高鐵網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統中的關(guān)鍵技術(shù)

　　高速鐵路不同于一般的鐵路系統，高鐵本身即是一個(gè)系統化、集成化的大型工程，僅通信部門(mén)就涉及到10多個(gè)子系統，包括有線(xiàn)、數據、傳輸、調度、應急通信、視頻監控等等。高鐵與普通鐵路或地鐵區別很大，例如地鐵通常時(shí)速在60公里左右，列車(chē)間隔約在3分鐘，而高鐵時(shí)速可能達到300公里，但時(shí)間間隔可能與地鐵差不多，這就對高鐵的通信指揮系統提出了很高的要求，同時(shí)，作為一個(gè)重要的輔助設施，視頻監控系統的要求也相應的非常高。

　　高鐵視頻監控系統特點(diǎn)

　　高鐵的視頻監控系統，要求采用先進(jìn)的視頻監控技術(shù)，基于鐵路系統的IP網(wǎng)絡(luò )，構建數字化、智能化、分布式的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統，滿(mǎn)足公安、安監、客運、調度、車(chē)務(wù)、機務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛、供電等業(yè)務(wù)部門(mén)及防災監控、救援搶險和應急管理等多種需求，實(shí)現視頻網(wǎng)絡(luò )資源和信息資源共享。高鐵視頻監控系統一般基于網(wǎng)絡(luò )架構，實(shí)現視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉發(fā)及虛擬矩陣的功能。攝像機采集到視頻信號通過(guò)同軸電纜連接到DVR或編碼器，實(shí)現視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機的控制信號通過(guò)RS485進(jìn)行傳輸;編碼器將視頻流通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到NVR進(jìn)行集中存儲備份;存儲服務(wù)器可以將DVR或NVR的視頻資料進(jìn)行重點(diǎn)備份;流媒體服務(wù)器可以在多個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)進(jìn)行集中視頻轉發(fā)而減少網(wǎng)絡(luò )及前端設備的壓力;解碼器與電視墻連接，實(shí)現視頻的集中大屏幕顯示還原。

　　高鐵視頻監控系統關(guān)鍵技術(shù)

　　1.編碼壓縮技術(shù)

　　視頻編碼壓縮是網(wǎng)絡(luò )視頻監控的前提和基礎，沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的視頻數據是海量的。目前典型的視頻編碼壓縮標準是MPEG-4和H.264。MPEG-4標準采用的仍然是類(lèi)似以前標準(H.261/3和MPEG-1/2)的基本編碼框架，即典型的三步：預測編碼、變換量化和熵編碼。新的壓縮編碼標準都是基于優(yōu)化的思想進(jìn)行設計的，將先前標準中的某些技術(shù)加以改進(jìn)。例如在原來(lái)的基礎上提出1/4和1/8像素精度的運動(dòng)補償技術(shù)，使得預測編碼的性能大大提高。MPEG-4標準不僅僅給出了具體壓縮算法，它是針對數字電視、交互式多媒體應用、視頻監控等整合及壓縮技術(shù)的需要而制定的。MPEG-4將多種多媒體應用集成在一個(gè)完整的框架里，為不同的應用提供了相應的類(lèi)別(Profile)和檔次(Level)。H.264，同時(shí)也是MPEG-4標準的第十部分，是由ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組(VCEG)和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，JointVideoTeam)提出的高壓縮率視頻編碼標準。和以前的標準一樣，H.264也是采用預測編碼加變換編碼的混合編碼模式，它集中了以往各個(gè)編碼標準的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了標準制定過(guò)程中積累的經(jīng)驗，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標準最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比，在同等圖像質(zhì)量的前提條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“網(wǎng)絡(luò )友好”的結構和語(yǔ)法，有利于對誤碼和丟包的處理，以滿(mǎn)足不同速率、不同解析度以及不同網(wǎng)絡(luò )傳輸、存儲場(chǎng)合的需求。如圖1所示。

　　視頻編碼壓縮過(guò)程示意圖

　　在網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統中，產(chǎn)品間的互編互解能力是非常重要的，可以降低系統的集成難度，便于擴展并保護成本。目前，不同廠(chǎng)商設備互編互解情況并不理想，也就是說(shuō)兼容性不好。主要原因是不同廠(chǎng)家采用的編碼的標準規范(profile)及等級(level)不同，另外數據封裝格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本碼流/包)。

