计时需要根据使用环境、用户使用的功能需求决定。

九、 球型、半球型云台

上述云台更适合于室外全天候条件下的安装,对于球型/半球型云台的选择来说,更适合于对于美观、隐蔽而不需要智能快球的场合,球型/半球型云台的内部空间有限,不适合安装大倍数、长焦距的镜头。球型/半球型云台由于下球罩起到防护罩的作用,清洗困难,因此不建议在恶劣气候条件下使用。

3.2.5 解码器

设计时选择解码器需要注意下面几点:

1、 驱动能力。需要根据云台、防护罩辅助设备、摄象机、镜头等前端设备的实际驱动所需加以考察,避免解码器输出无法驱动设备动作。

2、 通讯协议的兼容。所选用的解码器必须与控制设备的控制协议兼容。

3、 防护等级。尤其时使用于室外环境,应确保解码器的相应的防护等级。

4、 辅助输出功能。解码器除了应该具有多个辅助输出位前端其它设备提供驱动或驱动能力,还应该具有多个辅助电源输出,如DC12V,交流24V等为不同的摄象机供电。

3.2.6 报警探测器

报警探测器所使用的原理、探测范围、应用环境都有所不同,有关报警探测器在安防系统设计中的选择将以专题方式进行讨论。

3.2.7 其它前端设备

其它前端设备包括辅助照明红外灯、防雷设备、支架等。

红外照明灯选择时需要注意黑白摄象机或彩色转黑白摄象机是否支持红外灯标称波长的红外光,同时按照实际所需要的照明距离进行选择。

支架的选择除了与云台、防护罩安装接口匹配以外,还必须考虑承载问题。

如果是项目施工方案,应该具有整个系统防雷接地建设的设计方案,严格按照相关标准规范执行。对于电视监控系统来说涉及到的避雷器包括视频避雷器、通讯避雷器、电源避雷器。

3.3 技术设计中传输结构的确定

工业电视系统或安全防范电视监控中,前端设备采集的现场图象、声音、报警、数据等信号以及控制设备向前端设备发送的控制信号都将通过传输系统和设备完成之间的传输。
通常,主要信号传输有三种:视频信号、通讯信号和电源信号。

3.3.1 视频信号的传输

图像信号的信息量大,带宽宽,监视时直观性强,因此在电视监控系统中视频图像信号的传输是重中之重。视频信号传输质量的好坏将直接决定图象质量和系统整体性能的高低。

从摄象机输出的视频信号,频带宽度为0至6MHz,幅度为1Vp-p,特性阻抗75Ω。

当前视频信号传送的主要方式还是基带传输方式,传输的是来自摄象机输出的不经任何频率变换(如调制)等处理的复合视频信号。视频基带传输最大的优点就是传输系统简单,在一定的传输距离内,失真小,附加噪声低(即信噪比高),不必增加附加设备。视频基带传输质量最好的传输介质就是同轴电缆。

同轴电缆是由两个同轴布置的导体组成,传输的信号完全封闭在外导体内部,从而具有高频损耗低、屏蔽及抗干扰能力强、使用频带宽等显著特点。同轴电缆从内至外的结构为铜单根或多根铜线绞合的内导体、绝缘介质、软铜线或镀锡丝编织层和聚氯乙烯护套。同轴电缆传输视频信号损耗小,有较强的抗干扰能力。 在工业电视系统中视频信号主要使用的SYV型(绝缘层为实心聚乙烯)、特性阻抗为75的同轴电缆。

视频信号经过同轴电缆传输后,所有0至6M频率幅度都有衰减,频率越高衰减越大,改变了源信号各种频率分量之间的相对比例关系,即“频率失真”。因此视频信号通过同轴电缆传输不仅产生幅度衰减,还产生不可忽视的“频率失真”。从对图像质量的影响来看,幅度降低,使灰度等级降低,图像变的暗淡;“频率失真”,特别是高频成分快速衰减,使图像变得模糊拖尾,清晰度和分辨率严重降低,因为清晰度和分辨率是靠高频成分支持的。同时,因为4.43M的色度付载波也快速衰减,解调幅度不够,将使色饱和度和色调变坏,甚至失彩。

一般来说使用SYV-75-5的同轴电缆传输距离为300米,超过300米以上需要考虑加装电缆补偿器或使用更低损耗的同轴电缆,如SYV-75-7、SYV-75-9等。

