第一篇：網絡中流媒體關鍵技術研究

網絡中流媒體關鍵技術研究

2004-2-9全新3G技術管理培訓--摩托羅拉工程學院

張鯤 南京郵電學院

摘要 流媒體技術是在數據網絡上以流的方式傳輸多媒體信息的技術。隨著寬帶網絡的發展，流媒體技術的相關應用必將成為未來高速網絡的主流應用之一。本文就流媒體的一些關鍵技術、機制和相關協議等方面做了較為詳細的介紹。

關鍵詞 流媒體 QoS 視頻壓縮 連續媒體分布服務 媒體同步引言

近年來，隨著計算機技術、壓縮技術以及網絡技術的發展，網絡中的流媒體業務也得到了飛速的發展和應用。所謂流媒體就是指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術的連續時基媒體。本文中著重介紹視頻流。目前在Internet上傳輸視頻還有許多困難，其根本原因在于Internet的無連接每包轉發機制主要是為突發性的數據傳輸而設計的，不適用于對連續媒體流的傳輸。為了在Internet上有效地、高質量地傳輸視頻流，還需要多種技術的支持，例如基于視頻的壓縮編碼技術、應用層QoS技術、連續媒體分布服務、流服務器、媒體同步技術和相關協議等。

其中，原始視/音頻經過視/音頻壓縮算法的預壓縮存儲在存儲設備中。響應客戶請求時，流服務器從存儲設備中獲得視/音頻數據，應用層QoS控制模塊根據網絡狀態和QoS要求來改變視/音頻比特流。然后通過傳輸協議把壓縮過的比特流打包并且發送到網上。由于擁塞數據包可能出現丟包或者過度時延。為了提高視/音頻的傳輸質量，網絡中配置了連續流媒體分布式服務。對于成功傳輸的數據包，它們首先通過傳輸層，然后在進行視/音頻解碼前經過應用層處理。為了獲得在播放中的視頻和音頻的同步，還需要媒體同步機制。從上圖中可以看出，這六個部分有著緊密的聯系而且都是流媒體結構的組成部分。流媒體中的關鍵技術

2.1 視頻壓縮及編碼

目前網絡是異構性的，缺乏QoS質量控制，并且帶寬也在很大范圍內變化。傳統的不可擴展性視頻編碼的目標是將視頻壓縮成適合一個或者幾個固定碼率的碼流，是面向存儲的，因此不適合網絡傳輸。為了適應網絡帶寬的變化，面向傳輸的可擴展性編碼的思想應運而生。可擴展性編碼[2]就是將多媒體數據壓縮編碼成多個流，其中一個可以獨立解碼，產生粗糙質量的視頻序列，它適應最低的網絡帶寬，稱為基本層碼流；其他的碼流可以按層為單位在任何地點截斷，稱為增強層，用來覆蓋網絡帶寬變化的動態范圍，它們不可以單獨解碼，而只能與基本層和它以前的增強層聯合在一起解碼，用來提高觀看效果。因此，可擴展

性碼流具有一定的網絡帶寬適應能力。

可擴展性編碼主要分為時域可擴展性編碼、空域可擴展性編碼和質量可擴展性編碼。可以選擇在時間、空間和信噪比（SNR）中的一個或者幾個方面實現擴展。考慮到編碼效率和復雜性兩方面，MPEG組織采納了精細可擴展性編碼（FGS）和漸進的精細可擴展性編碼（PFGS）[3]。精細可擴展性視頻編碼采用位平面（bitplane）編碼，它的基本層使用基于分塊運動補償和DCT變換的編碼方式達到網絡傳輸的最低要求，增強層使用位平面編碼技術對DCT殘差進行編碼來覆蓋網絡帶寬的變化范圍，它每一幀的增強層碼流可以在任何地點截斷，解碼器重建的視頻質量和收到并解碼的比特數成正比，它可以實現連續的增強層速率控制。FGS雖然具有很好的可擴展性，但是效率太低，PFGS在保留了FGS所具有的網絡帶寬自適應和錯誤恢復能力的同時，還有效地提高了編碼效率。但是可擴展性編碼的效率較非可擴展性編碼而言，還有一定差距。為了進一步壓縮FGS和PFGS的基本層碼流，有專家提出一種稱為精細的空域可擴展性（Fine-Granularity Spatially Scalable,FGSS）的視頻編碼算法，使低分辨率和高分辨率的增強層碼流都可以在任何地點截斷，具有極強的網絡帶寬適應能力和錯誤恢復功能，同時保持了空域可擴展性編碼的多分辨率特性，它可以滿足擁有不同網絡帶寬和不同分辨率接收設備的許多用戶的需求，性能得到了更大的提高。

結合多種視頻編碼技術來適應網絡上的QoS波動是今后可擴展性視頻編碼的發展方向。比如，可擴展性視頻編碼可以適應網絡帶寬的變化；錯誤彈性編碼可以適應丟包；DCVC（Delay Cognizant Video Coding）可以適應網絡時延。這三種技術的結合可以更好地提供一種應對網絡QoS波動的解決方案。

2.2 應用層QoS控制技術由于目前的Internet只提供Best-effort的服務，所以需要通過應用層的機制來實現QoS的控制。QoS控制技術主要集中在對網絡帶寬的變化進行響應和處理分組丟失的技術上，主要可以分為兩類：擁塞控制技術和差錯控制技術。

