軌道交通安防視頻監控系統典型方案

文｜北京市警視達機電設備研究所 雷耀民

1 概述

天津地鐵2號線是貫穿城市東西的骨干線路，主要途經西青區、南開區、和平區、河北區、河東區和東麗區等六個行政區，連接火車站、機場等大型客運樞紐。線路由曹莊起始，下穿外環線后爬升至地面，到達初期設計終點李明莊，共有19個車站、1個停車場、1個車輛段、2個主變電站、1個控制中心。共安裝了1065個攝像機，其中槍型固定攝像機288個、半球型攝像機493個、一體化球型攝像機235個、一體化云臺攝像機49個。

天津市地鐵2號線電視監控系統是一個數字的分布式視頻監控系統，由控制中心系統設備、車站（包括停車場、車輛段）系統設備和車載系統設備三部分組成。

每個地鐵車站（包括停車場、車輛段）的前端攝像機信號通過同軸電纜傳輸到相應的車站（包括停車場、車輛段）通信機房，通過安裝在機房的視頻編碼器轉換為壓縮的數字視頻信號。編碼器的數字視頻輸出連接到以太網上，供全網有授權的用戶使用。

在控制中心中央控制室、車站綜合控制室、停車場及車輛段信號樓控制室設置解碼器、控制終端等設備，用于觀看、控制實時視頻和回放記錄的圖像。圖像可顯示在液晶監視器和/或大屏幕顯示設備上，也可顯示在計算機顯示器上；圖像的觀看、控制以及記錄圖像的回放，可以通過計算機鍵盤、鼠標或模擬鍵盤來控制。在控制中心設置中心儲存中心，通過SAN光纖網絡連接各站網絡視頻錄像機和區域存儲設備，進行分布式的數字視頻的集中存儲。控制中心設置視頻圖像數據的備份和長期歸檔設備，通過SAN光纖網絡進行定期的備份和歸檔操作。視頻數據可以被網絡上的任意授權用戶所調用和控制。

車站級電視監視系統的設置應同時滿足地鐵運營和公安安全防護的要求，車站的監視范圍應包括車站的公共區、辦公區和設備區，停車場和車輛段的監視范圍應包括出入段線咽喉區及停車列檢庫庫門等區域。

2 設備組成

2.1 單個車站電視監視系統設備組成

（1）前端設備，包括半球型固定攝像機、槍式固定攝像機、一體化快球攝像機等。

（2）車站通信機械室設備，包括4臺隔離地變壓器（每臺16路視頻輸入）、1臺4畫面處理器、1臺多功能控制器、1臺多級調用管理器、1臺車站網管主機、1臺以太網交換機、1臺電源機箱、1臺視頻分析主機、8臺8路視頻編碼器、1臺數字視頻管理服務器（含HBA卡）、1臺光纖SAN交換機、2臺機柜。

（3）車站控制室設備，包括2臺20″彩色液晶監視器、1臺視頻監控終端（含22″液晶顯示器）。

（4）一臺多功能控制器JSD-Z/F/J-TJ。JSD-Z/F/J-TJ是集字符疊加、視頻分配、視頻檢測、視頻矩陣輸出為一體的高性能主機，是為軌道交通研制的專用產品。JSD-Z/F/J-TJ在每個車站按64路視頻輸入配置，每路視頻的分配輸出為4路，均具備字符疊加功能。也就是說，JSD-Z/F/J-TJ可以實現64路視頻輸入、256路帶字符分配輸出，網管系統可以檢測64路輸入視頻的狀態。同時，JSD-Z/F/J-TJ還集成了一個64×32的矩陣切換機箱。

（5）一臺多級調用管理器JSD-YTKZTJ。它的引入使用戶可以在系統無任何擴展的情況下，通過軟件設置實現對64個云臺的控制和255級優先級管理，并且可以對全部優先級設置駐留延時，還可以進行中心與車站的交錯式設置。

2.2 控制中心電視監視系統設備組成

（1）通信機械室設備，包括9臺4路視頻解碼器、1臺數字視頻管理服務器（含光纖SAN設備網管）、2臺綜合網管服務器（1主1備，含以太網交換機網管）、1臺視頻分析服務器、1臺車輛信號處理服務器、1套核心以太網交換機、1套網絡防火墻、1套核心光纖SAN交換機、1套光纖存儲陣列柜、1臺電源機箱、4臺機柜等。

（2）調度大廳設備，包括4臺視頻監控終端（含22″液晶顯示器）、1臺網管終端。

3 數字視頻系統技術方案

3.1 數字視頻系統架構

通過數字視頻系統的建設，系統將完成下述要求：

（1）在車站等站點，前端攝像機的模擬視頻信號經多功能控制器分配，輸出給編碼器，編碼器將接收到的模擬視頻信號轉換為兩路數字視頻信號（MPEG2、MPEG4），并接入站點以太網交換機。