在视频信号传输时,如果传输距离过长可以考虑使用光纤传输方式、同轴电缆和加权放大器传输方式、双绞线传输方式以及微波传输方式等。具体的结构除了参考传输距离以外,还要按照建设单位建设需求、实际路由资源、建设投资等。这些传输方式都会涉及到很多传输设备,如视频光端机、双绞线传输设备、视频放大器等,在实际光缆、电缆的选择时需要根据实际的传输结构和选择的传输设备来确定。

3.3.2 通讯信号的传输

工业电视系统中控制器与前端解码器之间的通讯信号一般都采用标准RS485通信接口信号,实现控制器对前端设备的动作控制。

在自动化领域,随着分布式控制系统的发展,迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上,EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485标准采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,具体规格要求:

接收器的输入电阻RIN≥12kΩ,驱动器能输出±7V的共模电压,输入端的电容≤50pF。

在节点数为32个,配置了120Ω的终端电阻的情况下,驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)。接收器的输入灵敏度为200mV,即(V+)-(V-)≥0.2V,表示信号“0”;(V+)-(V-)≤-0.2V,表示信号“1”。因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性,使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

影响RS485总线通讯速度和可靠性主要有三个因素:在通讯电缆中的反射;在通讯电缆中的信号衰减;通讯电缆的纯阻负载。这些影响通讯质量的原因主要由于传输电缆阻抗失配和不连续、分布电容和电感等原因造成的。因此,在选定了驱动器的RS-485总线上,在通信波特率一定的情况下,带负载数的多少,与信号传输的最大距离是直接相关的。具体关系是:在总线允许的范围内,带负载数越多,信号能传输的距离就越小;带负载数据少,信号能传输的距离就越远。

RS-485最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说,工业电视系统采用的RS485传输速率为9600b/s,属于低速数据传输,因此传输的距离可以达到1000米,但是需要充分考虑传输电缆的阻性负载,避免信号衰减过大。
在通讯距离不远的情况下,实际使用屏蔽双绞线传送通讯信号即可,如果通讯距离过长,就需要与视频信号传输统一考虑传输方式,同样可以采用光纤传输、双绞线传输方式,同轴视控方式由于长距离传输使用的放大器不仅仅是满足放大、补偿视频信号的设备,因此在远距离传输中不建议使用同轴方式传送通讯信号。

3.3.3 电源信号的传输
在电视监控系统中前端设备一般都采用单相交流供电方式,标称值为AC220V,50Hz。系统供电质量应该满足电压传输损耗小、电压稳定、谐波分量小等要求,一般来说电压波动不大于±10%,频率变化不大于1Hz,波形失真率不大于20%。

对于电缆传输方面,应该估算设备功率和传输距离,使得所选择的电源电缆能够满足电压、电流、损耗等方面的要求。工业电视系统中常使用额定电压300/500V,芯线截面0.5~1 mm2的RVV铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套圆型软电缆来传输电源信号。

电源供电可以采用中心集中供电和前端直接取电两种方式。中心集中供电更适合供电距离较短的小型系统,具有操控性强的特点,同样对于电源干线的选取、路由的确定以及强弱电分离提出要求,如果采用直流电源的中心供电方式,对供电电缆的线径需要特别注意衰减问题。

前端直接取电的方式是当前较大系统或前端设备距离控制设备较远时普遍采用的供电方式,这种方式具有节省电缆,损耗小等优点,但也存在电源不够洁净、稳定的缺点,而且不能由控制室统一进行电源的控制,对于必须使用电源远程控制的系统,还需要加装远程控制设备,由控制中心通过标准通讯信号(RS232/485/422)对电源设备进行遥控。

其它类型的信号需要根据实际选择设备对传输系统的要求进行设计。

综上所述,系统传输结构确定、设备选择和设计过程如下:

1、 传输距离及路由的确定

2、 传输信号种类的确定;

3、 甲方建设需求分析;

4、 传输结构的确定;

5、 传输设备的选择;

6、 传输线缆的确定;

7、 传输系统结构介绍;

3.4 控制系统的结构确定与设备选择

当前电视监控系统的结构可以分为模拟系统、数字系统和模拟与数字混合系统。无论室模拟系统还是数字系统,当前的趋势都以多站点远距离联网控制为主要特点。关于模拟、数字系统结构及模拟系统与数字系统的比较请参阅《关于大型项目方案的分析暨模拟与数字监控系统的比较》。

