數模結合視頻監控系統在軌道交通中的應用

王 靖, 龐 立

(上海電氣自動化設計研究所有限公司,上海200023)

數模結合視頻監控系統在軌道交通中的應用

王 靖, 龐 立

(上海電氣自動化設計研究所有限公司,上海200023)

闡述了模擬和數字視頻監控系統各自的優勢和特點,詳細介紹了模數結合的視頻監控系統在上海軌道交通中的應用,并提出了發展設想。

數模結合;視頻監控;軌道交通

Abstract：This paper introduces the characteristics and advantagesthe of analog and digital video surveillance systems respectively,analyzes in detail the application of the analog-digital combination video surveillance system in Metro of Shanghai.T he development tendency and attentive technology of the video surveillaance system for metro are investigated as well.

Key words:analog-digital combination;video surveillance;metro

隨著中國城市化進程的加快,城市人口急劇增加,城市交通承受的壓力越來越大。軌道交通由于其運量大、速度快、準時準點、安全性高等特點成為各大城市緩和與改善城市交通緊張的優先選擇。但是,縱觀全球軌道交通的發展史,安全防范問題一直是地鐵運營管理部門和公安部門面臨的最嚴峻的挑戰。

軌道交通視頻監控系統是軌道交通安全防范系統中最重要的一個組成部分,它能夠在第一時間以圖像、文字形式告知管理、維護和保安人員現場發生的情況,使各相關部門及時有效地做出快速反應,并對重要的視頻圖像進行記錄,為處理事故提供切實依據。本文以上海軌道交通為例,闡述了模數結合的視頻監控系統在軌道交通中的應用。

1 傳統模擬系統架構

上海地鐵建設初期采用模擬視頻監控系統。模擬視頻監控系統以視頻矩陣為中心架構,前端攝像機的視頻輸出信號及控制信號一般通過視頻線纜及控制線纜與控制系統連接,與距離較遠的控制中心的連接則采用光端機或雙絞線傳輸設備來實現傳輸。視頻信號進入控制室后通過視頻分配器同時接入視頻矩陣和數字硬盤錄像機(DVR),由DVR實現對所有視頻圖像的錄像,操作人員通過控制鍵盤實現在監視器上對前端視頻圖像的切換和一體化攝像機的控制。

在一些獨立的區域安防項目中多使用單套模擬視頻矩陣系統的架構。隨著各行業對安防系統的要求越來越高,單套模擬矩陣監控系統已無法滿足行業對安全防范監控系統的要求,在這些行業中多采用聯網矩陣系統,如圖1所示。

圖1 聯網矩陣系統結構圖

聯網矩陣系統可以將多套獨立的監控系統通過聯網來實現視頻共享、控制互通。各套系統本身可以獨立管理本地的視頻圖像,而通過聯網,上級管理中心可以調用查看每個下級中心的所有視頻圖像并實現控制,實現系統的統一管理。控制通道的聯網主要有2種方式:①通過以太網;②通過傳輸系統的低速數據通道提供RS485連接,在上海地鐵以往采用RS485通道進行聯網控制。

模擬系統經過多年的發展和完善,相對于數字系統,其產品及技術已完全成熟。此外,模擬系統的視頻未經視頻壓縮、數模轉換等處理,故無損的視頻質量和畫面的無延時都是數字系統所無法比擬的。當然,模擬監控系統也有自己的缺陷,如在視頻存儲方面的不足及多系統間互相控制復雜布線方式等,故在當今的模擬系統中采用DVR、以太網聯網等數字技術來彌補自身的不足,以滿足更高的監控需求。這樣的改善只能算是數字技術對模擬系統進行優化,并不是真正的模擬系統與數字系統的結合[1-2]。

2 數字監控系統架構

數字系統主要通過計算機網絡聯網,有許多種組建方案,主要分為2種系統架構:①通過DVR、視頻服務器(DVS)實現分布式存儲和聯網的系統架構;②采用基于IP攝像機、視頻編解碼器和網絡集中存儲的方式實現的系統架構。

2.1 基于DVR/DVS的數字系統

采用DVR/DVS實現分布式存儲和聯網的系統架構主要采用DVR/DVS的網絡功能來構架系統,在DVR/DVS硬件及其軟件上開發一些新的功能,如增加DVR的視頻輸出端口數量,并在DVR內部開發類似視頻矩陣的切換功能,以實現簡單的視頻切換控制功能;另外應用流媒體服務器,減輕DVR網絡訪問負擔,節省帶寬,實現C/S模式和B/S模式訪問的統一等。這種架構的數字系統主要應用在小型系統中,在很多有大型監控需求的行業中無法獨立運用。