站點以太網交換機將MPEG2格式的數字視頻監控信號提供給各值班員的視頻監視終端，同時通過傳輸設備將該信號送入通信傳輸網絡；將MPEG4格式的數字視頻信號通過視頻管理服務器送入光纖SAN網絡進行數字視頻的錄像存儲，另外還要將每個站臺為車輛上傳（通過中心的WLAN接口）的4路MPEG4數字視頻信號送入通信傳輸網絡，優先上傳給中心。

（2）MPEG2格式數字視頻信號由通信傳輸網設備送入中心以太網交換機。中心交換機將數字視頻信號提供給視頻解碼器、中心調度員視頻監控終端。視頻解碼器將還原出的模擬視頻信號送入顯示大屏。

站臺為車輛上傳（通過中心的WLAN接口）的4路MPEG4數字視頻信號也通過通信傳輸網絡先上傳給中心，然后再發送給相關的車輛。

MPEG4格式的數字視頻信號由光纖SAN網絡傳送至控制中心的光纖SAN存儲陣列柜進行存儲。

（3）上述的視頻編碼器配置了NICE公司的8路雙碼流視頻編碼器ENC 8M2/4。這些編碼器采用獨特的雙碼流結構，可以同時編制二種碼流，即用于視頻傳輸和顯示的MPEG2碼流和用于視頻儲存的MPEG4碼流。兩種碼流的圖像分辨率均可設置為D1，25fps實時編碼，并可靈活向下調整。

3.2 數字視頻流傳輸策略

數字視頻監控系統存在多種數字視頻流，因此整個系統的數據流向應預先配合管理使用的合理需求、數字網絡的設計和應用作出整體規劃與控制。

視頻流傳輸策略總體的概念：在保證不間斷、不丟失錄像的同時，保證最大可能的監視與回放操作，并保證后臺同時進行系統管理的能力。

3.2.1 實時監視視頻流

實時監視視頻流有兩種流向、四種方式：

（1）從編碼器開始，經過網絡以單播的方式到一個合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（2）從編碼器開始，經過網絡以組播的方式到多個合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（3）從編碼器開始，經過網絡以單播的方式到指定的解碼器，再輸出到一個合法用戶使用的模擬監視器。

（4）從編碼器開始，經過網絡以組播的方式到指定的解碼器，再輸出到多個合法用戶使用的模擬監視器。

3.2.2 錄像回放視頻流

錄像回放視頻流有兩種流向：

（1）從光纖SAN存儲設備開始，經過網絡以單播的方式到一個合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（2）從光纖SAN存儲設備開始，經過網絡以單播的方式到指定的解碼器，再輸出到一個合法用戶使用的模擬監視器。

3.2.3 中央存儲的視頻流

中央存儲的視頻流的建立過程如圖1所示。

圖1 中央存儲的視頻流的建立過程圖

在控制終端上將視頻輸入通道對應到指定視頻服務器連接的中央存儲單元的RingBuffers（環狀存儲空間）并設定好錄像存儲周期，完成設定后系統即按照設定從編碼器開始以單播形式向中央存儲發送存儲視頻流。

3.3 優先級管理

優先級管理即對云臺的控制進行多用戶權限及優先級別的分配及管理。

站點設置的多級調用管理器JSD-YTKZTJ是進行云臺控制及優先級管理的設備，通過對其參數進行設置，可實現站點及中心對云臺執行可變速俯仰、左右轉動以及改變鏡頭焦距等控制操作，同時可實現云臺控制優先級最多255級的分配，并可實現時間可調的自動駐留。

（1）使用控制終端軟件對站點進行云臺控制，中心及站點值班員的監控終端發出的云臺控制信號通過交換機網絡接入多級調用管理器，以實現云臺控制功能。

（2）根據預先設定的程序，當不同操作員同時操作同一云臺時，多級調用管理器只將優先級高的控制指令送入該云臺。為便于觀看，高級別控制結束一段時間后（例如30s）后方將云臺控制權限釋放，此前低級別的操作員不能控制該云臺。

優先級別及優先級保留的時間可根據具體要求設定。

（3）多級調用為控制終端提供了云臺占用顯示的功能，當云臺被占用時各操作員處（包括中心）可做出顯示（直接在綜合監控終端CCTV軟件上顯示出高優先級操作方的名稱）。

（4）使用多級調用管理器可以對每一個云臺的優先級進行設置，每1個云臺可以設置255級的優先級控制，并且可以設置為控制終端和控制鍵盤交錯的形式。

（5）多級調用管理器提供了與換乘站其他線路之間的通信通道，為日后的運營中各線路間的圖像調看及云臺控制打下了良好的硬件基礎。

4 視頻存儲系統技術設計

視頻存儲系統由各站點視頻管理服務器、光纖SAN交換機網絡、中心儲存磁盤陣列組成。

存儲結構采用集中式，每個站點設置一個分布式視頻管理服務器，控制中心設置數據中心，集中放置磁盤存儲設備。

4.1 視頻存儲系統架構

本視頻存儲系統設計采用NICE公司的網絡視頻錄像服務器（視頻管理服務器）和EMC公司的磁盤陣列。

本系統的存儲結構采用集中式，即各站所轄攝像機所產生數字視頻流將通過分布的IP網絡和SAN光纖網絡傳送至控制中心通信機械室內的，由視頻管理服務器和與其相聯的磁盤陣列系統組成的數字視頻存儲系統中保存起來，滿足用戶的各種錄像檢索及查詢要求。