3.4.1 控制系统结构的确定

1、 用户需求中已经可以确定系统结构
在这种情况下需要再次细化用户需求,根据用户具体的使用功能来选择满足用户指定系统结构的设备。如果用户需求中提出的使用功能与指定的系统结构相矛盾,或者指定的系统结构无法实现要求的使用功能,需要和建设单位协商,推荐混合系统结构,以满足建设单位的所有功能要求。

2、用户使用功能要求明确

用户没有明确指出系统结构,但对具体的使用功能要求的十分详细,包括图象的切换、显示、录象、回放、遥控、联网、容量等。此时,需要按照这些具体要求的功能确定系统的结构,并选择该结构中完全满足要求的系统设备。

3、用户没有具体的功能要求

此时,设计人员需要根据建设单位的实际应用环境、行业特点结合当前电视监控系统的现状为建设方推荐合适的系统结构

3.4.2 系统结构示意图的绘制

一般在系统结构大体确定后应绘制简单的系统结构示意图,常用的工具软件有AutoCAD、Visio等,相比而言,CAD的功能更加强大,对于系统设备连接等细节表现更为完美,国家相关标准中也对相关设备有通用图标可以在绘图中直接使用,但直观性较差。

Visio软件可以直接利用图库中的很多设备图标,并且可以将设备实物照片直接应用到绘图当中,直观性强,可以使用户直观查看各种设备在系统中的位置,缺点是图幅小,很难将更多的连线描绘清楚。
系统结构示意图中应包括前端设备、传输设备、控制设备、录象设备、显示设备以及各种设备之间的连线示意。

3.4.2 模拟电视监控系统控制设备的设计要点

在以模拟矩阵控制设备为核心的电视监控系统通常都称为模拟系统,模拟系统技术成熟、功能强大、可靠性高,在数字视频技术及产品的冲击下,当前的小型系统已经逐渐被数字系统取代,但在一些大型项目建设中仍然广泛采用模拟矩阵控制器作为核心控制设备。

1、容量的确定

矩阵控制器的容量包括视频输入量、视频输出量、报警输入量、用户数量、键盘数量等。

(1)视频输入容量

除了用户直接对矩阵视频容量的进行了规定,一般视频容量应该留有10%至30%的余量,具体的需要根据系统扩容的可能来确定。

视频输入容量在确定时除了需要考虑摄象机的总数以外,还要看这个系统结构中多画面处理器的分割图象输出或其它视频设备的视频源信号是否需要接入矩阵控制器,如果是模拟矩阵控制器联网系统,还要考虑该矩阵因接收其它节点矩阵视频干线上传视频图象引起的资源占用。

(2)视频输出容量

用户直接对矩阵视频容量的进行了规定,一般视频容量应该留有10%至30%的余量,具体的需要根据系统扩容的可能来确定。

视频输出容量在确定时除了需要考虑监视器(包括大屏显示器等多种图象显示设备)的总数以外,还要看这个系统结构中如多画面处理器、录象设备等是否需要矩阵控制器提供输出资源,如果是模拟矩阵控制器联网系统,还要考虑该矩阵因上传给其它节点矩阵控制器视频干线引起的资源占用。

(3)报警输入的数量

电视监控系统经常会连接各种探测技术的报警探测器,以便使整个系统的建设更加完善。报警探测器的输出一般都是开关量信号,矩阵控制器一般都具有报警输入接口板卡或接口设备箱,通过通讯与主机箱相连,对接入的报警信号进行处理响应。

报警接口设备应该比实际报警探测器的数量多10%的余量。

(4)用户数量、键盘数量

在一个电视监控系统中往往不仅仅使用一个控制键盘或者只有一个用户进行使用,通常即使是一个控制键盘也会有多个不同级别的用户,以便在实际使用时进行操作限制。

系统设计时需要考察所选择的矩阵控制设备是否支持多级别用户,并且各级别用户的使用功能可以进行设置,以便控制不同级别用户的访问权限。

如果不是联网系统,除了矩阵控制器所在的控制室应配有主控操作键盘以外,还应该了解用户是否需要其它作为分控键盘使用的操作键盘,并确定数量;如果是分布式矩阵联网系统,需要了解各个节点是否需要配置控制键盘进行本地操作,如果是无人站点就不需要配置键盘。所选择的矩阵控制器应该能够支持实际配置键盘的数量。