擁塞控制的目的是采用某種機制應對和避免網絡阻塞，降低時延和丟包率。常用的擁塞控制機制有速率控制和速率整形。對于視頻流，擁塞控制的主要方法是速率控制。速率控制機制試圖使一個視頻連接的需求與整個連接鏈路的可用帶寬相匹配，這樣可以同時使網絡擁塞和包丟失率達到最小。速率控制機制主要包括基于源端的、基于目的的以及混合速率控制。在基于源端的控制機制中，視頻源端收集反饋信息，進行控制計算并采取相應的控制動作。這種方法在因特網中被率先采用,但是在異構網絡中的運行情況并不是很好。基于目的端的控制機制則主要根據所接收的視頻流的狀況向上層反映相應的統計信息，實時調整緩沖及播放內容，并力圖使節奏均勻，這種機制使用較少。混合性速率控制的方法兼有前二者的特點，即目的端增加減少通道，而源端同時根據反饋調整各個通道的速率。混合速率控制方法的一個例子是目標集分組的方法。

擁塞控制只能減少數據包的丟失，但是網絡中不可避免的會存在數據包丟失，而且到達時延過大的分組也會被認為沒有用而被丟棄，從而降低了視頻質量。要改善視頻質量就需要一定的差錯控制機制。差錯控制機制包括：

（1）前向糾錯（FEC）：FEC是通過在傳輸的碼流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時，利用冗余信息恢復丟失的信息。它的不足是增加了編碼時延和傳輸帶寬。

（2）延遲約束的重傳。通常流的播放有時間限制，因此，僅有當重傳的時間小于正常的播放時間時，重傳才是有價值的。

（3）錯誤彈性編碼（Error-Resilient Encoding）：在編碼中通過適當的控制使得發生數據的丟失后能夠最大限度的減少對質量的影響。在Internet環境下，最典型的方法是多描述編碼（MDC）。MDC把原始的視頻序列壓縮成多位流，每個流對應一種描述，都可以提供可接受的視覺質量。多個描述結合起來提供更好的質量。該方法的優點是實現了對數據丟失的魯棒性和增強的質量。其缺點是相比單描述編碼（SDC），它在壓縮的效率上受到影響。而且由于在多描述之間必須加入一定的相關性信息，這進一步降低了壓縮的效率。

（4）錯誤的取消（concealment）：錯誤的取消是指當錯誤已經發生后，接受端通過一定的方法盡量削弱對人的視覺影響。主要的方法是時間和空間的插值（Interpolation）。近年來的研究還包括最大平滑恢復，運動補償時間預測等。

2.3 連續媒體分布服務

連續媒體分布服務（continuous media distribution services）的目的是在Internet 盡力服務的基礎上提供QoS和高效的音/視頻傳輸，包括網絡過濾（Network Filtering）、應用層組播（Application-Level Multicast）、內容復制（Content Replication）等，下面分別進行詳細介紹。

網絡過濾：網絡過濾是擁塞控制的一種，不僅可以提高視頻質量，還可以提高帶寬利用率。不同于發送端的速率整形，網絡過濾是在流服務器和客戶端之間的傳輸路徑上通過虛擬信道連入過濾器，該過濾器根據網絡的擁塞狀態實現速率的整形。網絡過濾通常采用的是丟幀過濾器（frame-dropping filter），其基本方法是客戶端根據網絡丟包率向過濾器發送請求來增減丟幀速率，以調節媒體流的帶寬。這種速率整形可以在擁塞點進行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的響應時間。

應用層組播：IP層的組播存在諸如可擴展性、網絡管理和對高層應用的支持（例如差錯控制，流量控制和擁塞控制）等屏障。應用層組播機制打破了IP組播的一些障礙，其目的在于構建網絡上的組播服務，可以以更靈活的方式實現組播控制。它允許獨立的CSPs和ASPs等建立它們的Internet組播網絡，這些組播網絡可以互連成為更大的媒體組播網絡。媒體組播網絡可以利用內容分布網絡的互連，通過在不同種類的服務提供者（比如ISPs、CSPs和ASPs等）之間的應用層的對等關系來構建。媒體組播網絡中每個具有組播能力的節點稱為媒體橋（MediaBridge），它做為應用層的路由。每個媒體橋和一個或多個相鄰的媒體橋通過明確的配置互連，這個互連建立了應用層重疊拓撲。媒體橋在媒體組播網絡中用分布式應用層組播路由算法來確定一條優化的虛擬組播路徑。如果網絡不通或者過度擁擠，媒體組播網絡會自動的根據應用層路由規則來重新確定路徑。并且，只有當下游客戶端需要某媒體內容時，媒體橋才會傳輸它。這就確保了不管客戶端的數目而只有一個媒體流，從而節約了網絡帶寬。

內容復制：內容/媒體復制是提高媒體傳輸系統可擴展性的一項重要技術。內容復制具有以下優點：

（1）降低網絡連接的帶寬消耗。

（2）減輕流服務器負荷。

（3）縮短客戶端時延。

（4）提高有效性。它主要有兩種形式：caching（緩存）和mirroring（鏡像）。鏡像是把原始媒體內容拷貝到網絡上其他分散的備份服務器中。用戶可以從最近的備份服務器上獲得媒體數據。緩存則是從原服務器中獲得媒體文件，然后傳輸給客戶端，同時在本地做備份。如果緩存中已經存在客戶端需要的數據，緩存就會把本地拷貝傳給用戶而不是從傳送原服務器中的媒體數據。

2.4 流服務器視頻服務器在流媒體服務中起著非常重要的作用。當視頻服務器響應客戶的視頻流請求以后，它從存儲系統讀入一部分視頻數據到對應于這個視頻流的特定緩存中，再把緩存的內容通過網絡接口發送給相應客戶，保證視頻流的連續輸出。目前存在三種類型的視頻服務器結構[4]：

（1）通用主機方法。采用計算機主機作為視頻服務器。它的主要功能是存儲、選擇、傳送數據。缺點是系統成本高而且不利于發揮主機功能。

（2）緊耦合多處理機。把一些可以大量完成某指令或者專門功能的硬件單元組合成的專用系統級聯起來，就構成了緊耦合多處理機實現的視頻服務器。這種服務器費用低、性能高、功能強，但是擴展性較差。