　　2.視頻分析技術(shù)

　　高鐵的特點(diǎn)是系統跨度大、地理分布廣，視頻分析的環(huán)境復雜，風(fēng)霜雨雪霧、攝像機抖動(dòng)、火車(chē)燈光、城市燈光、昆蟲(chóng)、云影等現象均是視頻分析可能會(huì )遇到的問(wèn)題，良好的VCA系統應該能夠很好地平衡漏報與誤報之間的問(wèn)題。鐵路不同于實(shí)驗室，對攝像機的任何角度、焦距等調整均需要一定的人力、物力，視頻分析對場(chǎng)景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不斷調整確。因此，不難理解多數視頻監控系統的視頻分析攝像機采用的也是PTZ攝像機而不是固定攝像機了。分析模式固定后，攝像機FOV調整好，需要進(jìn)入分析設置，通常，一路攝像機視頻只能進(jìn)行一個(gè)模式。在鐵路應用中，主要有兩種VCA模式，一種是在重要區段及咽喉區設置入侵探測，用來(lái)識別人或動(dòng)物入侵到高鐵路軌(高鐵沿線(xiàn)多半封閉或柵欄保護等物理方式，但還是有可能有入侵進(jìn)入);公跨鐵區域設置高空落物分析，防止高空落物對列車(chē)運行產(chǎn)生影響。目前這兩個(gè)視頻分析應用模式在鐵路視頻監控中均有一定應用并表現良好。如圖2所示。

　　視頻分析架構示意圖

　　目前視頻分析技術(shù)主要有兩種架構方式，一種是基于后端服務(wù)器的方式，另外一種是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式，即分布式智能分析架構下，視頻分析單元一般位于視頻采集設備附近，這樣可以有選擇地設置系統，讓系統只有在報警發(fā)生的時(shí)候才傳輸視頻到控制中心或存儲中心，相對于服務(wù)器方式，可節省網(wǎng)絡(luò )負擔及存儲空間。視頻分析是復雜的過(guò)程，需要占用大量的系統計算資源，因此服務(wù)器方式可以同時(shí)進(jìn)行視頻分析的路數非常有限?；谝陨显?，目前市場(chǎng)上主流視頻分析技術(shù)多采用DSP方式，基于攝像機或編碼器。需要注意的是，基于前端DSP方式的視頻分析設備，一旦需要調整視頻分析點(diǎn)位，如增加或取消視頻分析功能，則通常需要更換DVS或IPC，而基于后端分析的模式則客運直接在機房或控制中心調整完成，無(wú)需更換前端硬件。通常更換DVS或IPC方式，在鐵路項目中的成本非常高。

　　3.冗余技術(shù)(可靠性)

　　高鐵視頻監控系統需要具有高可靠性，以實(shí)現對不同部門(mén)的運營(yíng)、安全、維護等各個(gè)需求支持。對于網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統，可以采用不同的冗余方式來(lái)增強穩定性，從前端編碼器、傳輸網(wǎng)絡(luò )到轉發(fā)服務(wù)器、管理服務(wù)器及存儲系統，均可實(shí)現冗余技術(shù)。

　　·編碼器

　　編碼器可以采用雙電源、雙網(wǎng)卡方式增強穩定性;或者采用“N+1”冗余方式增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時(shí)系統可以連續運行。

　　·NVR

　　NVR可采用“N+1”冗余增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時(shí)系統連續運行。

　　·CMS

　　CMS可以采用“雙機冗余熱備”方式增強穩定性，以保證系統無(wú)停機運行。

　　·存儲

　　存儲系統可以采用磁盤(pán)陣列的RAID技術(shù)實(shí)現高可靠數據存儲。

　　完全冗余的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統架構所示，從前端設備IPC、DVS、傳輸網(wǎng)絡(luò )、NVR、存儲設備NVR、核心管理平臺CMS都實(shí)現了冗余功能，保證了系統24小時(shí)高可靠運行，減少了因為網(wǎng)絡(luò )、電源、硬件、存儲、軟件等故障而導致的系統停機或數據丟失。