2、功能的考察

实际系统应用是所涉及到的功能包括图象切换方式、前端设备的遥控、用户访问的限制、报警响应操作等。

(1)图象切换方式

一般有单画面单监视器定点切换、多画面单监视器的序列、多画面多监视器的群组切换以及多切换方式的组合或多切换方式与预置位组合调用等。对于一般的模拟系统设计来说,定点切换、序列切换和群组切换是必须的图象切换功能。

(2)前端设备的遥控

前端设备的遥控功能包括对镜头变焦、聚焦、光圈,云台上、下、左、右,防护罩的雨刷等功能的控制。如果前端设备使用了变速云台或者智能球机时,需要支持变速控制功能。对于一些高档次项目中需要支持前端预置位功能的控制,包括预置位的编程设置、预置位的调用、预置位调用与图象切换的组合、多预置位巡游的设置与调用等。

(3)报警响应操作

如果系统中配有报警探测器及报警接口设备,系统功能中应具有报警布防、撤防、接受、联动等功能。一般来说,报警的联动功能属于自动响应,是在系统高级编程中预先设置好的,常见的报警联动功能包括报警现场图象的自动切换、序列及群组的调用、预置位的调用、继电器辅助开关的自动启动等。

(4)用户级别限制

在实际操作中可能会有很多用户对系统进行操作,这些用户往往需要具有不同的用户级别,这样根据级别的不同限制用户对摄象机、监视器的访问。用户级别的设置以及对不同用户访问权限的设置将在系统高级程序配置中编程。

(5)系统常规操作的编程

该功能是指对常规功能操作的一种简单编程,一般可以直接通过操作键盘输入PIN或者编程钥匙的控制进入常规编程操作。常规编程一般包括图象序列的设置、预置位的设置、预置位巡游的设置、群组设置、时间日期设置等。

(6)高级编程功能

一般来说,档次稍高的矩阵控制器均有高级编程功能,这些功能将对这个矩阵的参数配置、用户级别的设定、访问权限的划分、报警响应、通讯设置、定时事件设置以及所有系统常规编程设置。

在大型矩阵控制器中,一般采用运行于PC机的专用配置程序提供各项参数的设置表格,设置结束后通过RS232通讯端口将数据下载到矩阵控制器的CPU卡中;有的矩阵系统本身就带有中央控制器,可以将其连接显示器,鼠标键盘直接设置;也有的矩阵系统时通过监视器屏幕叠加菜单进行设置的。

对于小型矩阵来说,由于受到功能和设计上的限制,一般都不具备专用配置程序,而是在高级配置中往往预先设置好的,用户不能更改,只能进行常规操作的编程。

3、联网时的设计

当前很多大型监控项目建设中经常以模拟矩阵控制器分布式组网方式实现,此时设计所选择的矩阵除了对矩阵本身联网能力的要求以外,为实现正确的联网和系统配置还需要注意下面几点:

1、联网通讯端口数量的确定

在矩阵联网系统中,矩阵本身的通讯端口根据所选择矩阵的品牌、型号的不同会有所差异,有的本身矩阵一定数量的联网端口,这些端口不能用做其他通讯使用;有的具有多个通讯端口,但是可以经过配置程序配置后任意设置端口的功用(包括联网使用);有的本身不具备联网专用的通讯端口,需要增加通讯扩展设备。无论那种方式,都需要在设计时充分考虑联网的实际结构、联网节点的数量、联网所需通讯端口的数量,如果矩阵本身标配的通讯端口因实际联网结构而有所不足时,需要考虑增加通讯端口扩展设备。

2、 视频干线数量的确定及对矩阵容量的影响

联网时各个节点之间的视频信号需要使用视频干线联通,这些视频干线是有指向的,是从一个矩阵的输出连接到另外一个矩阵的输入,因此设计时首先要确定在“上层”节点中需要同时观察“下属”节点的图象数量,这个数量就是两个节点之间的干线数量;有时在实际联网结构中并不体现十分明显的“上层”与“下属”这样的图象隶属关系,而是节点之间的视频信号互连,使得两个节点都可以通过视频干线查看一定数量的对方节点的图象资源。此时视频干线的指向是双向的,既有从本节点视频输出上传到另外一个节点的视频干线,也有接收到了另外站点上传到本节点的视频干线。

视频干线的数量和方向确定后,就可以确定各个节点矩阵系统实际可以连接摄象机和监视器的数量,即实际的矩阵容量。确定这个容量之后可以根据各个节点实际需要连接的摄象机与监视器的数量进行设计。