（3）調諧視頻服務器。這種服務器主板上有一個獨特微碼的嵌入式仿真器控制。通過在主板中插入更多的服務通路，可以方便地進行擴展。

對于流服務器，如何更有效支持VCR交互控制功能；如何設計磁盤陣列上多媒體對象高效可靠的存儲和檢索；如何設計更好的可伸縮多媒體服務器；如何設計兼有奇偶和鏡像特性的容錯存儲系統是目前研究的重點。

2.5 媒體同步

所謂媒體同步是指保持一個數據流或者不同媒體流之間的時間關系。通常有三種類型的 同步控制：流內（intra-stream）同步、流間（inter-stream）同步和對象間（inter-object）同步。由于網絡時延，導致媒體流在傳輸過程中失去同步關系，媒體同步機制可以確保客戶端正確地恢復媒體流的同步。媒體同步機制實際上就是在媒體內或者媒體間說明其時間關系。說明時間關系的方法有：基于間隔的方法、基于軸的方法、基于控制流的方法和基于事件的方法。對于連續媒體，應用最為廣泛的說明方法是基于軸的說明或時間戳。時間戳法是在每個媒體的數據流單元中加進統一的時間戳或時間碼，具有相同時間戳的信息單元將同時予以表現。在發送時，將各個媒體都按時間順序分成單元，在同一個時間軸上，給每個單元都打上一個時間戳，處于同一時標的各個媒體單元具有相同的時間戳。在各個媒體到達終端后，讓具有相同時間戳的媒體單元同時進行表現，這樣就得到了媒體之間同步的效果。對與終端系統而言，同步機制包括阻止（preventive）機制和糾正（corrective）機制。前者是主要通

過減小延遲和抖動來減少同步錯誤，后者主要是在發生同步錯誤之后恢復同步。考慮到Internet傳輸的延遲隨機性，同步錯誤是不可避免的。因此，在接受方的錯誤補償是必須的。

另外，同步多媒體集成語言SMIL（Synchronized Multimedia Integration Language）是由3W(World Wide Web Consortium)組織規定的多媒體操縱語言。可以實現多個流和文本信息在播放時的時間同步控制和空間位置布置。通過SMIL還可以實現一定的用戶交互功能。

2.6 流媒體相關協議

2.6.1 實時傳輸協議（RTP）與實時傳輸控制協議（RTCP）

RTP(Real-time Transport Protocol)和RTCP（Real-time Control Protocol）都是基于IP的應用層協議。RTP為實時音/視頻數據提供端到端的傳送服務，包括有效載荷類型標識、序列標號、時間標簽和源標識，可以提供時間信息和實現流同步。由于TCP中重傳機制會引起時延，通常RTP運行于UDP之上，但是也可以在TCP或者ATM等協議之上運行。RTP本身并不提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或者擁塞控制，而是通過與RTCP配合使用，使傳輸效率最佳。RTCP用來監視服務質量和在會議過程中交換信息。它提供QoS反饋、參與者標識、控制包縮放、媒體間同步等服務。RTCP包中包含已發數據包的數量、丟失數據包數量等統計資料。服務器可以根據這些信息動態的改變傳輸速率甚至有效載荷類型。

2.6.2 實時流協議（RTSP）RTSP（Real-time Streaming Protocol）是由RealNetworks和Netscape共同提出的一個應用層協議。它可以在媒體服務器和客戶端之間建立和控制連續的音/視頻媒體流，協同更低層協議RTP、RSVP等一起來提供基于Internet的整套流式服務。RTSP提供了一種可擴展框架，使得可控的、點播的實時數據的傳送成為可能。它提供用于音頻和視頻流的“VCR模式”遠程控制功能，例如暫停、快進、快退和定位。支持單播和組播。RTSP還提供選擇發送通道的方法（如UDP、組播UDP和TCP）和基于RTP的發送機制。RTSP像是媒體服務器和客戶端之間的“網絡遠程控制”，它提供多種服務，如從媒體服務器上檢索媒體、邀請媒體服務器進入會議、添加媒體到現成節目。RTSP在語法和操作上類似于HTTP，因此許多HTTP的擴展機制都可以移植于RTSP上。在RTSP中，每個節目和媒體流由RTSP URL確定，全部節目和媒體特性都在節目描述文件中給予了描述，包括編碼、語言、RTSP URLs、目的地址、端口號以及其他參數。但是，不同于HTTP的無狀態和非對稱，RTSP是有狀態的、對稱的協議。RTSP的服務器保持會話狀態以連接RTSP流的請求，并且服務器和客戶端都可以發出請求。

2.6.3 資源預留協議（RSVP）資源預留協議[5]（Resource Reserve Protocol）是運行于傳輸層的一個網絡控制協議。RSVP允許數據流的接受方請求特殊的端到端QoS。RSVP是非路由協議，它同路由器協同工作，在傳輸路徑的路由器上預留必要的帶寬，減少網絡的時延和抖動。RSVP的流程是單一的，并不區分發送方和接受方，且支持單播和組播，適應于可變成員個數和路由。RSVP領域的發展非常迅速，但是目前它的應用只限于在測試的小Intranet網絡上。結論技術的進步和用戶的需求促進了流媒體應用的迅速發展。在遠程教育、數字圖書館、電子商務、視頻點播、交互電視、遠程醫療、網絡音/視頻、實時多媒體會議等方面，流媒體技術都起到很重要的作用。本文對網絡中流媒體業務的關鍵技術和相關協議做了研

究，并探討了未來流媒體技術發展的方向。我們相信，隨著流媒體應用的不斷普及，寬帶流媒體技術及其應用必然會在未來的網絡中發揮更重要的作用，并在一定程度上改變人們使用網絡的方式。