2.2 基于IP攝像機和視頻編解碼器的純數字系統

在大型數字化網絡聯網系統中,基于IP攝像機、視頻編解碼器和網絡集中存儲方式的系統解決方案代表了監控系統的主流發展趨勢。數字化監控系統是將網絡技術、多媒體技術與視頻監控系統有機地結合起來的一種全新的系統結構。利用計算機網絡技術,將數字化的監控信息傳送到網絡上,與現有的信息管理系統融為一體,使網絡中的每一臺多媒體計算機均可實現對監控系統的管理和調用,提高管理水平和管理效率。

數字監控系統前端采用IP攝像機或模擬攝像機配合視頻編碼器將數字視頻圖像接入到以太網中,網上通過錄像存儲服務器(Network Video Recorder,NVR)完成圖像集中錄像,后端的管理中心控制設備也接入以太網在網絡上查看和控制前端視頻圖像。流媒體服務器負責視頻數據的分發,解決多用戶并發和網絡帶寬不足的問題。系統結構如圖2所示[3-4]。

圖2 基于IP攝像機的數字系統結構圖

此類系統的優點主要表現在:①系統容量大,結構簡單擴容方便,無論增加攝像機或監視器,只需要增加相應的終端設備和編解碼器而無須對已有系統作大的改動;管理方便,可以對各客戶端劃分細致的管理權限。②具有便利的人工智能處理功能或接口,可以實現數字系統獨有的智能處理功能。③施工簡單,方便維護,可以省卻很多電纜,方便管理和維護。

其缺點包括:①畫面質量和傳輸延時需要進一步提高。②成本較高。目前編解碼器的成本比普通光端機高,對于小系統也省不下很多線纜,因此成本相對于傳統監控系統要高;在大型系統中,過多的前端數量也會造成中心集中存儲的成本高昂。③局部網絡連接不正常時,前端部分圖像丟失不可恢復,無法查詢。

3 數模結合系統的架構

數模結合系統考慮到模擬系統的圖像質量好及無延時等特點,在本地監控系統中采用模擬系統來實現視頻的控制管理,而利用數字系統的傳輸優勢、權限設置及人工智能功能接口等優勢來實現管理中心的統一管理及圖像智能處理功能。如圖3所示。

4 上海軌道交通數模結合視頻監控系統的架構

上海軌道交通視頻監控系統是一個非常龐大的系統,大部分線路均采用數模結合的系統架構。車站1級采用模擬系統,以視頻矩陣為核心進行監控管理;各中心采用數字系統,在車站視頻矩陣后級采用數字視頻編碼器將圖像傳送到控制中心統一管理。

整個視頻監控系統可分為3級:

第1級由車站的攝像機、均衡器、字符發生分配器、數字硬盤錄像機、數字視頻交換等設備組成,可控制和切換本車站區域內的攝像機,并完成對所有前端攝像機的圖像進行全天不間斷錄像。

第2級各線路控制中心為第2級,通過通信傳輸系統與第1級建立通信并通過第1級設備實現對車站設備的管理,達到整個線路的監控功能。

第3級為公安指揮中心和其他上層管理中心,通過設在各線路控制中心的視頻接口設備與共用信息網視頻監控系統相連,通過其完成控制協議的轉換和圖像轉發,被選圖像經共用信息網傳送至相應上層管理指揮中心后,通過該處的視頻解碼設備還原成模擬信號輸出。

4.1 第1級——車站級

車站視頻監控系統以模擬監控為主,采用模擬實時圖像傳輸。每個車站的視頻監控系統都以視頻矩陣為核心,通過其外圍設備來完成圖像采集、傳輸、顯示、控制等功能。設備包括固定彩色攝像機、球型一體化彩色攝像機、視頻均衡器、字符發生分配器、多畫面處理器、視頻切換矩陣、監視器、控制鍵盤、數字硬盤錄像機等。其特點是穩定可靠,圖像清晰,響應迅速。系統如圖4所示[5]。

