网络中流媒体关键技术研究

第一篇：网络中流媒体关键技术研究

网络中流媒体关键技术研究

2004-2-9全新3G技术管理培训--摩托罗拉工程学院

张鲲 南京邮电学院

摘要 流媒体技术是在数据网络上以流的方式传输多媒体信息的技术。随着宽带网络的发展，流媒体技术的相关应用必将成为未来高速网络的主流应用之一。本文就流媒体的一些关键技术、机制和相关协议等方面做了较为详细的介绍。

关键词 流媒体 QoS 视频压缩 连续媒体分布服务 媒体同步引言

近年来，随着计算机技术、压缩技术以及网络技术的发展，网络中的流媒体业务也得到了飞速的发展和应用。所谓流媒体就是指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体。本文中着重介绍视频流。目前在Internet上传输视频还有许多困难，其根本原因在于Internet的无连接每包转发机制主要是为突发性的数据传输而设计的，不适用于对连续媒体流的传输。为了在Internet上有效地、高质量地传输视频流，还需要多种技术的支持，例如基于视频的压缩编码技术、应用层QoS技术、连续媒体分布服务、流服务器、媒体同步技术和相关协议等。

其中，原始视/音频经过视/音频压缩算法的预压缩存储在存储设备中。响应客户请求时，流服务器从存储设备中获得视/音频数据，应用层QoS控制模块根据网络状态和QoS要求来改变视/音频比特流。然后通过传输协议把压缩过的比特流打包并且发送到网上。由于拥塞数据包可能出现丢包或者过度时延。为了提高视/音频的传输质量，网络中配置了连续流媒体分布式服务。对于成功传输的数据包，它们首先通过传输层，然后在进行视/音频解码前经过应用层处理。为了获得在播放中的视频和音频的同步，还需要媒体同步机制。从上图中可以看出，这六个部分有着紧密的联系而且都是流媒体结构的组成部分。流媒体中的关键技术

2.1 视频压缩及编码

目前网络是异构性的，缺乏QoS质量控制，并且带宽也在很大范围内变化。传统的不可扩展性视频编码的目标是将视频压缩成适合一个或者几个固定码率的码流，是面向存储的，因此不适合网络传输。为了适应网络带宽的变化，面向传输的可扩展性编码的思想应运而生。可扩展性编码[2]就是将多媒体数据压缩编码成多个流，其中一个可以独立解码，产生粗糙质量的视频序列，它适应最低的网络带宽，称为基本层码流；其他的码流可以按层为单位在任何地点截断，称为增强层，用来覆盖网络带宽变化的动态范围，它们不可以单独解码，而只能与基本层和它以前的增强层联合在一起解码，用来提高观看效果。因此，可扩展

性码流具有一定的网络带宽适应能力。

可扩展性编码主要分为时域可扩展性编码、空域可扩展性编码和质量可扩展性编码。可以选择在时间、空间和信噪比（SNR）中的一个或者几个方面实现扩展。考虑到编码效率和复杂性两方面，MPEG组织采纳了精细可扩展性编码（FGS）和渐进的精细可扩展性编码（PFGS）[3]。精细可扩展性视频编码采用位平面（bitplane）编码，它的基本层使用基于分块运动补偿和DCT变换的编码方式达到网络传输的最低要求，增强层使用位平面编码技术对DCT残差进行编码来覆盖网络带宽的变化范围，它每一帧的增强层码流可以在任何地点截断，解码器重建的视频质量和收到并解码的比特数成正比，它可以实现连续的增强层速率控制。FGS虽然具有很好的可扩展性，但是效率太低，PFGS在保留了FGS所具有的网络带宽自适应和错误恢复能力的同时，还有效地提高了编码效率。但是可扩展性编码的效率较非可扩展性编码而言，还有一定差距。为了进一步压缩FGS和PFGS的基本层码流，有专家提出一种称为精细的空域可扩展性（Fine-Granularity Spatially Scalable,FGSS）的视频编码算法，使低分辨率和高分辨率的增强层码流都可以在任何地点截断，具有极强的网络带宽适应能力和错误恢复功能，同时保持了空域可扩展性编码的多分辨率特性，它可以满足拥有不同网络带宽和不同分辨率接收设备的许多用户的需求，性能得到了更大的提高。

结合多种视频编码技术来适应网络上的QoS波动是今后可扩展性视频编码的发展方向。比如，可扩展性视频编码可以适应网络带宽的变化；错误弹性编码可以适应丢包；DCVC（Delay Cognizant Video Coding）可以适应网络时延。这三种技术的结合可以更好地提供一种应对网络QoS波动的解决方案。

2.2 应用层QoS控制技术由于目前的Internet只提供Best-effort的服务，所以需要通过应用层的机制来实现QoS的控制。QoS控制技术主要集中在对网络带宽的变化进行响应和处理分组丢失的技术上，主要可以分为两类：拥塞控制技术和差错控制技术。

拥塞控制的目的是采用某种机制应对和避免网络阻塞，降低时延和丢包率。常用的拥塞控制机制有速率控制和速率整形。对于视频流，拥塞控制的主要方法是速率控制。速率控制机制试图使一个视频连接的需求与整个连接链路的可用带宽相匹配，这样可以同时使网络拥塞和包丢失率达到最小。速率控制机制主要包括基于源端的、基于目的的以及混合速率控制。在基于源端的控制机制中，视频源端收集反馈信息，进行控制计算并采取相应的控制动作。这种方法在因特网中被率先采用,但是在异构网络中的运行情况并不是很好。基于目的端的控制机制则主要根据所接收的视频流的状况向上层反映相应的统计信息，实时调整缓冲及播放内容，并力图使节奏均匀，这种机制使用较少。混合性速率控制的方法兼有前二者的特点，即目的端增加减少通道，而源端同时根据反馈调整各个通道的速率。混合速率控制方法的一个例子是目标集分组的方法。