3、 多中继方式联网时的视频干线数量的确定

在实际的阵联网时会因现场原因、功能需求原因、链路原因、设备原因等采用不同的联网结构,有以一个节点为中心,其它节点均向该中心节点上传视频干线并进行通讯连接,其它节点之间互不联系的星型联网方式;还有一种时采用通讯的菊花链连接方式形成的多中继联网方式;在一个大型系统中,星型与多中级组合联网方式是使用最广的一种方式。

相比而言,星型方式延迟小、视频干线多、占用通讯端口也多;而多中继方式视频干线少、占用通讯端口少,但是延迟较大。

如果以多中继方式联网,需要考察用户实际需要在中心节点上需要同时观察各个节点的数量,在实际视频干线上传的过程中会因通过节点而增加视频干线数量。例如采用多中继方式实现4个节点联网,最后一个节点需要至少看到各个节点的一个图象,此时1号节点上传到2号节点的视频干线为一条,那么2号节点上传到3号节点时就需要两条干线,而3号节点最终上传到4号节点时就需要三条视频干线了。如果在最终节点需要同时看到的各节点图象数量越多,就对比较临近节点的矩阵容量提出更高的要求。

4、 联网延迟的考察

多中继方式联网结构中切换与控制延迟随节点的增多而增大,因此在实际设计中应充分考虑矩阵控制器本身及联网后的延迟状况,不能因联网级数过多导致延迟过大影响用户的正常使用,按照常见矩阵本身延迟200ms。每增加一级增加50ms的数据计算,一般联网级数不要超过5级,如果实际结构中必须超过5级时,应该在设计中充分体现延迟的存在,以使用户正确了解认识。

各个品牌的矩阵控制器参数会有所不同,设计时应仔细考察延迟指标。

3.4.3 数字电视监控系统的控制设备的设计

当前最为常见的数字监控系统设备是DVR和DVS。

严格地说,DVR形成的系统不能称之为数字监控系统,因为从前端摄象机输出的模拟图象信号仍然按照模拟系统的传输方式通过同轴电缆或其它传输方式连接到DVR上,在进入DVR之前图象信号仍然时模拟视频信号,只是通过DVR的数字压缩进行图象的储存、切换、控制等。DVR本身能够支持的视频输入输出通道数量有限,加上DVR本身除了图象显示与储存之外,还可以提供前端设备的控制、报警信号的接入、网络的传输等功能,DVR更像是一个可以取代原有小型矩阵控制器的中心控制设备。因此DVR一般可用于小型系统之中,而数字视频录象和网络传输还可以为用户提供更多新技术带来的服务。在DVR设计时需要考虑的是稳定性问题,由于DVR已经不是简单的录象设备,而是充当了小系统核心控制器来使用,因此,DVR发工作负担、连续工作时间、系统容量、所需要完成的功能等都是需要考虑的。一般DVR输入不超过16路,尽量不要让DVR同时工作在不间断录象和网络传输应用之中。

DVS——数字视频服务器,有的也成为网络是视频服务器,是当前数字监控系统的核心设备,当前流行的所谓网络摄象机事实上可以看作是模拟摄象机和视频服务器的组合。

在数字监控系统的设计中主要需要考察下面几点:

1、项目建设现场的网络资源情况

由于使用网络视频服务器的数字监控系统依赖于已经建设好的LAN/WAN,因此网络的情况将直接影响数字监控系统最终的建设;

2、系统摄象机的数量

与模拟系统一样必须确定摄象机的数量,这不仅决定视频服务器的数量和选择,更重要的是可以掌握系统所需的网络资源;

3、用户数量

数字监控系统中的用户根据级别的不同是通过专用软件或IE浏览方式访问前端摄象机图象的,确定用户数量尤其是同时访问的用户数量可以确定视频服务器软件用户授权的数量以及所需的网络资源;

4、录象功能的要求

当前视频服务器有的本身带有一定容量的硬盘,可以在前端实现数字录象,由远端的中心控制计算机与控制软件实现远程管理及图象的调用。但是绝大多数视频服务器是不能实现远端录象功能的,因此所有图象都需要通过网络在控制控制室进行图象录制,此时需要考察用户对录象的实际要求,包括实时性、分辨率、录象时间、档案保存时间等,以便正确选择存储介质及录象方式;

5、模拟监视通道的数量

在一个较大的监控系统中,用户都会需要将若干各图象连接到大屏幕显示设备或模拟监视器上进行图象的观察,因此必须要求视频服务器具有相应的设备将网络传输的数字视频压缩信号还原成模拟信号在显示设备上显示。
对于视频服务器来说,需要根据需求确定模拟还原图象的质量、需要还原图象的数量,以确定数字视频设备的选择,并且掌握系统所需的网络资源。

