高鐵網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)解析

高速鐵路不同于一般的鐵路系統(tǒng)，高鐵本身即是一個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)，包括有線(xiàn)、數(shù)據(jù)、傳輸、調(diào)度、應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控等等。高鐵與普通鐵路或地鐵區(qū)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(dá)到300公里，但時(shí)間間隔可能與地鐵差不多，這就對(duì)高鐵的通信指揮系統(tǒng)提出了很高的要求，同時(shí)，作為一個(gè)重要的輔助設(shè)施，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也相應(yīng)的非常高。

1.高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

高鐵的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，要求采用先進(jìn)的視頻監(jiān)控技術(shù)，基于鐵路系統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建數(shù)字化、智能化、分布式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，滿(mǎn)足公安、安監(jiān)、客運(yùn)、調(diào)度、車(chē)務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛、供電等業(yè)務(wù)部門(mén)及防災(zāi)監(jiān)控、救援搶險(xiǎn)和應(yīng)急管理等多種需求，實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)資源和信息資源共享。高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)及虛擬矩陣的功能。攝像機(jī)采集到視頻信號(hào)通過(guò)同軸電纜連接到DVR或編碼器，實(shí)現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機(jī)的控制信號(hào)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(chǔ)備份；存儲(chǔ)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)訪問(wèn)時(shí)進(jìn)行集中視頻轉(zhuǎn)發(fā)而減少網(wǎng)絡(luò)及前端設(shè)備的壓力；解碼器與電視墻連接，實(shí)現(xiàn)視頻的集中大屏幕顯示還原。

2.視頻分析技術(shù)

高鐵的特點(diǎn)是系統(tǒng)跨度大、地理分布廣，視頻分析的環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)霜雨雪霧、攝像機(jī)抖動(dòng)、火車(chē)燈光、城市燈光、昆蟲(chóng)、云影等現(xiàn)象均是視頻分析可能會(huì)遇到的問(wèn)題，良好的VCA系統(tǒng)應(yīng)該能夠很好地平衡漏報(bào)與誤報(bào)之間的問(wèn)題。鐵路不同于實(shí)驗(yàn)室，對(duì)攝像機(jī)的任何角度、焦距等調(diào)整均需要一定的人力、物力，視頻分析對(duì)場(chǎng)景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不斷調(diào)整確。因此，不難理解多數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻分析攝像機(jī)采用的也是PTZ攝像機(jī)而不是固定攝像機(jī)了。分析模式固定后，攝像機(jī)FOV調(diào)整好，需要進(jìn)入分析設(shè)置，通常，一路攝像機(jī)視頻只能進(jìn)行一個(gè)模式。在鐵路應(yīng)用中，主要有兩種VCA模式，一種是在重要區(qū)段及咽喉區(qū)設(shè)置入侵探測(cè)，用來(lái)識(shí)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(hù)等物理方式，但還是有可能有入侵進(jìn)入)；公跨鐵區(qū)域設(shè)置高空落物分析，防止高空落物對(duì)列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生影響。目前這兩個(gè)視頻分析應(yīng)用模式在鐵路視頻監(jiān)控中均有一定應(yīng)用并表現(xiàn)良好。

目前視頻分析技術(shù)主要有兩種架構(gòu)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(gòu)下，視頻分析單元一般位于視頻采集設(shè)備附近，這樣可以有選擇地設(shè)置系統(tǒng)，讓系統(tǒng)只有在報(bào)警發(fā)生的時(shí)候才傳輸視頻到控制中心或存儲(chǔ)中心，相對(duì)于服務(wù)器方式，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)及存儲(chǔ)空間。視頻分析是復(fù)雜的過(guò)程，需要占用大量的系統(tǒng)計(jì)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(shù)非常有限?；谝陨显颍壳笆袌?chǎng)上主流視頻分析技術(shù)多采用DSP方式，基于攝像機(jī)或編碼器。需要注意的是，基于前端DSP方式的視頻分析設(shè)備，一旦需要調(diào)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(yùn)直接在機(jī)房或控制中心調(diào)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(xiàng)目中的成本非常高。

3.冗余技術(shù)(可靠性)

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具有高可靠性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部門(mén)的運(yùn)營(yíng)、安全、維護(hù)等各個(gè)需求支持。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以采用不同的冗余方式來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性，從前端編碼器、傳輸網(wǎng)絡(luò)到轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、管理服務(wù)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)，均可實(shí)現(xiàn)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(qiáng)穩(wěn)定性；或者采用“N+1”冗余方式增強(qiáng)可靠性，以保證單機(jī)故障或更換設(shè)備時(shí)系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行。

·NVR

NVR可采用“N+1”冗余增強(qiáng)可靠性，以保證單機(jī)故障或更換設(shè)備時(shí)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。

·CMS

CMS可以采用“雙機(jī)冗余熱備”方式增強(qiáng)穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)無(wú)停機(jī)運(yùn)行。

·存儲(chǔ)

存儲(chǔ)系統(tǒng)可以采用磁盤(pán)陣列的RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

完全冗余的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)所示，從前端設(shè)備IPC、DVS、傳輸網(wǎng)絡(luò)、NVR、存儲(chǔ)設(shè)備N(xiāo)VR、核心管理平臺(tái)CMS都實(shí)現(xiàn)了冗余功能，保證了系統(tǒng)24小時(shí)高可靠運(yùn)行，減少了因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)、電源、硬件、存儲(chǔ)、軟件等故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)或數(shù)據(jù)丟失。