拥塞控制只能减少数据包的丢失，但是网络中不可避免的会存在数据包丢失，而且到达时延过大的分组也会被认为没有用而被丢弃，从而降低了视频质量。要改善视频质量就需要一定的差错控制机制。差错控制机制包括：

（1）前向纠错（FEC）：FEC是通过在传输的码流中加入用于纠错的冗余信息，在遇到包丢失的情况时，利用冗余信息恢复丢失的信息。它的不足是增加了编码时延和传输带宽。

（2）延迟约束的重传。通常流的播放有时间限制，因此，仅有当重传的时间小于正常的播放时间时，重传才是有价值的。

（3）错误弹性编码（Error-Resilient Encoding）：在编码中通过适当的控制使得发生数据的丢失后能够最大限度的减少对质量的影响。在Internet环境下，最典型的方法是多描述编码（MDC）。MDC把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视觉质量。多个描述结合起来提供更好的质量。该方法的优点是实现了对数据丢失的鲁棒性和增强的质量。其缺点是相比单描述编码（SDC），它在压缩的效率上受到影响。而且由于在多描述之间必须加入一定的相关性信息，这进一步降低了压缩的效率。

（4）错误的取消（concealment）：错误的取消是指当错误已经发生后，接受端通过一定的方法尽量削弱对人的视觉影响。主要的方法是时间和空间的插值（Interpolation）。近年来的研究还包括最大平滑恢复，运动补偿时间预测等。

2.3 连续媒体分布服务

连续媒体分布服务（continuous media distribution services）的目的是在Internet 尽力服务的基础上提供QoS和高效的音/视频传输，包括网络过滤（Network Filtering）、应用层组播（Application-Level Multicast）、内容复制（Content Replication）等，下面分别进行详细介绍。

网络过滤：网络过滤是拥塞控制的一种，不仅可以提高视频质量，还可以提高带宽利用率。不同于发送端的速率整形，网络过滤是在流服务器和客户端之间的传输路径上通过虚拟信道连入过滤器，该过滤器根据网络的拥塞状态实现速率的整形。网络过滤通常采用的是丢帧过滤器（frame-dropping filter），其基本方法是客户端根据网络丢包率向过滤器发送请求来增减丢帧速率，以调节媒体流的带宽。这种速率整形可以在拥塞点进行，这样可以提高速率控制的效率和拥塞控制的响应时间。

应用层组播：IP层的组播存在诸如可扩展性、网络管理和对高层应用的支持（例如差错控制，流量控制和拥塞控制）等屏障。应用层组播机制打破了IP组播的一些障碍，其目的在于构建网络上的组播服务，可以以更灵活的方式实现组播控制。它允许独立的CSPs和ASPs等建立它们的Internet组播网络，这些组播网络可以互连成为更大的媒体组播网络。媒体组播网络可以利用内容分布网络的互连，通过在不同种类的服务提供者（比如ISPs、CSPs和ASPs等）之间的应用层的对等关系来构建。媒体组播网络中每个具有组播能力的节点称为媒体桥（MediaBridge），它做为应用层的路由。每个媒体桥和一个或多个相邻的媒体桥通过明确的配置互连，这个互连建立了应用层重叠拓扑。媒体桥在媒体组播网络中用分布式应用层组播路由算法来确定一条优化的虚拟组播路径。如果网络不通或者过度拥挤，媒体组播网络会自动的根据应用层路由规则来重新确定路径。并且，只有当下游客户端需要某媒体内容时，媒体桥才会传输它。这就确保了不管客户端的数目而只有一个媒体流，从而节约了网络带宽。

内容复制：内容/媒体复制是提高媒体传输系统可扩展性的一项重要技术。内容复制具有以下优点：

（1）降低网络连接的带宽消耗。

（2）减轻流服务器负荷。

（3）缩短客户端时延。

（4）提高有效性。它主要有两种形式：caching（缓存）和mirroring（镜像）。镜像是把原始媒体内容拷贝到网络上其他分散的备份服务器中。用户可以从最近的备份服务器上获得媒体数据。缓存则是从原服务器中获得媒体文件，然后传输给客户端，同时在本地做备份。如果缓存中已经存在客户端需要的数据，缓存就会把本地拷贝传给用户而不是从传送原服务器中的媒体数据。

2.4 流服务器视频服务器在流媒体服务中起着非常重要的作用。当视频服务器响应客户的视频流请求以后，它从存储系统读入一部分视频数据到对应于这个视频流的特定缓存中，再把缓存的内容通过网络接口发送给相应客户，保证视频流的连续输出。目前存在三种类型的视频服务器结构[4]：

（1）通用主机方法。采用计算机主机作为视频服务器。它的主要功能是存储、选择、传送数据。缺点是系统成本高而且不利于发挥主机功能。

（2）紧耦合多处理机。把一些可以大量完成某指令或者专门功能的硬件单元组合成的专用系统级联起来，就构成了紧耦合多处理机实现的视频服务器。这种服务器费用低、性能高、功能强，但是扩展性较差。

（3）调谐视频服务器。这种服务器主板上有一个独特微码的嵌入式仿真器控制。通过在主板中插入更多的服务通路，可以方便地进行扩展。

对于流服务器，如何更有效支持VCR交互控制功能；如何设计磁盘阵列上多媒体对象高效可靠的存储和检索；如何设计更好的可伸缩多媒体服务器；如何设计兼有奇偶和镜像特性的容错存储系统是目前研究的重点。