參考文獻

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第二篇：數字電視關鍵技術研究論文

摘要:科技的發展讓電視界產生了革新性的變化,在技術力量的推動下,各種代表性的數字電視關鍵技術相繼出現。近年來,我國數字電視得到了迅速的發展,已經基本實現普及。截止到目前為止,電視已經發展至三代,即數字電視,數字電子與傳統模擬電視有著根本的區別,從發射起點至接收終端,每一個環節都離不開數字信號的支持。該文主要針對數字電視關鍵技術的應用與發展進行分析。

關鍵詞:數字電視關鍵技術;應用;發展

在社會經濟的發展下,電子產業得到了繁榮的發展,傳統紙媒已經無法滿足了人們的試聽需求了,在這一背景下,新型媒體技術誕生,在新媒體中,電視的受眾面是最廣泛的。截止到目前為止,電視已經發展至三代,即數字電視,數字電子與傳統模擬電視有著根本的區別,從發射起點至接收終端,每一個環節都離不開數字信號的支持。近年來,我國數字電視得到了迅速的發展,已經基本實現普及。

1數字電視傳輸技術的關鍵技術

1.1無線數字傳輸技術

隨著現代科學技術的發展,無線數字傳輸廣泛應用在信號傳輸中。該種技術原理是應用電視臺制高點鐵架發射出大量無線電波,這樣用戶就能夠通過電視機信號接收器和無線天線接收到相關信號,從而欣賞到多種趣味的頻道內容。這種技術不僅可以滿足廣大人群觀看電視的要求,也可以在網絡視頻、車載影院中應用,具備優秀的實用性與穩定性。無線數字傳輸技術最明顯的優勢在于花費較低,操作簡單,工作人員控制起來也非常方便。

1.2有線數字傳輸技術

相比與無線數字傳輸技術,有線技術通常需要光纜、同軸電纜相結合的方式進行傳輸。如今,我國鄉村群眾大都使用有線傳輸形式來接收電視節目與廣播頻道。整體來講,不管是單向傳輸還是雙向傳輸,有線數字傳播技術的優點是具備非常好的穩定性,環境天氣對它并沒有什么影響。除此,這種信號強度大,信號分配均勻,這就使得有線數字傳輸技術在信號傳輸中占據著重要的地位。

1.3衛星傳輸技術

這是一種現代化的傳輸方式,衛星傳輸技術需要先對數字電視信號進行轉換、并進行加工編碼和數據壓縮,之后傳入電子系統,發射到衛星,然后在地球同步衛星上把數據傳送到每個地面信號接收器,最后在地面接收器中完成信號的復原,實現數據的傳輸。這樣不但可以完成對全國的信號傳輸,也不會受到空間、地理位置的約束,而且還可以保障高質量信號的傳播,提供了穩定的傳輸信號。這種衛星傳輸技術的應用,能夠最大程度地滿足現在群眾對電視節目與廣播頻道的觀看需求,同時大力實現了衛星電視傳輸技術的推廣。

1.4IPTV傳輸技術

IPTV傳輸技術是現代新型數字電視的代表形式之一,這種方式結合了多媒體、因特網、數字廣播各項技術。通過多種技術的結合,更好地實現數字電視的傳輸。與其它技術的不同點在于,這項技術是以網絡IP為核心,完成了對數字電視的傳輸。與其它的電視傳輸技術相比較,IPTV傳輸技術提供了自主選擇節目的個性化服務,強調了觀眾的主導地位,節目更加迎合廣大群眾的興趣。

1.5復用技術

復用技術屬于數字電視的重點技術,主要使用了MPEG-2標準,從現階段設備信息流向來分析,復用技術將音頻、視頻、數據中的數據實現了分組,將其進行復合處理,對信道進行調制與編碼。復用技術的重要特點就是讓輸出傳輸流在輸入信號的變化下發生變化,及時將這些變化反映至傳輸流之中。復用技術的應用不僅兼顧了數據的結構,也記錄了有線電視、地面廣播、衛星電視與計算機之間的互操作性。常見的復用技術包括一般復用技術與統計復用技術兩種類型,前者將多個TS流信息匯總起來,不會改變原信息比特率,統計復用技術可以分析節目的情況,嚴格實施按需分配原則,在不影響節目質量的前提下進行動態分配。

2數字電視傳輸技術的發展趨勢

2.1實現多種網絡的融合隨著DTMB方針的運行,也標志著我國的數字電視技術處在世界先進電視技術的前列。但是我國的各項電視數字傳播技術起步較晚,都出現發展后續力量不足的現象。在現實的運行過程中不可避免的出現故障,不能最好地給人們提供廣播電視傳輸技術服務。所以,研究者開始了將多種網絡融合的方案,集各種網絡(電信網、聯通網、因特網)的優勢,彌補各種網絡的不足,為數字電視傳輸技術的發展提供了新方向。伴隨著多種網絡的共同快速發展,這種融合的優勢將體現的淋漓盡致。

2.2實現高階調制技術的廣泛應用

如今,在數字電視發展中存在一個非常普遍的缺點,那就是頻譜的應用效率較低。為了從根本上彌補這一不足之處,必須加大頻譜的應用效率,需要推廣高階調制技術。數字傳輸技術在快速的發展,其主要的方面是運用新型的科技來提高頻譜的效率,而且最大程度地增加傳播范圍。這樣才能高效快速地提升頻譜運行效率,從而提升數字電視傳媒傳輸技術的使用率。

2.3向3D視覺效果方向發展

隨著電影技術的快速提高,人們不斷對影像帶來的觀賞樂趣益處了更多的要求。人們想要在欣賞影像的情節中,獲得更多身臨其境的感受。掛在墻上的動態圖像根本滿足不了現在人們對于真實場景的渴望。所以,新型3D電影技術的應用獲得了廣大的市場,并且3D技術迅速成熟,在各個行業中得到普及。隨著3D電影的普及,用戶僅僅通過一個3D眼鏡就能夠體會到觀看真實電影的感受,有效提升了觀感的層次。