圖3 典型數模結合系統結構圖

圖4 典型車站監控系統結構圖

地鐵的視頻信號模擬傳輸充分考慮了電氣化鐵道的特性,前端攝像機采集的視頻信號通過同軸電纜傳輸接入視頻均衡器。該設備可以對視頻信號頻率、相位、幅度進行調節補償。所有攝像機信號經均衡器處理后,接入字符發生分配器,由字符發生分配器為每路圖像疊加不同的中英文標識和時鐘。由于軌道交通視頻監控系統對時間的校對有嚴格要求,該設備具有RS-232接受外部時間校對命令的接口,并同時備有RS-485接口用于多機間時間校對命令的聯系。只要對該車站的一臺字符發生分配器發送時間校對命令,即可校對本車站內所有字符發生器進行校時。字符發生分配器還具有視頻分配器一分4的功能,所有圖像可被分配成4路:①與視頻切換矩陣連接;②與錄像設備連接;③與多畫面處理器連接;④系統備用。

視頻圖像的保存采用本地錄像的方式,在每個車站配置多臺嵌入式數字硬盤錄像機進行數字式不間斷存儲,錄像的格式采用H.264,存儲時間按每15 d為一個周期重復使用硬盤。硬盤錄像機通過網線接入視頻監控系統中的以太網交換機,在各站站長室和車站警務站配置了錄像回放工作站,值班人員可通過相應的回放軟件客戶端即可實現對本站所有視頻錄像的調用,所有圖像均可作實時回放,回放不影響錄制。回放可顯示時間、地點等信息,并能將錄像文件下載到回放工作站中進行刻錄保存。

車控室和車站警務室的液晶監視器直接接在視頻矩陣的輸出端,值班人員通過與視頻矩陣直接連接的控制鍵盤即可完成對本站所有攝像機圖像的切換和一體化攝像機的PTZ控制(Pan/Tilt/Zoom)。

為了實現全線的統一調度控制,在車站還配置了視頻服務器,通過以太網接收本線控制中心及上層網各中心的操作指令。

車站入侵報警系統和其他警告設備通過以太網或總線方式與視頻服務器通訊,實現與視頻監控系統的聯動控制。當出現報警時,可根據設置的聯動預案將相關區域的攝像機圖像調用到車控室、派出所、控制中心指定的監視器上顯示。

4.2 第2層——線路中心級

視頻圖像至中心的傳輸采用MPEG2格式視頻編解碼系統來實現,車站視頻矩陣的輸出端與數字視頻編碼器視頻輸入相連,視頻編碼器將模擬視頻信號進行數字化壓縮編碼通過千兆傳輸以太網傳送到各中心,中心的視頻解碼器將數字視頻流還原成模擬視頻圖像顯示在各調度臺監視器和大屏幕上。系統結構如圖5所示。

圖5 控制中心系統結構圖

線路控制中心視頻服務器采用雙機熱備方式,對全線視頻監控系統進行統一管理,接受控制中心各調度值班員以及上層各中心的操作指令,進行指令分析和協議轉換,并就權限和優先級判斷,然后將其指令通過以太網轉發至車站視頻服務器通過視頻矩陣對車站攝像機圖像進行切換和PT Z控制,同時對數字視頻編解碼系統進行視頻流切換,最終將圖像顯示在指定的監視器上。同時,該服務器內設置聯動預案,可與報警系統及其他系統進行聯動,當報警發生時,可將相關區域的攝像機調用的指定的監視器上。

控制中心的控制流程如圖6所示。

圖6 控制中心控制流程圖

網管服務器對全線系統設備進行管理,可對各種設備實時和歷史狀態進行查詢。

此外,為了加強對錄像的管理,在控制中心還設置了錄像管理服務器,可對全線各車站的數字硬盤錄像機進行遠程設置、管理及錄像的查看和下載。

4.3 第3層——上層中心級

各上層中心也采用MPEG2視頻編解碼系統來實現對各線路車站視頻圖像的調用,這就對各線路所采用的不同的MPEG2視頻編解碼系統提出了互編互解的兼容要求。

由于各線路視頻監控系統在不同時期由不同集成商建設,因此,上海地鐵制定了《上海軌道交通基本網絡電視監控和安防系統接口與協議》,上層各中心與各線路控制中心服務器之間均按照該協議進行通訊,從而實現上層各中心對各線路視頻監控系統的統一調用管理,為各中心的指揮調度、領導決策、突發事件處理等提供了及時可靠的視頻監控資料。