2.5 媒体同步

所谓媒体同步是指保持一个数据流或者不同媒体流之间的时间关系。通常有三种类型的 同步控制：流内（intra-stream）同步、流间（inter-stream）同步和对象间（inter-object）同步。由于网络时延，导致媒体流在传输过程中失去同步关系，媒体同步机制可以确保客户端正确地恢复媒体流的同步。媒体同步机制实际上就是在媒体内或者媒体间说明其时间关系。说明时间关系的方法有：基于间隔的方法、基于轴的方法、基于控制流的方法和基于事件的方法。对于连续媒体，应用最为广泛的说明方法是基于轴的说明或时间戳。时间戳法是在每个媒体的数据流单元中加进统一的时间戳或时间码，具有相同时间戳的信息单元将同时予以表现。在发送时，将各个媒体都按时间顺序分成单元，在同一个时间轴上，给每个单元都打上一个时间戳，处于同一时标的各个媒体单元具有相同的时间戳。在各个媒体到达终端后，让具有相同时间戳的媒体单元同时进行表现，这样就得到了媒体之间同步的效果。对与终端系统而言，同步机制包括阻止（preventive）机制和纠正（corrective）机制。前者是主要通

过减小延迟和抖动来减少同步错误，后者主要是在发生同步错误之后恢复同步。考虑到Internet传输的延迟随机性，同步错误是不可避免的。因此，在接受方的错误补偿是必须的。

另外，同步多媒体集成语言SMIL（Synchronized Multimedia Integration Language）是由3W(World Wide Web Consortium)组织规定的多媒体操纵语言。可以实现多个流和文本信息在播放时的时间同步控制和空间位置布置。通过SMIL还可以实现一定的用户交互功能。

2.6 流媒体相关协议

2.6.1 实时传输协议（RTP）与实时传输控制协议（RTCP）

RTP(Real-time Transport Protocol)和RTCP（Real-time Control Protocol）都是基于IP的应用层协议。RTP为实时音/视频数据提供端到端的传送服务，包括有效载荷类型标识、序列标号、时间标签和源标识，可以提供时间信息和实现流同步。由于TCP中重传机制会引起时延，通常RTP运行于UDP之上，但是也可以在TCP或者ATM等协议之上运行。RTP本身并不提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或者拥塞控制，而是通过与RTCP配合使用，使传输效率最佳。RTCP用来监视服务质量和在会议过程中交换信息。它提供QoS反馈、参与者标识、控制包缩放、媒体间同步等服务。RTCP包中包含已发数据包的数量、丢失数据包数量等统计资料。服务器可以根据这些信息动态的改变传输速率甚至有效载荷类型。

2.6.2 实时流协议（RTSP）RTSP（Real-time Streaming Protocol）是由RealNetworks和Netscape共同提出的一个应用层协议。它可以在媒体服务器和客户端之间建立和控制连续的音/视频媒体流，协同更低层协议RTP、RSVP等一起来提供基于Internet的整套流式服务。RTSP提供了一种可扩展框架，使得可控的、点播的实时数据的传送成为可能。它提供用于音频和视频流的“VCR模式”远程控制功能，例如暂停、快进、快退和定位。支持单播和组播。RTSP还提供选择发送通道的方法（如UDP、组播UDP和TCP）和基于RTP的发送机制。RTSP像是媒体服务器和客户端之间的“网络远程控制”，它提供多种服务，如从媒体服务器上检索媒体、邀请媒体服务器进入会议、添加媒体到现成节目。RTSP在语法和操作上类似于HTTP，因此许多HTTP的扩展机制都可以移植于RTSP上。在RTSP中，每个节目和媒体流由RTSP URL确定，全部节目和媒体特性都在节目描述文件中给予了描述，包括编码、语言、RTSP URLs、目的地址、端口号以及其他参数。但是，不同于HTTP的无状态和非对称，RTSP是有状态的、对称的协议。RTSP的服务器保持会话状态以连接RTSP流的请求，并且服务器和客户端都可以发出请求。

2.6.3 资源预留协议（RSVP）资源预留协议[5]（Resource Reserve Protocol）是运行于传输层的一个网络控制协议。RSVP允许数据流的接受方请求特殊的端到端QoS。RSVP是非路由协议，它同路由器协同工作，在传输路径的路由器上预留必要的带宽，减少网络的时延和抖动。RSVP的流程是单一的，并不区分发送方和接受方，且支持单播和组播，适应于可变成员个数和路由。RSVP领域的发展非常迅速，但是目前它的应用只限于在测试的小Intranet网络上。结论技术的进步和用户的需求促进了流媒体应用的迅速发展。在远程教育、数字图书馆、电子商务、视频点播、交互电视、远程医疗、网络音/视频、实时多媒体会议等方面，流媒体技术都起到很重要的作用。本文对网络中流媒体业务的关键技术和相关协议做了研

究，并探讨了未来流媒体技术发展的方向。我们相信，随着流媒体应用的不断普及，宽带流媒体技术及其应用必然会在未来的网络中发挥更重要的作用，并在一定程度上改变人们使用网络的方式。

参考文献

[1] Dapeng Wu,Yiwei Thomas Hou,Wenwu Zhu,Ya-Qin Zhang,Jon M.Peha.Streaming Video over the Internet:Approaches and Directions [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2001;11(3):282-300

[2] Marta Mrak,Mislav Grgic,Sonja Grgic.Scalable Video Coding in Network Applications[C].In:Video/Image Processing and Multimedia Communications 4th EURASIP-IEEE Region 8 International Symposium on VIPromCom,2002

[3] Feng Wu,Shipeng Li,Ya-Qin Zhang.Progressive Granular Scalable(PFGS)Video Using Advance-Predicted Bitplane Coding(APBIC)[C].In:the Proceedings of the 35th Annual Hawaii International Conference on System Sciences(HICSS35),Hawaii,USA,2002