視頻管理服務器直接通過各站邊緣SAN交換機經過光纖通道匯聚到控制中心核心SAN光纖交換機，再接入控制機房的集中磁盤陣列中。

視頻管理服務器按照用戶要求設置于各個地鐵車站、車輛段、停車場，主變電站的視頻管理服務器設置于相鄰的車站內。磁盤陣列按照用戶要求設置于控制中心機房內。

存儲系統擁有15TB的備份容量，可滿足重要視頻數據及時備份或歸檔，以及進行長期保存的需要。

4.2 視頻管理服務器的配置

根據用戶的要求，所有視頻管理服務器均設于各車站、車輛段、停車場、控制中心通信機械室，磁盤陣列設置于控制中心機房。每64路接入1臺視頻管理服務器，服務器按順序編號。視頻管理服務器和磁盤陣列按區域分別設置。

4.3 SAN存儲網絡的設計

根據設計方案，在各車站與控制中心敷設光纖，組成光纖網絡。磁盤陣列設置于控制中心通信機械室，視頻管理服務器均設置于各個車站、車輛段、停車場。把控制中心通信機械室的SAN交換機作為核心交換機，各個車站、車輛段、停車場的SAN交換機作為邊緣交換機，與光纖網絡組成SAN網絡。

因為視頻管理服務器和磁盤陣列設于不同位置，距離比較遠，所以采用“核心光纖交換機+邊緣光纖交換機”的方式來搭建整個SAN網絡。距離超過10km時需要增加粗波分多路復用模塊以確保信號傳輸的穩定和可靠。在控制中心通信機械室機房放置1臺Cisco的核心光纖交換機，各個車站、車輛段、停車場放置1臺Cisco 8口的邊緣光纖交換機。

5 車地視頻圖像傳輸及中心調用方案

5.1 WLAN系統車地視頻傳輸通道

本系統與旅客信息系統共用一套無線局域網設備（WLAN系統提供）實現車地視頻傳輸。WLAN系統在線路上布置足夠數量的AP熱點，AP之間通過有線方式進行連接。

WLAN系統與本系統在控制中心有一個以太網接口（千兆），車地視頻圖像的傳輸通過此接口進行。

5.2 車站傳送4路圖像給停靠車輛（通過控制中心）

車輛停靠在車站站臺時，設在中心的車輛信號處理服務器根據數據庫的動態車次列表及進出站信息獲知停靠在車站的車輛IP地址后，發送命令給車站的相關編碼器以調用車輛所停靠車站相關站臺的4路MPEG4數字視頻信號到中心交換機，并將其發送給WLAN系統中心設備。

WLAN系統中心設備將該信號通過有線方式傳送給相應的AP熱點，再上傳給與該IP地址相匹配的車輛的司機室控制終端。此時，車輛司機室監視終端軟件應實現圖像自動切換至站臺圖像的功能。

車輛離開站臺后，車輛信號處理服務器通過數據庫的動態車次列表及進出站信息得知該車輛離開車站，發出停止調用圖像命令給車站，切斷以上數字視頻信號的傳輸。此時，車輛司機室監視終端軟件應實現圖像自動切換回車載圖像的功能。

5.3 中心調度員調用車載圖像

車輛在線路上時，中心調度員通過控制終端，根據車次號或車體號調用車載圖像，該調用命令被發送給車輛信號處理服務器，車輛信號處理服務器根據數據庫的動態車次列表得知與該車次號或車體號相匹配的車輛IP地址后，發送調用該IP地址的圖像命令給WLAN系統的中心設備。

WLAN系統的中心設備根據圖像調用命令中的IP地址，發送命令給接收該IP地址車輛圖像信號的車輛上的車載編碼器，車載編碼器將車輛的MPEG4數字視頻信號發送給AP熱點，AP熱點通過有線方式傳送給WLAN系統的中心設備。

WLAN系統中心設備將該信號送入本系統的中心交換機，以滿足控制中心調度員的圖像調用請求。

中心調度員控制終端停止調用該車次號或車體號的車載圖像時，該停止調用命令被發送給車輛信號處理服務器，車輛信號處理服務器根據數據庫的動態車次列表得知與該車次號或車體號相匹配的車輛的IP地址后，發送停止調用該IP地址的圖像的命令給WLAN系統的中心設備。

WLAN系統的中心設備根據圖像停止調用命令中的IP地址，發送命令給接收該IP地址車輛圖像信號的AP熱點，AP熱點將命令發送給與該IP地址相匹配的車輛上的車載編碼器，車載編碼器將停止發送視頻信號。

中心調度員最多可調用兩路車載MPEG4數字視頻信號。

通過以上方式，中心調度員能夠根據車輛的車次號或車體號隨意調看任一車輛上的任何攝像機的圖像。