2.44K傳輸技術的推廣應用

3D電視的推廣才剛剛開始,4K技術就應運而生。4K技術將人們熟知的HD高清信號從1,920×1,080的分辨率,提升到4,096×2,160的分辨率,它的像素點是HD高清信號的四倍以上。4K技術標志著視訊分辨率進入了一個嶄新的時代,具有廣闊的發展前景。

3結語

現在,我國的數字傳輸技術已經獲得了較大的發展成果,但是依舊存在著一些不足之處。相信未來的數字電視傳輸技術有著更好的發展前景,相關學界需要在現在已有的基礎上不斷改進完善,從而為群眾帶來更加真實的視覺體驗,提高人們的生活質量。

參考文獻:

[1]高宇.廣播地面數字電視技術的應用——以武隆電視臺為例[J].西部廣播電視,2016(2):194.[2]朱文勝.數字電視技術的應用與發展及其最新進展[J].西部廣播電視,2015(7):192.[3]程漢嬰,龔曉鳴.數字電視技術的發展和最新進展[J].中國有線電視,2012(2):127-129.

第三篇：碎石機CAD系統關鍵技術研究

龍源期刊網 http://.cn

碎石機ＣＡＤ系統關鍵技術研究

作者：張映故

來源：《沿海企業與科技》2009年第01期

[摘要]文章分析碎石機CAD輔助設計的基本原則和一般流程。提出基于單元庫的設計思想，碎石機CAD輔助設計總體功能框架。重點分析和介紹自定義零件庫的設計過程及實現方法。為了提高零件庫設計的可復用性，采用元件數據庫存儲和管理零件庫，定義數據庫主要表單格式，給出主要的實現細節。

[關鍵詞]CAD；碎石機；數據庫；零件庫；自定義

[作者簡介]張映故，柳州職業技術學院機電工程系教師，研究方向：機械制造及加工，廣西柳州，545006

[中圖分類號]TD422.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1007-7723(2009)01-0030-0004

第四篇：電動汽車充電站消防安全關鍵技術研究

電動汽車充電站消防安全關鍵技術研究

曹麗英1 鄭斌2 黃昊1

（公安部上海消防研究所，上海200438；石家莊市公安消防支隊，石家莊050000）

摘要：通過對我國電動汽車充電站設計、建設和管理中存在的消防安全問題進行廣泛調研，研究分析了存在消防安全管理現狀，有針對性對消防安全設計、管理等環節中充電站分類、選址和平面布局、火災危險性、防火設計、消防設施配置等關鍵技術提出了相關的建議。關鍵詞：電動汽車；充電站；消防安全

電動汽車產業鏈包括動力電池、整車、基礎設施和運行管理等，以電動汽車充換電站為代表的充電配套基礎設施則是主要環節之一，必須與電動汽車其他領域實現共同協調發展。目前我國已有一百多個城市列入新能源汽車示范城市，京津冀、長三角、珠三角等大中型城市先后發布了清潔空氣行動計劃，均把大力推廣新能源汽車作為發展綠色交通的主要任務。節能減排的任務需求以及新能源汽車的推廣計劃使得我國各大中城市電動汽車基礎設施建設刻不容緩。

本文通過對現有充電站建設和管理中存在的問題進行分析，然后有針對性的提出電動汽車充電站建設和管理中消防安全的建議。

1.電動汽車充電站基本情況

電動汽車充電站[1]是指采用整車充電模式為電動汽車提供電能的場所，應包括3臺及以上電動汽車充電設備（至少有1臺非車載充電機），以及相關供電設備、監控設備等配套設備。

大、中型充電站建設采用配電變壓器，兩路電源供電；小型充電站采用單路低壓電源供電，不設配電變壓器。充電設備電氣接口、通信規約、電氣連接件符合相關技術標準要求，設計規范一致。

一個完整的充電站組成結構[2]包括供電系統、充電設備、監控系統及相應的配套設施四大部分。電動汽車充電站目前有傳統型充電站、多層立體充電站、社區簡易充電樁、地下車庫充電樁、加油站充電站、儲能式移動充電設備、無線充電站。據調查，深圳是北上廣深四地中已建成并投入運營充電站最多的城市，目前已建成60多個充電站(包括公交車充電站在內)，完成了對全市范圍的覆蓋。電動汽車作為一種新生事物，充、換電站也是隨著電動汽車的發展而逐步發展起來，雖然只有部分城市建立了充換電站，但近年來媒體報道的電動汽車火災及充換電站火災也屢見不鮮，2015年4月26日下午，深圳灣口岸中國普天力能加電站內，一輛大巴車內的蓄電池組突然冒煙，隨后起火并蔓延至全車。后經專家組鑒定，事故直接原因是：車輛動力電池充滿電后，動力電池過充電72分鐘，過充電量58kWh，造成多個電池箱先后發生動力電池熱失控、電解液泄漏，引起短路，導致火災。調查組還特別提醒，過充是目前電動車火災的主要原因，各方面要高度重視，采取有效措施。

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2015BAG07B00），上海市科委項目（16DZ2292600）作者簡介 曹麗英，女，碩士，公安部上海消防研究所，副研究員，從事滅火理論研究，E-mail：clying_0@126.com