[4] 吴国勇,邱学刚,万燕仔.流媒体技术与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2001

[5] Lixia Zhang,Stephen Deering,Deborah Estrin,Scott Shenker,Daniel Zappala.RSVP: A New Resource ReSerVation Protocol[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(5):116-127

第二篇：数字电视关键技术研究论文

摘要:科技的发展让电视界产生了革新性的变化,在技术力量的推动下,各种代表性的数字电视关键技术相继出现。近年来,我国数字电视得到了迅速的发展,已经基本实现普及。截止到目前为止,电视已经发展至三代,即数字电视,数字电子与传统模拟电视有着根本的区别,从发射起点至接收终端,每一个环节都离不开数字信号的支持。该文主要针对数字电视关键技术的应用与发展进行分析。

关键词:数字电视关键技术;应用;发展

在社会经济的发展下,电子产业得到了繁荣的发展,传统纸媒已经无法满足了人们的试听需求了,在这一背景下,新型媒体技术诞生,在新媒体中,电视的受众面是最广泛的。截止到目前为止,电视已经发展至三代,即数字电视,数字电子与传统模拟电视有着根本的区别,从发射起点至接收终端,每一个环节都离不开数字信号的支持。近年来,我国数字电视得到了迅速的发展,已经基本实现普及。

1数字电视传输技术的关键技术

1.1无线数字传输技术

随着现代科学技术的发展,无线数字传输广泛应用在信号传输中。该种技术原理是应用电视台制高点铁架发射出大量无线电波,这样用户就能够通过电视机信号接收器和无线天线接收到相关信号,从而欣赏到多种趣味的频道内容。这种技术不仅可以满足广大人群观看电视的要求,也可以在网络视频、车载影院中应用,具备优秀的实用性与稳定性。无线数字传输技术最明显的优势在于花费较低,操作简单,工作人员控制起来也非常方便。

1.2有线数字传输技术

相比与无线数字传输技术,有线技术通常需要光缆、同轴电缆相结合的方式进行传输。如今,我国乡村群众大都使用有线传输形式来接收电视节目与广播频道。整体来讲,不管是单向传输还是双向传输,有线数字传播技术的优点是具备非常好的稳定性,环境天气对它并没有什么影响。除此,这种信号强度大,信号分配均匀,这就使得有线数字传输技术在信号传输中占据着重要的地位。

1.3卫星传输技术

这是一种现代化的传输方式,卫星传输技术需要先对数字电视信号进行转换、并进行加工编码和数据压缩,之后传入电子系统,发射到卫星,然后在地球同步卫星上把数据传送到每个地面信号接收器,最后在地面接收器中完成信号的复原,实现数据的传输。这样不但可以完成对全国的信号传输,也不会受到空间、地理位置的约束,而且还可以保障高质量信号的传播,提供了稳定的传输信号。这种卫星传输技术的应用,能够最大程度地满足现在群众对电视节目与广播频道的观看需求,同时大力实现了卫星电视传输技术的推广。

1.4IPTV传输技术

IPTV传输技术是现代新型数字电视的代表形式之一,这种方式结合了多媒体、因特网、数字广播各项技术。通过多种技术的结合,更好地实现数字电视的传输。与其它技术的不同点在于,这项技术是以网络IP为核心,完成了对数字电视的传输。与其它的电视传输技术相比较,IPTV传输技术提供了自主选择节目的个性化服务,强调了观众的主导地位,节目更加迎合广大群众的兴趣。

1.5复用技术

复用技术属于数字电视的重点技术,主要使用了MPEG-2标准,从现阶段设备信息流向来分析,复用技术将音频、视频、数据中的数据实现了分组,将其进行复合处理,对信道进行调制与编码。复用技术的重要特点就是让输出传输流在输入信号的变化下发生变化,及时将这些变化反映至传输流之中。复用技术的应用不仅兼顾了数据的结构,也记录了有线电视、地面广播、卫星电视与计算机之间的互操作性。常见的复用技术包括一般复用技术与统计复用技术两种类型,前者将多个TS流信息汇总起来,不会改变原信息比特率,统计复用技术可以分析节目的情况,严格实施按需分配原则,在不影响节目质量的前提下进行动态分配。

2数字电视传输技术的发展趋势

2.1实现多种网络的融合随着DTMB方针的运行,也标志着我国的数字电视技术处在世界先进电视技术的前列。但是我国的各项电视数字传播技术起步较晚,都出现发展后续力量不足的现象。在现实的运行过程中不可避免的出现故障,不能最好地给人们提供广播电视传输技术服务。所以,研究者开始了将多种网络融合的方案,集各种网络(电信网、联通网、因特网)的优势,弥补各种网络的不足,为数字电视传输技术的发展提供了新方向。伴随着多种网络的共同快速发展,这种融合的优势将体现的淋漓尽致。

2.2实现高阶调制技术的广泛应用

如今,在数字电视发展中存在一个非常普遍的缺点,那就是频谱的应用效率较低。为了从根本上弥补这一不足之处,必须加大频谱的应用效率,需要推广高阶调制技术。数字传输技术在快速的发展,其主要的方面是运用新型的科技来提高频谱的效率,而且最大程度地增加传播范围。这样才能高效快速地提升频谱运行效率,从而提升数字电视传媒传输技术的使用率。

2.3向3D视觉效果方向发展

随着电影技术的快速提高,人们不断对影像带来的观赏乐趣益处了更多的要求。人们想要在欣赏影像的情节中,获得更多身临其境的感受。挂在墙上的动态图像根本满足不了现在人们对于真实场景的渴望。所以,新型3D电影技术的应用获得了广大的市场,并且3D技术迅速成熟,在各个行业中得到普及。随着3D电影的普及,用户仅仅通过一个3D眼镜就能够体会到观看真实电影的感受,有效提升了观感的层次。