　　IPC是單體設備，提高穩定性的辦法是在網(wǎng)絡(luò )短暫中斷時(shí)進(jìn)行本地存儲;對于大路數DVS，可以采用“N+1”方式進(jìn)行冗余，防止單體設備軟硬體失效;對于NVR，可以采用“N+1”方式進(jìn)行備份，防止單體設備軟硬體失效;對于存儲設備，可采用成熟的RAID技術(shù)實(shí)現冗余保護;對于網(wǎng)絡(luò )，可以采用“雙網(wǎng)絡(luò )”實(shí)現高可靠性數據傳輸;對于CMS，采用雙機熱備方式，雙機共享RAID磁盤(pán)陣列，實(shí)現冗余。

　　4.視頻存儲應用技術(shù)

　　存儲的部署應該是靈活的，可以選擇報警觸發(fā)存儲、預置時(shí)間表存儲、手動(dòng)啟停存儲等;存儲的架構應該是主流架構如DAS、NAS、SAN等，一般采用RAID5冗余方式。存儲的需求一般是正常錄像和報警錄像分開(kāi)并設置不同周期，例如正常錄像7天，報警錄像30天。存儲系統的規劃設計應該根據項目需求情況、網(wǎng)絡(luò )情況進(jìn)行部署。

　　應支持對視頻圖像信息的手動(dòng)備份存儲;視頻信息的錄像存儲、事件觸發(fā)存儲和計劃存儲功能;系統應支持用戶(hù)根據時(shí)間、地點(diǎn)、事件等多種條件進(jìn)行檢索和回放;系統應支持多用戶(hù)同時(shí)調用檢索視頻圖像;DVR、NVR可以工作在多種存儲歸檔模式下;系統應支持下載到本地回放錄像和遠程直接回放錄像的方式。

　　視頻歸檔存儲服務(wù)(二級存儲、告警存儲)具有如下特點(diǎn)：

　　·存儲架構是完全獨立的二級架構;

　　·歸檔服務(wù)器(Archive Server)通常分“重要視頻歸檔”及“報警視頻歸檔”;

　　·歸檔服務(wù)器(Archive Server)可以在網(wǎng)絡(luò )的任何位置部署;

　　·一個(gè)歸檔服務(wù)器(Archive Server)可以對多個(gè)DVR或NVR進(jìn)行歸檔;

　　·用戶(hù)無(wú)需指定從DVR或NVR或Archive Server回放錄像，系統會(huì )自動(dòng)索引;

　　·可以選擇對一個(gè)DVR或NVR的某部分通道進(jìn)行歸檔。

　　5.綜合視頻平臺

　　系統軟件平臺包括核心數據部分和客戶(hù)端工作站，核心數據服務(wù)器包含系統數據庫及核心軟件，而工作站系統應包括用戶(hù)管理、權限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平臺應支持對各種視頻設備資源、設備的運行狀態(tài)進(jìn)行監視及維護，通過(guò)軟件對系統設備參數進(jìn)行配置，對系統用戶(hù)的注冊、認證、刪除及權限分配進(jìn)行管理等功能。系統應具有日志管理功能，能夠通過(guò)操作日志對操作人員進(jìn)入、退出系統的時(shí)間和主要操作情況進(jìn)行記錄，支持日志信息查詢(xún)和報表制作等功能。

　　數據管理：全線(xiàn)所有設備的類(lèi)型、版本、數量、編號的集中“登記注冊”于數據庫;監視功能：對全線(xiàn)所有監控網(wǎng)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像調用，為領(lǐng)導應急指揮和決策調度時(shí)顯示提供參考;網(wǎng)管功能：對全線(xiàn)所有監控系統的網(wǎng)元設備運行情況進(jìn)行監控和管理，實(shí)時(shí)顯示各種設備的運行數據和告警信息;告警管理：記錄并顯示設備、系統和通信部分的告警，記錄告警處理情況，可以導出;控制功能：對全線(xiàn)所有監控網(wǎng)點(diǎn)的PTZ控制及繼電器輸出節點(diǎn)控制;語(yǔ)音對講：對前端安裝語(yǔ)音設備的監控點(diǎn)，實(shí)現實(shí)時(shí)語(yǔ)音對講，單向“喊話(huà)”功能;數據存儲：支持視頻的本地存儲和中心備份，具有多種自動(dòng)、手動(dòng)存儲方式。