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相比于傳統汽車火災，此次電動汽車充電站內的電動大巴火災的撲救具有一定的特殊性。首先，滅火困難，站內配備的消防設施無法撲滅電動大巴車火災：站內配置的滅火器均為手提式或推車式水基型滅火器，未設置室內外消火栓，站內充電站控制室外側設置有兩個圓形沙池。火災發生時，站內人員聞到車尾部有氣味并并伴隨白煙冒出，使用站內水基型滅火器對冒煙部位進行噴射，均無法抑制火焰，隨后車側面部位開始起火，火勢立刻難以控制。消防人員到達火場時，站內人員不同意使用水槍滅火，在將站內的近二十具水基型滅火器和其他車輛上取下的干粉滅火器全部用光也無法控制火勢，隨后消防員要求使用水槍滅火，否則無法達到降溫目的，數分鐘后火焰得到控制。最后，消防員將高壓線剪短，電池拖出后用沙土掩埋，以防止復燃。整個滅火過程持續約2個小時。其次，消防站結構簡單，火災損失小：充電站為鋼筋混凝土框架結構，站內可燃物不多，故未引起大范圍的燃燒。頂部的廣告牌和頂棚，由于采用的阻燃材料，只有部分被燒毀。

電動汽車充電站建設和投入使用較早的地區，已有一定數量的火災或爆炸事故發生，隨著電動汽車產業的快速發展，充電站等基礎設施在全國的大規模建設，電動汽車充電站內消防安全必須引起我們的高度重視。電動汽車充電站消防安全管理現狀

2.1現有消防標準規范無法解決防火設計問題

電動汽車充電站建筑結構多樣，功能也與傳統建筑具有很大的不同，動力電池火災危險性的存在成為充電站防火設計的難點。目前電動汽車充電站消防設計和審批驗收缺乏專門的標準規范依據，導致既有電動汽車充換電站部分陷入停運狀態，且新建站點無法通過消防審批就開始投入運營。

以往針對充換電站建設的標準規范多為地方或行業根據需求編制的地方標準或行業標準[3-6]，主要有深圳市地方標準《電動汽車充電系統技術規范 第2部分：充電站及充電樁設計規范》SZDB/Z 29.2（以往時2011版，現在正在修訂）和南方電網公司的企業標準《電動汽車充電站及充電樁設計規范》 Q/CSG 11516.2，隨著電動汽車的快速發展，2014年住建部發布了國家工程建設標準《電動汽車充電站設計規范》GB 50966-2014，使得電動汽車充電站設計上升到國家標準。然而這些標準規范中對電動汽車充電站設計要求普遍存在如下問題：

1.未正確認識電動汽車的危險性，大多數規范均將供電、充電系統作為充換電站最大的危險源，忽略了車上動力電池危險性的存在。

2.防火設計要求不具體，可操作性差。由于動力電池火災危險性未被明確，且大多規范編制過程中缺少公安消防專業人士的參與，故對于防火間距、耐火等級無具體要求。

3.消防設施的設置要求不明確。對于室內外消火栓、自動滅火系統、火災自動報警系統、滅火器的配置等要求不明確，甚至存在互相矛盾的地方，如對室內外消火栓需設置和不需設置即存在不同的要求。

4.現行充換電站建設已與現行規范相矛盾。如《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》GB 50067-2014中“4.1.8 地下、半地下汽車庫內不應設置修理車位、噴漆間、充電間、乙炔間和甲、乙類物品庫房”，但由于目前很多城市面臨用地緊張的問題，現已投入使用的很多電動汽車充電樁均設置在了地下停車庫內，使得消防審批更難得到落實。

2.2 消防設施配置情況復雜，消防安全管理缺失

經調研，目前已經建成并投入使用的充換電站內存在如下的消防安全問題：

1.現有消防設施配置情況復雜，滅火效果不明確。電動汽車充電站內設置主要有室內消火栓箱、推車式或手提式水基型或干粉滅火器、滅火毯、消防沙等。國外相關資料顯示，大量持續的消防水是撲滅電動汽車火災最有效的方法，而目前很多充電站內出于水導電的顧慮，大多未設置室內消火栓，消防員滅火時只能依靠市政供水或消防車供水，給火災撲救帶來一

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定的困難。根據以往的火災案例來看，滅火器對于撲滅電動汽車火災效果不明顯，甚至無法控制火災的發展。消防沙池的設置往往距離充電站較遠，若車輛發生火災，消防沙運送過去時間較長，且火勢一旦蔓延開來，人員無法靠近，便無法將消防沙釋放到火場中。

2.消防安全管理未得到重視，消防設施使用狀況不佳。有專人管理的電動公交車充電站，基本都設置了安全管理規定和應急操作規程，站內人員均經過一定的消防安全培訓，消防設施配置雖然不統一，但基本都有配置，且有專人管理，均處于可用狀態。無人看管的私人電動小轎車充電站往往無消防安全管理規定，且大多未配置消防設施或消防設施處于無法使用狀態，存在很大的消防安全隱患。

因此，亟需制定相應的國家工程建設標準，使得充換電站消防安全規定和審批驗收要求能夠有據可依，以有效控制和降低其火災風險。電動汽車充電站消防安全關鍵技術及建議

電動汽車充電站防火設計中，急需解決充換電站分類、火災危險性、選址、平面布置、防火設計、消防設置配置、火災事故處置等問題。

3.1 充電站分類

經調研，目前在建的電動汽車充電站選址、建筑面積、運營能力等具有較大的差異，充電站種類多，體量大。周邊建筑物有住宅、宿舍、學校建筑或商務樓等，與周邊建筑的距離大多較近，有的直接設置在建筑物的外墻，有些毗鄰建筑物只有1m的距離。建筑規模從28㎡至6880㎡不等。運營能力從3輛到一百多輛不等。因此，在防火設計中要根據建筑類型、規模、選址、運營能力等進行分類，并有針對性的提出消防安全要求。