2.44K传输技术的推广应用

3D电视的推广才刚刚开始,4K技术就应运而生。4K技术将人们熟知的HD高清信号从1,920×1,080的分辨率,提升到4,096×2,160的分辨率,它的像素点是HD高清信号的四倍以上。4K技术标志着视讯分辨率进入了一个崭新的时代,具有广阔的发展前景。

3结语

现在,我国的数字传输技术已经获得了较大的发展成果,但是依旧存在着一些不足之处。相信未来的数字电视传输技术有着更好的发展前景,相关学界需要在现在已有的基础上不断改进完善,从而为群众带来更加真实的视觉体验,提高人们的生活质量。

参考文献:

[1]高宇.广播地面数字电视技术的应用——以武隆电视台为例[J].西部广播电视,2016(2):194.[2]朱文胜.数字电视技术的应用与发展及其最新进展[J].西部广播电视,2015(7):192.[3]程汉婴,龚晓鸣.数字电视技术的发展和最新进展[J].中国有线电视,2012(2):127-129.

第三篇：碎石机CAD系统关键技术研究

龙源期刊网 http://.cn

碎石机ＣＡＤ系统关键技术研究

作者：张映故

来源：《沿海企业与科技》2009年第01期

[摘要]文章分析碎石机CAD辅助设计的基本原则和一般流程。提出基于单元库的设计思想，碎石机CAD辅助设计总体功能框架。重点分析和介绍自定义零件库的设计过程及实现方法。为了提高零件库设计的可复用性，采用元件数据库存储和管理零件库，定义数据库主要表单格式，给出主要的实现细节。

[关键词]CAD；碎石机；数据库；零件库；自定义

[作者简介]张映故，柳州职业技术学院机电工程系教师，研究方向：机械制造及加工，广西柳州，545006

[中图分类号]TD422.5 [文献标识码]A [文章编号]1007-7723(2009)01-0030-0004

第四篇：电动汽车充电站消防安全关键技术研究

电动汽车充电站消防安全关键技术研究

曹丽英1 郑斌2 黄昊1

（公安部上海消防研究所，上海200438；石家庄市公安消防支队，石家庄050000）

摘要：通过对我国电动汽车充电站设计、建设和管理中存在的消防安全问题进行广泛调研，研究分析了存在消防安全管理现状，有针对性对消防安全设计、管理等环节中充电站分类、选址和平面布局、火灾危险性、防火设计、消防设施配置等关键技术提出了相关的建议。关键词：电动汽车；充电站；消防安全

电动汽车产业链包括动力电池、整车、基础设施和运行管理等，以电动汽车充换电站为代表的充电配套基础设施则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。目前我国已有一百多个城市列入新能源汽车示范城市，京津冀、长三角、珠三角等大中型城市先后发布了清洁空气行动计划，均把大力推广新能源汽车作为发展绿色交通的主要任务。节能减排的任务需求以及新能源汽车的推广计划使得我国各大中城市电动汽车基础设施建设刻不容缓。

本文通过对现有充电站建设和管理中存在的问题进行分析，然后有针对性的提出电动汽车充电站建设和管理中消防安全的建议。

1.电动汽车充电站基本情况

电动汽车充电站[1]是指采用整车充电模式为电动汽车提供电能的场所，应包括3台及以上电动汽车充电设备（至少有1台非车载充电机），以及相关供电设备、监控设备等配套设备。

大、中型充电站建设采用配电变压器，两路电源供电；小型充电站采用单路低压电源供电，不设配电变压器。充电设备电气接口、通信规约、电气连接件符合相关技术标准要求，设计规范一致。

一个完整的充电站组成结构[2]包括供电系统、充电设备、监控系统及相应的配套设施四大部分。电动汽车充电站目前有传统型充电站、多层立体充电站、社区简易充电桩、地下车库充电桩、加油站充电站、储能式移动充电设备、无线充电站。据调查，深圳是北上广深四地中已建成并投入运营充电站最多的城市，目前已建成60多个充电站(包括公交车充电站在内)，完成了对全市范围的覆盖。电动汽车作为一种新生事物，充、换电站也是随着电动汽车的发展而逐步发展起来，虽然只有部分城市建立了充换电站，但近年来媒体报道的电动汽车火灾及充换电站火灾也屡见不鲜，2015年4月26日下午，深圳湾口岸中国普天力能加电站内，一辆大巴车内的蓄电池组突然冒烟，随后起火并蔓延至全车。后经专家组鉴定，事故直接原因是：车辆动力电池充满电后，动力电池过充电72分钟，过充电量58kWh，造成多个电池箱先后发生动力电池热失控、电解液泄漏，引起短路，导致火灾。调查组还特别提醒，过充是目前电动车火灾的主要原因，各方面要高度重视，采取有效措施。

基金项目：国家科技支撑计划课题（2015BAG07B00），上海市科委项目（16DZ2292600）作者简介 曹丽英，女，硕士，公安部上海消防研究所，副研究员，从事灭火理论研究，E-mail：clying_0@126.com

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相比于传统汽车火灾，此次电动汽车充电站内的电动大巴火灾的扑救具有一定的特殊性。首先，灭火困难，站内配备的消防设施无法扑灭电动大巴车火灾：站内配置的灭火器均为手提式或推车式水基型灭火器，未设置室内外消火栓，站内充电站控制室外侧设置有两个圆形沙池。火灾发生时，站内人员闻到车尾部有气味并并伴随白烟冒出，使用站内水基型灭火器对冒烟部位进行喷射，均无法抑制火焰，随后车侧面部位开始起火，火势立刻难以控制。消防人员到达火场时，站内人员不同意使用水枪灭火，在将站内的近二十具水基型灭火器和其他车辆上取下的干粉灭火器全部用光也无法控制火势，随后消防员要求使用水枪灭火，否则无法达到降温目的，数分钟后火焰得到控制。最后，消防员将高压线剪短，电池拖出后用沙土掩埋，以防止复燃。整个灭火过程持续约2个小时。其次，消防站结构简单，火灾损失小：充电站为钢筋混凝土框架结构，站内可燃物不多，故未引起大范围的燃烧。顶部的广告牌和顶棚，由于采用的阻燃材料，只有部分被烧毁。