IPC是單體設(shè)備，提高穩(wěn)定性的辦法是在網(wǎng)絡(luò)短暫中斷時(shí)進(jìn)行本地存儲(chǔ)；對(duì)于大路數(shù)DVS，可以采用“N+1”方式進(jìn)行冗余，防止單體設(shè)備軟硬體失效；對(duì)于NVR，可以采用“N+1”方式進(jìn)行備份，防止單體設(shè)備軟硬體失效；對(duì)于存儲(chǔ)設(shè)備，可采用成熟的RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余保護(hù)；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)，可以采用“雙網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)于CMS，采用雙機(jī)熱備方式，雙機(jī)共享RAID磁盤(pán)陣列，實(shí)現(xiàn)冗余。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控的前提和基礎(chǔ)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的視頻數(shù)據(jù)是海量的。目前典型的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-4和H.264。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)采用的仍然是類(lèi)似以前標(biāo)準(zhǔn)(H.261/3和MPEG-1/2)的基本編碼框架，即典型的三步：預(yù)測(cè)編碼、變換量化和熵編碼。新的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)都是基于優(yōu)化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將先前標(biāo)準(zhǔn)中的某些技術(shù)加以改進(jìn)。例如在原來(lái)的基礎(chǔ)上提出1/4和1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，使得預(yù)測(cè)編碼的性能大大提高。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)不僅僅給出了具體壓縮算法，它是針對(duì)數(shù)字電視、交互式多媒體應(yīng)用、視頻監(jiān)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(yīng)用集成在一個(gè)完整的框架里，為不同的應(yīng)用提供了相應(yīng)的類(lèi)別(Profile)和檔次(Level)。H.264，同時(shí)也是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264也是采用預(yù)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標(biāo)準(zhǔn)最大的優(yōu)勢(shì)是具有很高的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，有利于對(duì)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(chǔ)場(chǎng)合的需求。

在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，產(chǎn)品間的互編互解能力是非常重要的，可以降低系統(tǒng)的集成難度，便于擴(kuò)展并保護(hù)成本。目前，不同廠商設(shè)備互編互解情況并不理想，也就是說(shuō)兼容性不好。主要原因是不同廠家采用的編碼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(profile)及等級(jí)(level)不同，另外數(shù)據(jù)封裝格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本碼流/包)。

4.視頻存儲(chǔ)應(yīng)用技術(shù)

存儲(chǔ)的部署應(yīng)該是靈活的，可以選擇報(bào)警觸發(fā)存儲(chǔ)、預(yù)置時(shí)間表存儲(chǔ)、手動(dòng)啟停存儲(chǔ)等；存儲(chǔ)的架構(gòu)應(yīng)該是主流架構(gòu)如DAS、NAS、SAN等，一般采用RAID5冗余方式。存儲(chǔ)的需求一般是正常錄像和報(bào)警錄像分開(kāi)并設(shè)置不同周期，例如正常錄像7天，報(bào)警錄像30天。存儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目需求情況、網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行部署。

應(yīng)支持對(duì)視頻圖像信息的手動(dòng)備份存儲(chǔ)；視頻信息的錄像存儲(chǔ)、事件觸發(fā)存儲(chǔ)和計(jì)劃存儲(chǔ)功能；系統(tǒng)應(yīng)支持用戶(hù)根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)、事件等多種條件進(jìn)行檢索和回放；系統(tǒng)應(yīng)支持多用戶(hù)同時(shí)調(diào)用檢索視頻圖像；DVR、NVR可以工作在多種存儲(chǔ)歸檔模式下；系統(tǒng)應(yīng)支持下載到本地回放錄像和遠(yuǎn)程直接回放錄像的方式。

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

·存儲(chǔ)架構(gòu)是完全獨(dú)立的二級(jí)架構(gòu)；

·歸檔服務(wù)器(Archive Server)通常分“重要視頻歸檔”及“報(bào)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(duì)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(tǒng)會(huì)自動(dòng)索引；

·可以選擇對(duì)一個(gè)DVR或NVR的某部分通道進(jìn)行歸檔。

5.綜合視頻平臺(tái)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)包括核心數(shù)據(jù)部分和客戶(hù)端工作站，核心數(shù)據(jù)服務(wù)器包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及核心軟件，而工作站系統(tǒng)應(yīng)包括用戶(hù)管理、權(quán)限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平臺(tái)應(yīng)支持對(duì)各種視頻設(shè)備資源、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視及維護(hù)，通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置，對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)的注冊(cè)、認(rèn)證、刪除及權(quán)限分配進(jìn)行管理等功能。系統(tǒng)應(yīng)具有日志管理功能，能夠通過(guò)操作日志對(duì)操作人員進(jìn)入、退出系統(tǒng)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(bào)表制作等功能。

數(shù)據(jù)管理：全線(xiàn)所有設(shè)備的類(lèi)型、版本、數(shù)量、編號(hào)的集中“登記注冊(cè)”于數(shù)據(jù)庫(kù)；監(jiān)視功能：對(duì)全線(xiàn)所有監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像調(diào)用，為領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)急指揮和決策調(diào)度時(shí)顯示提供參考；網(wǎng)管功能：對(duì)全線(xiàn)所有監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)元設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)時(shí)顯示各種設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和告警信息；告警管理：記錄并顯示設(shè)備、系統(tǒng)和通信部分的告警，記錄告警處理情況，可以導(dǎo)出；控制功能：對(duì)全線(xiàn)所有監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)的PTZ控制及繼電器輸出節(jié)點(diǎn)控制；語(yǔ)音對(duì)講：對(duì)前端安裝語(yǔ)音設(shè)備的監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音對(duì)講，單向“喊話(huà)”功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：支持視頻的本地存儲(chǔ)和中心備份，具有多種自動(dòng)、手動(dòng)存儲(chǔ)方式。