3.2 充電站火災危險性

充電站建筑內火災危險性主要來自車載動力電池，換電站內大量儲存的電池使得火災危險性進一步增加。動力電池由正極、負極、電解液、隔膜和包裝材料等組成，動力電池生產企業中常使用的電池原料主要有溶劑和電解液。電解液和溶劑的閃點都較低，最低的僅16℃，根據GB50016《建筑設計防火規范》，對于液體物質采用閃點來衡量其火災危險性，電池危險性為甲類。因此，以充電為主的電動汽車充電站，由于鋰離子電池數量較少，且危險源不固定的原因，可根據充電站的規模及采取的防火措施來認定具體火災危險性。

3.3 充電站選址、平面布局

首先應確定不宜設置在地下車庫。但由于城市用地緊張，許多城市都把充電站設置在地下停車庫中，相比傳統車，具有特殊的危害性：電動汽車火災產生大量有毒有害氣體；電動汽車具有爆炸風險。因此，對于電動汽車充電站選址和平面布局應重點考慮如下：

1.宜設置在地面一層，如必須設置在地下時，不應設置在地下兩層及以下的樓層。2.充電站應設置在人員密集場所的常年主導風向的下風向。不應設置在人員密集場所的主出入口。

3.4 充電站防火設計

充電站由于存儲鋰電池的數量和規模的不同，防火設計應分開考慮。《建筑設計防火規范》作為建（構）筑物防火設計的基本規范，應盡量參照此規范，然而，在無法滿足的情況下，應根據電池火災特點對電動汽車充電站采取一些額外措施，以保障充換電站消防安全。如考慮到電池飛濺，現有距離居民區較近的充換電站建議增加防飛濺的鐵絲網；儲存電池的地方建議增加防撞裝置，避免因撞擊引起電池短路而發生事故。

3.5 充電站消防設施設置

充電站消防設施應包括滅火系統，自動報警系統、防排煙設施等。

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對于滅火系統，目前關于電動汽車電池火災的滅火技術研究的文獻較少[7-8]，甚至這些少量文獻中關于電動汽車火災滅火技術的描述都存在相互矛盾的地方。但是大量持續的消防水對于電動汽車火災的降溫和隔絕氧氣等具有很好的效果，因此，建議在充換電站內設置室內消火栓、室外消火栓，以滿足火災時消防車輛的用水。其次，對各類滅火劑、滅火系統的有效性展開實驗研究，研究或開發能夠有效撲滅鋰電池火災的滅火系統。

對于自動報警系統，根據動力電池火災特點，動力電池燃燒前內部溫度升高，且伴隨有大量的氣體產生，電池內部溫度升高有電池管理系統（BMS）進行監控，可以輔助報警，因此，應特別要求電池管理系統與消防監控系統進行聯動。同時，應采用可燃氣體報警裝置或感煙報警系統增加火災的預警。

對于防排煙設施，現有的地面充換電站一般為敞開式建筑，密閉空間較少。而設置在地下的充電站，火災時的排煙問題也是重點、難點問題，應展開系統研究，尤其是大量有毒有害氣體的排煙問題。結論

電動汽車充電站在設計、建設和消防安全管理方面存在一定的問題，但是伴隨著國家戰略體系的部署，面對電動汽車產業快速發展的現狀，電動汽車充電站作為電動汽車行業發展中不可缺少的基礎設施，其技術必須緊跟電動汽車的發展步伐。因此，相關產業和部門應加快相關研究，提出具體措施，尤其盡快制定相應的標準規范，使得電動汽車充電站的管理和運行更加規范和有序，滿足電動汽車行業快速發展對基礎設施的需求，保障電動汽車行業的健康發展。

參考文獻

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第五篇：繼電保護電力系統關鍵技術研究的論文

摘要：隨著市場對電能在質量方面、穩定性方面要求越來越高，電力企業應不斷電能供應的能力及電力系統的保護，特別是對于短路故障提出針對性的解決措施，確保電能持續穩定供應。文章介紹了繼電保護電力系統短路故障及原因，然后具體分析短路保護技術，最后提出繼電保護電力系統短路故障處理措施。

關鍵詞：繼電保護；電力系統；短路保護；關鍵技術

前言

近年來，科學技術不斷升級，電力系統短路保護關鍵技術取得了良好的應用效果，在繼電保護電力系統中頻繁應用，這對電力系統有序運行，電力系統安全性提升有重要意義。此外，短路保護關鍵技術還能起到短路故障幾率降低、電力資源節約的作用，能夠擴大電力企業經濟利潤空間。本文這一論題具有探究必要性，論題分析的現實意義較顯著。

1繼電保護電力系統短路故障及原因

1.1故障

繼電保護電力系統啟動、運行期間極易發生短路故障，常見故障集中體現在電力用戶、絕緣體、三項系統等方面，針對常見短路故障處理時，應首先了解短路故障產生的原因，這能為短路故障處理、短路保護關鍵技術應用提供機會。

1.2原因

對于電力用戶故障：電力系統建設存在明顯區域差異，主要因為不同區域經濟水平、人口數量不盡相同，人口數量較多的區域，電力資源需求相應增多，電力系統建設活動隨之增加，同時，電力用戶故障發生頻率較高。人口密度較大的區域存在線路老化、線路破損等現實問題，主要原因即電力用戶使用電力設備、電線時間過長，如果電力設備未能及時維修、養護，電線未能及時更換，極易產生安全事故。對于絕緣體故障：電力系統導體存在差異，導體保護工作一旦被忽視，那極易出現短路故障，其中，最為重要的原因即絕緣體破損，導致電力系統穩定性得不到保證。一旦絕緣體性能降低，那么絕緣作用會逐漸削弱，電流流通得不到有效控制，當流通電流超過規定的電流值時，則電力系統短路故障發生幾率會提高，影響電力系統安全性。對于三項系統故障：這一故障主要指的是橫向故障，故障產生的原因即三項阻抗非正常運行，故障表現為單相接地短路、三相短路、兩相接地短路等。這類故障發生幾率雖然不高，一旦出現三項系統故障，會大大降低電力系統穩定性，并且影響范圍會逐漸擴大[1]。