电动汽车充电站建设和投入使用较早的地区，已有一定数量的火灾或爆炸事故发生，随着电动汽车产业的快速发展，充电站等基础设施在全国的大规模建设，电动汽车充电站内消防安全必须引起我们的高度重视。电动汽车充电站消防安全管理现状

2.1现有消防标准规范无法解决防火设计问题

电动汽车充电站建筑结构多样，功能也与传统建筑具有很大的不同，动力电池火灾危险性的存在成为充电站防火设计的难点。目前电动汽车充电站消防设计和审批验收缺乏专门的标准规范依据，导致既有电动汽车充换电站部分陷入停运状态，且新建站点无法通过消防审批就开始投入运营。

以往针对充换电站建设的标准规范多为地方或行业根据需求编制的地方标准或行业标准[3-6]，主要有深圳市地方标准《电动汽车充电系统技术规范 第2部分：充电站及充电桩设计规范》SZDB/Z 29.2（以往时2011版，现在正在修订）和南方电网公司的企业标准《电动汽车充电站及充电桩设计规范》 Q/CSG 11516.2，随着电动汽车的快速发展，2014年住建部发布了国家工程建设标准《电动汽车充电站设计规范》GB 50966-2014，使得电动汽车充电站设计上升到国家标准。然而这些标准规范中对电动汽车充电站设计要求普遍存在如下问题：

1.未正确认识电动汽车的危险性，大多数规范均将供电、充电系统作为充换电站最大的危险源，忽略了车上动力电池危险性的存在。

2.防火设计要求不具体，可操作性差。由于动力电池火灾危险性未被明确，且大多规范编制过程中缺少公安消防专业人士的参与，故对于防火间距、耐火等级无具体要求。

3.消防设施的设置要求不明确。对于室内外消火栓、自动灭火系统、火灾自动报警系统、灭火器的配置等要求不明确，甚至存在互相矛盾的地方，如对室内外消火栓需设置和不需设置即存在不同的要求。

4.现行充换电站建设已与现行规范相矛盾。如《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》GB 50067-2014中“4.1.8 地下、半地下汽车库内不应设置修理车位、喷漆间、充电间、乙炔间和甲、乙类物品库房”，但由于目前很多城市面临用地紧张的问题，现已投入使用的很多电动汽车充电桩均设置在了地下停车库内，使得消防审批更难得到落实。

2.2 消防设施配置情况复杂，消防安全管理缺失

经调研，目前已经建成并投入使用的充换电站内存在如下的消防安全问题：

1.现有消防设施配置情况复杂，灭火效果不明确。电动汽车充电站内设置主要有室内消火栓箱、推车式或手提式水基型或干粉灭火器、灭火毯、消防沙等。国外相关资料显示，大量持续的消防水是扑灭电动汽车火灾最有效的方法，而目前很多充电站内出于水导电的顾虑，大多未设置室内消火栓，消防员灭火时只能依靠市政供水或消防车供水，给火灾扑救带来一

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定的困难。根据以往的火灾案例来看，灭火器对于扑灭电动汽车火灾效果不明显，甚至无法控制火灾的发展。消防沙池的设置往往距离充电站较远，若车辆发生火灾，消防沙运送过去时间较长，且火势一旦蔓延开来，人员无法靠近，便无法将消防沙释放到火场中。

2.消防安全管理未得到重视，消防设施使用状况不佳。有专人管理的电动公交车充电站，基本都设置了安全管理规定和应急操作规程，站内人员均经过一定的消防安全培训，消防设施配置虽然不统一，但基本都有配置，且有专人管理，均处于可用状态。无人看管的私人电动小轿车充电站往往无消防安全管理规定，且大多未配置消防设施或消防设施处于无法使用状态，存在很大的消防安全隐患。

因此，亟需制定相应的国家工程建设标准，使得充换电站消防安全规定和审批验收要求能够有据可依，以有效控制和降低其火灾风险。电动汽车充电站消防安全关键技术及建议

电动汽车充电站防火设计中，急需解决充换电站分类、火灾危险性、选址、平面布置、防火设计、消防设置配置、火灾事故处置等问题。

3.1 充电站分类

经调研，目前在建的电动汽车充电站选址、建筑面积、运营能力等具有较大的差异，充电站种类多，体量大。周边建筑物有住宅、宿舍、学校建筑或商务楼等，与周边建筑的距离大多较近，有的直接设置在建筑物的外墙，有些毗邻建筑物只有1m的距离。建筑规模从28㎡至6880㎡不等。运营能力从3辆到一百多辆不等。因此，在防火设计中要根据建筑类型、规模、选址、运营能力等进行分类，并有针对性的提出消防安全要求。

3.2 充电站火灾危险性

充电站建筑内火灾危险性主要来自车载动力电池，换电站内大量储存的电池使得火灾危险性进一步增加。动力电池由正极、负极、电解液、隔膜和包装材料等组成，动力电池生产企业中常使用的电池原料主要有溶剂和电解液。电解液和溶剂的闪点都较低，最低的仅16℃，根据GB50016《建筑设计防火规范》，对于液体物质采用闪点来衡量其火灾危险性，电池危险性为甲类。因此，以充电为主的电动汽车充电站，由于锂离子电池数量较少，且危险源不固定的原因，可根据充电站的规模及采取的防火措施来认定具体火灾危险性。