6、中心控制软件及功能

数字监控系统的核心设备是视频服务器,但真正的使用功能实现需要强大的软件功能来支持,因此设计时应该考察用户对实际使用时的功能要求,以此选择使用的视频服务器软件。

3.4.5 模拟与数字相结合的综合性监控系统设计

当前在监控要求较高的系统中更多的是以模拟与数字相结合的方式建设一个综合性监控系统,以模拟矩阵控制器为核心,充分发挥其功能强大、技术成熟、稳定性高的优势;补充DVR实现数字视频图象的录制,发挥数字录象质量高、磨损小、易查询的优点;DVS结合使用可以充分利用DVS的网络传输功能,为用户提供新数字视频技术带来的新功能。

在模拟与数字结合的方式设计中要按照上面介绍的步骤与过程进行设计以外,如果IP网络上的用户需要对前端设备进行控制时,需要将DVR的通讯端与矩阵控制器相连,以实现作为矩阵分控键盘的控制操作,此时需要注意下面几点:

1、 控制协议的兼容

IP网络用户对前端设备的控制需要通过DVS实现,因此DVS是否支持所选择矩阵控制协议是至关重要的;

2、同时支持的操作用户数量

IP网络上可以有多个用户同时访问DVS以获得图象资源,但对前端设备的控制将受到限制,也就是说需要连接到矩阵上作为分控键盘使用的DVS数量将直接决定IP网络上同时可以对不同前端摄象机控制操作用户的数量。

3.4.6 设备推荐

矩阵控制器:BOSCH(PHILIPS)、Pelco、Bewator(Molynx)、AB

DVR:Poswatch、大华(嵌入式),CREATOR(PC)式

DVS:Smartsight、先进视讯、Axis(网络摄象机)

3.5 显示设备的设计

专业监视器一直是电视监控系统的主要显示设备,在专业监视器的选择时主要考虑的是技术参数与前端设备的匹配问题以及可靠性,另外外型尺寸是否适合标准机架安装、设备功耗、设备的坚固程度、设备的散热、设备的外观等也是选择的参考指标。

主要品牌推荐:JVC、SONY、三星、Myway、CREATOR。

除了专业监视器以外,当前越来越多的监控项目中采用的大屏幕投影作为多屏拼接的主监视设备,无论是选择DLP投影、还是液晶投影设备,显示系统已经由单一的监视器显示设备变为一个各种信号格式的图象显示方案,以充分大屏幕投影的显示及使用功能的优势。一般来说,大屏幕投影可以提供如下功能:

*具有最大的灵活性。可以的投影墙上任意开出计算机和视频窗口。

*可实现多图层显示

*支持多屏图像拼接,整体效果一致,无变形。

*支持多路计算机信号、视频信号、网络信号。

*画面能够自由缩放、移动,不受物理拼缝的限制。

*系统控制软件,可以完成对大屏幕显示信号的选择,图像显示位置、大小的设定,以及投影系统的控制,显示系统操作方便。

大屏幕的基本配置为:投影单元(含内部图像处理器)、外部图像处理器、控制计算机(含控制软件)、视频切换矩阵、计算机信号切换矩阵、连接线缆、控制机柜。

在大屏幕投影的实际设计中,需要针对现场条件和显示要求,确定大屏幕的数量和信号显示数量,选择一定的投影品牌后,寻求大屏幕投影厂商直接的技术支持。

推荐品牌:Optoma、Barco、东芝、国产

四、电视监控系统技术设计文件的一般格式

通常技术设计应该依据项目招标书、技术规格书等建设单位发布文件的统一格式,但对一些没有具体规定格式的技术设计可以参考下面设计方案文件的一般格式。

第一章 概述

项目概况

项目需求分析

第二章 系统技术设计的原则与思想

系统应具有的特性

设计依据

第三章 主要相关设备简介

第四章 技术设计方案与建议

前端设备数量与布防点的确定

系统控制结构的设计

设备的选择与建议

其它技术建议

机房环境建议

防雷建议

供电统计与建议

信号的传输

其它特殊要求技术建议

第五章 系统结构实现与信号流程描述

第六章 用户使用功能的描述

第七章 系统可靠性分析

第八章 对技术规格书的逐条应答

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