2短路保護技術具體分析

短路保護技術分析主要從智能保護、相電流保護、熔斷器保護、零序電流保護四方面入手，具體分析如下。

2.1智能保護

二十世紀九十年代，繼電保護電力系統運行應用PLC技術，即基于智能保護模塊安裝智能監控裝置，以便動態掌握員工工作行為，以及相關參數變化情況。智能保護工作具體落實，能夠及時掌握短路、電壓變化、漏電、負荷超標、熱量集中等情況。

2.2相電流保護

參照短路電流故障數據，借助機械設備保護電力系統。相電流保護期間，首先獲取電流于互感器設備，使其構成回路常閉節點，通過電磁力抵消彈簧壓力的方式來實現保護目標。

2.3熔斷器保護

以往電力系統短路保護方式主要為電流增大、電流自動切斷，這種保護方式被稱為熔斷器保護。熔斷器保護組件一旦受損，需要立即更換，因為保護組件不支持多次使用，如果保護組件更換不及時，那么短路保護操作存在較大的安全隱患，還會影響電力系統穩定性。當前，電流系統不斷升級，應用熔斷器的過程中，極易因單個熔斷器熔斷，而影響其余熔斷器應用效果，對此，應用相應技術予以改善，盡最大可能保證電力系統穩定性。

2.4零序電流保護

短路故障產生后，零序電流保護工作應及時跟進，爭取在短時間保證電流相位有序運行，提高電力系統運行穩定性。因此，電力企業應給予足夠關注，有序梳理電流系統，避免電流紊亂運行，這能大大降低短路故障發生幾率[2]。

3繼電保護電力系統短路故障處理措施

繼電保護電力系統短路故障事先預知、及時處理的有效措施介紹如下，這能大大降低短路故障發生幾率，確保電力資源穩定、順利供應，全面保障電力系統安全性。

3.1合理安裝避雷裝置

一旦遇到雷雨天氣，電力系統遭受雷擊、導致線路損壞的幾率較高，同時，還伴隨停電、火災等事件，這種突發事件極易影響人類用電的規律性。為了處理這一方面的短路故障，應在變電站設備附近合理安裝避雷裝置，避免雷擊產生電力事故，導致電力系統安全性受到不利影響。具體安裝時，應優選適合避雷裝置，在類型、功能等方面細致篩選，盡可能發揮避雷裝置的功用性。需要注意的是，壁壘裝置連接應注意連接線路安全性，以免因線路連接不當產生其他安全事故。

3.2準確切斷故障點電源

繼電保護電力系統內部結構間緊密連接，一旦某一結構出現異常，那么其他結構會自然受到影響，進而影響整體穩定性。對此，應及時處理故障電路，以免擴大故障范圍。電力系統短路故障預防的過程中，根據系統故障狀態縮小故障范圍，直到鎖定故障位置，在這一過程中，細分故障類型，探究故障形成的原因，待基本問題準確判定后，快速切斷故障點電源，確保檢修工作順利開展，縮小短路故障帶來的不利影響。除此之外，工作人員能夠利用萬能表完成短路電流預測，并記錄電流參數變化情況，這能為后期短路故障分析提供依據，同時，還能為電路調整提供可靠參考。其中，萬能表應用期間應掌握應用步驟，首先，斷開電源，將裝置開關調節至蜂鳴器檔位，然后，連接待測試端子于表筆，如果蜂鳴器傳遞信號，并顯示較低導通電壓值后，則證實測點確實出現短路故障。

3.3加強電力系統日常維護

要提高電力系統運行安全性，務必做好日常維護、定期檢修工作，盡可能降低短路故障現象發生幾率。日常維護工作執行時，應從以下幾方面措施入手。首先，為電力員工組織系統化培訓工作，盡可能提高員工操作技能，豐富員工工作經驗，同時，為電力員工適當組織實訓活動，避免員工實踐操作時出現失誤。然后，全面掌握繼電保護電力系統運行情況，記錄待確定因素，并針對短路故障制定有效的處理方案，在這一過程中，適當借鑒發達國家在短路故障處理方面的技巧，調用已學理論知識以及豐富的實踐經驗，確保最終確定的短路故障處理方案能夠真正起到繼電保護電力系統維護的積極作用，以此降低短路故障發生幾率。最后，提高先進信息技術應用率，應用監控技術全面掌握繼電保護電力系統運行狀態，將監測結果通過網絡連接傳輸于上級部門，以便準確判斷短路故障，同時，這能為電力設備維護、檢修提供可靠依據，以免類似故障重復發生[3]。

4結束語

綜上所述，繼電保護電力系統一旦出現短路故障，則說明電力系統事先短路故障預防工作不到位，因此，電力企業以及電力員工、用戶應共同預防短路故障，結合短路故障現狀應用適合的短路保護關鍵技術，以此維護電力系統安全。通過合理安裝避雷裝置、準確切斷故障點電源、加強電力系統日常維護等措施來全面處理繼電保護電力系統短路故障，通過降低電力系統故障來提高電力系統運行穩定性，這對電力企業經濟效益增加、電力行業持續發展有重要作用。此外，短路保護關鍵技術的應用范圍會逐漸擴大，有利于提高短路保護關鍵技術應用效率。

參考文獻：

[1]楊躍.繼電保護電力系統的短路保護[J].電子技術與軟件工程，2018（08）：225-227.[2]鐘康有.電力系統繼電保護自適應系統關鍵技術分析[J].科技與創新，2016（12）：160.[3]馮建勤，黃思芳，宋海龍.短路電流非周期分量及其在繼電保護中的應用[J].電工電氣，2014（12）：35-38.