3.3 充电站选址、平面布局

首先应确定不宜设置在地下车库。但由于城市用地紧张，许多城市都把充电站设置在地下停车库中，相比传统车，具有特殊的危害性：电动汽车火灾产生大量有毒有害气体；电动汽车具有爆炸风险。因此，对于电动汽车充电站选址和平面布局应重点考虑如下：

1.宜设置在地面一层，如必须设置在地下时，不应设置在地下两层及以下的楼层。2.充电站应设置在人员密集场所的常年主导风向的下风向。不应设置在人员密集场所的主出入口。

3.4 充电站防火设计

充电站由于存储锂电池的数量和规模的不同，防火设计应分开考虑。《建筑设计防火规范》作为建（构）筑物防火设计的基本规范，应尽量参照此规范，然而，在无法满足的情况下，应根据电池火灾特点对电动汽车充电站采取一些额外措施，以保障充换电站消防安全。如考虑到电池飞溅，现有距离居民区较近的充换电站建议增加防飞溅的铁丝网；储存电池的地方建议增加防撞装置，避免因撞击引起电池短路而发生事故。

3.5 充电站消防设施设置

充电站消防设施应包括灭火系统，自动报警系统、防排烟设施等。

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对于灭火系统，目前关于电动汽车电池火灾的灭火技术研究的文献较少[7-8]，甚至这些少量文献中关于电动汽车火灾灭火技术的描述都存在相互矛盾的地方。但是大量持续的消防水对于电动汽车火灾的降温和隔绝氧气等具有很好的效果，因此，建议在充换电站内设置室内消火栓、室外消火栓，以满足火灾时消防车辆的用水。其次，对各类灭火剂、灭火系统的有效性展开实验研究，研究或开发能够有效扑灭锂电池火灾的灭火系统。

对于自动报警系统，根据动力电池火灾特点，动力电池燃烧前内部温度升高，且伴随有大量的气体产生，电池内部温度升高有电池管理系统（BMS）进行监控，可以辅助报警，因此，应特别要求电池管理系统与消防监控系统进行联动。同时，应采用可燃气体报警装置或感烟报警系统增加火灾的预警。

对于防排烟设施，现有的地面充换电站一般为敞开式建筑，密闭空间较少。而设置在地下的充电站，火灾时的排烟问题也是重点、难点问题，应展开系统研究，尤其是大量有毒有害气体的排烟问题。结论

电动汽车充电站在设计、建设和消防安全管理方面存在一定的问题，但是伴随着国家战略体系的部署，面对电动汽车产业快速发展的现状，电动汽车充电站作为电动汽车行业发展中不可缺少的基础设施，其技术必须紧跟电动汽车的发展步伐。因此，相关产业和部门应加快相关研究，提出具体措施，尤其尽快制定相应的标准规范，使得电动汽车充电站的管理和运行更加规范和有序，满足电动汽车行业快速发展对基础设施的需求，保障电动汽车行业的健康发展。

参考文献

[1] GB50966.电动汽车充电站设计规范[S].[2] 徐海明等.电动汽车充电站运行与维护设计.中国电力出版社, 2012.[3] GB 50016-2014.建筑设计防火规范[S].[4] GB 50067-2014.汽车库、修车库、停车场设计防火规范[S].[5] GB50156-2013.汽车加油加气站设计与施工规范[S].[6] DG/TJ08-2093-2012.电动汽车充电基础设施建设设计规范[S].[7] National Fire Protection Association.Electric Vehicle Emergency Field Guide.Quincy, MA.2014.[8] R.Thomas Long Jr et.Best Practices for Emergency Response to Incidents Involving Electric Vehicles Battery Hazards: A Report on Full-Scale Testing Results: The Fire Protection Research Foundation, 2013.第4 页

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第五篇：继电保护电力系统关键技术研究的论文

摘要：随着市场对电能在质量方面、稳定性方面要求越来越高，电力企业应不断电能供应的能力及电力系统的保护，特别是对于短路故障提出针对性的解决措施，确保电能持续稳定供应。文章介绍了继电保护电力系统短路故障及原因，然后具体分析短路保护技术，最后提出继电保护电力系统短路故障处理措施。

关键词：继电保护；电力系统；短路保护；关键技术

前言

近年来，科学技术不断升级，电力系统短路保护关键技术取得了良好的应用效果，在继电保护电力系统中频繁应用，这对电力系统有序运行，电力系统安全性提升有重要意义。此外，短路保护关键技术还能起到短路故障几率降低、电力资源节约的作用，能够扩大电力企业经济利润空间。本文这一论题具有探究必要性，论题分析的现实意义较显著。

1继电保护电力系统短路故障及原因

1.1故障

继电保护电力系统启动、运行期间极易发生短路故障，常见故障集中体现在电力用户、绝缘体、三项系统等方面，针对常见短路故障处理时，应首先了解短路故障产生的原因，这能为短路故障处理、短路保护关键技术应用提供机会。

1.2原因

对于电力用户故障：电力系统建设存在明显区域差异，主要因为不同区域经济水平、人口数量不尽相同，人口数量较多的区域，电力资源需求相应增多，电力系统建设活动随之增加，同时，电力用户故障发生频率较高。人口密度较大的区域存在线路老化、线路破损等现实问题，主要原因即电力用户使用电力设备、电线时间过长，如果电力设备未能及时维修、养护，电线未能及时更换，极易产生安全事故。对于绝缘体故障：电力系统导体存在差异，导体保护工作一旦被忽视，那极易出现短路故障，其中，最为重要的原因即绝缘体破损，导致电力系统稳定性得不到保证。一旦绝缘体性能降低，那么绝缘作用会逐渐削弱，电流流通得不到有效控制，当流通电流超过规定的电流值时，则电力系统短路故障发生几率会提高，影响电力系统安全性。对于三项系统故障：这一故障主要指的是横向故障，故障产生的原因即三项阻抗非正常运行，故障表现为单相接地短路、三相短路、两相接地短路等。这类故障发生几率虽然不高，一旦出现三项系统故障，会大大降低电力系统稳定性，并且影响范围会逐渐扩大[1]。