4.4 數字編解碼系統

目前主流的視頻編解碼格式主要有MPEG2和MPEG4兩種。MPEG2制定于1994年,是建立在MPEG1之上,設計目標是高級工業標準的圖像質量以及更高的傳輸率。它主要應用在沒有色度畸變要求場合的高質量視頻。MPEG2能夠提供廣播級的視像和CD級的音質。MPEG2是為錄制高清晰度的高質量動態圖像而開發的,能夠存儲比MPEG1清晰度更高的動態圖像。

上海地鐵視頻監控系統由于其獨特的要求,所選用的MEPG2編解碼系統具有以下技術特性。

(1)數字視頻流轉發技術

選用的標準視頻解碼器具備數字視頻流轉發功能,能夠將其接收到的數字視頻流以不同的IP地址、網絡協議進行二次轉發。因其轉發的視頻流不經過數模轉換,其視頻質量與從源編碼器獲得的圖像質量一致。數字視頻流的轉發功能能夠滿足大面積同時對一幅圖像的瀏覽,尤其是基于不支持組播的廣域網絡。此功能對提升系統處置突發性重大事件和反恐怖事件的能力有著至關重要的作用。當重大事件發生時,車站、監控中心,甚至通過其他網絡與地鐵傳輸相互連接的網絡(如公安網絡、應急中心網絡)都需要對一幅或多幅圖像進行同時瀏覽。由于不是所有的網絡都支持組播,這必須要求同一幅圖像能夠以多個單模流的形式發向多個視頻終端。通過視頻解碼器的轉發功能,同時接收視頻流的終端數量將不再受任何限制。

(2)同時支持單播與組播

選用的視頻編碼器和具備轉發功能的視頻解碼器具備同時支持單播與組播的功能。此項功能能夠讓處于不同網絡的用戶直接接收數字視頻流,避免二次編解碼和不必要的數模轉換投資。同時支持單播與組播的視頻編碼器能夠發出組播流供地鐵專用網絡中的用戶同時進行圖像瀏覽,并發出單播流到不支持組播的無線或OA網絡,滿足其他用戶的需求;同時支持單播與組播的視頻解碼器能夠將編碼器的數字流通過不支持組播的網絡進行接收并轉換為組播流,轉發到支持組播的網絡中。

(3)對網絡風暴的抑制

基于傳輸系統的IP網絡,由于其本身的傳輸特色為非收斂性網絡,其應答和重發機制有可能在網絡流量達到一定的上限后呈爆炸性的增長,形成網絡風暴。網絡風暴一旦形成,會導致整體的IP通道不可使用,甚至有可能影響傳輸系統上的其他業務。數字視頻監控系統作為傳輸系統帶寬的最大用戶,必須具備網絡風暴的防止及抑制機制。選用的視頻編碼器周期性的探測視頻解碼器及網絡狀態,如果視頻編碼器發現無法與其對應的視頻解碼器進行通訊,則停止發送數字視頻流。一旦網絡或視頻解碼器恢復正常狀態,視頻編碼器自動重新啟動數字視頻流的發送。

5 結 語

上海地鐵視頻監控系統采用模擬系統+數字編解碼器系統的數模結合架構,是將傳統的模擬監控系統與數字視頻技術、網絡技術和軟件技術的有機融合,性能可靠、擴展簡單、功能先進、操作方便,具有以下特點:①具有模擬系統的無損視頻質量;②具有模擬系統本地超低延時;③具有數字系統的高效可靠傳輸;④具有數字化存儲的優勢;⑤具有便利的人工智能處理功能或接口。

隨著計算機技術、存儲技術、高清視頻技術的發展,地鐵的視頻監控系統應在標準化、視頻智能化、視頻分布存儲、高清視頻等方面不斷完善,以滿足系統大型化、管理多元化、需求差異化、功能多樣化的發展需求。

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Application of Analog-digital Combination Video Surveillance System in Metro

WANG Jing,PANG Li
(Shanghai Electrical Automation D&R Institute Ltd.,Shanghai 200023,China)

T P 335.4

A

1674-540X(2010)02-010-07

2010-01-20

王 靖(1978-),男,工程師,主要從事自動化控制、大型視頻監控系統方面的研究工作,

E-mail:wangjing_seari@yahoo.com.cn