2短路保护技术具体分析

短路保护技术分析主要从智能保护、相电流保护、熔断器保护、零序电流保护四方面入手，具体分析如下。

2.1智能保护

二十世纪九十年代，继电保护电力系统运行应用PLC技术，即基于智能保护模块安装智能监控装置，以便动态掌握员工工作行为，以及相关参数变化情况。智能保护工作具体落实，能够及时掌握短路、电压变化、漏电、负荷超标、热量集中等情况。

2.2相电流保护

参照短路电流故障数据，借助机械设备保护电力系统。相电流保护期间，首先获取电流于互感器设备，使其构成回路常闭节点，通过电磁力抵消弹簧压力的方式来实现保护目标。

2.3熔断器保护

以往电力系统短路保护方式主要为电流增大、电流自动切断，这种保护方式被称为熔断器保护。熔断器保护组件一旦受损，需要立即更换，因为保护组件不支持多次使用，如果保护组件更换不及时，那么短路保护操作存在较大的安全隐患，还会影响电力系统稳定性。当前，电流系统不断升级，应用熔断器的过程中，极易因单个熔断器熔断，而影响其余熔断器应用效果，对此，应用相应技术予以改善，尽最大可能保证电力系统稳定性。

2.4零序电流保护

短路故障产生后，零序电流保护工作应及时跟进，争取在短时间保证电流相位有序运行，提高电力系统运行稳定性。因此，电力企业应给予足够关注，有序梳理电流系统，避免电流紊乱运行，这能大大降低短路故障发生几率[2]。

3继电保护电力系统短路故障处理措施

继电保护电力系统短路故障事先预知、及时处理的有效措施介绍如下，这能大大降低短路故障发生几率，确保电力资源稳定、顺利供应，全面保障电力系统安全性。

3.1合理安装避雷装置

一旦遇到雷雨天气，电力系统遭受雷击、导致线路损坏的几率较高，同时，还伴随停电、火灾等事件，这种突发事件极易影响人类用电的规律性。为了处理这一方面的短路故障，应在变电站设备附近合理安装避雷装置，避免雷击产生电力事故，导致电力系统安全性受到不利影响。具体安装时，应优选适合避雷装置，在类型、功能等方面细致筛选，尽可能发挥避雷装置的功用性。需要注意的是，壁垒装置连接应注意连接线路安全性，以免因线路连接不当产生其他安全事故。

3.2准确切断故障点电源

继电保护电力系统内部结构间紧密连接，一旦某一结构出现异常，那么其他结构会自然受到影响，进而影响整体稳定性。对此，应及时处理故障电路，以免扩大故障范围。电力系统短路故障预防的过程中，根据系统故障状态缩小故障范围，直到锁定故障位置，在这一过程中，细分故障类型，探究故障形成的原因，待基本问题准确判定后，快速切断故障点电源，确保检修工作顺利开展，缩小短路故障带来的不利影响。除此之外，工作人员能够利用万能表完成短路电流预测，并记录电流参数变化情况，这能为后期短路故障分析提供依据，同时，还能为电路调整提供可靠参考。其中，万能表应用期间应掌握应用步骤，首先，断开电源，将装置开关调节至蜂鸣器档位，然后，连接待测试端子于表笔，如果蜂鸣器传递信号，并显示较低导通电压值后，则证实测点确实出现短路故障。

3.3加强电力系统日常维护

要提高电力系统运行安全性，务必做好日常维护、定期检修工作，尽可能降低短路故障现象发生几率。日常维护工作执行时，应从以下几方面措施入手。首先，为电力员工组织系统化培训工作，尽可能提高员工操作技能，丰富员工工作经验，同时，为电力员工适当组织实训活动，避免员工实践操作时出现失误。然后，全面掌握继电保护电力系统运行情况，记录待确定因素，并针对短路故障制定有效的处理方案，在这一过程中，适当借鉴发达国家在短路故障处理方面的技巧，调用已学理论知识以及丰富的实践经验，确保最终确定的短路故障处理方案能够真正起到继电保护电力系统维护的积极作用，以此降低短路故障发生几率。最后，提高先进信息技术应用率，应用监控技术全面掌握继电保护电力系统运行状态，将监测结果通过网络连接传输于上级部门，以便准确判断短路故障，同时，这能为电力设备维护、检修提供可靠依据，以免类似故障重复发生[3]。

4结束语

综上所述，继电保护电力系统一旦出现短路故障，则说明电力系统事先短路故障预防工作不到位，因此，电力企业以及电力员工、用户应共同预防短路故障，结合短路故障现状应用适合的短路保护关键技术，以此维护电力系统安全。通过合理安装避雷装置、准确切断故障点电源、加强电力系统日常维护等措施来全面处理继电保护电力系统短路故障，通过降低电力系统故障来提高电力系统运行稳定性，这对电力企业经济效益增加、电力行业持续发展有重要作用。此外，短路保护关键技术的应用范围会逐渐扩大，有利于提高短路保护关键技术应用效率。

参考文献：

[1]杨跃.继电保护电力系统的短路保护[J].电子技术与软件工程，2018（08）：225-227.[2]钟康有.电力系统继电保护自适应系统关键技术分析[J].科技与创新，2016（12）：160.[3]冯建勤，黄思芳，宋海龙.短路电流非周期分量及其在继电保护中的应用[J].电工电气，2014（12）：35-38.