城市軌道交通聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃研究*

王 健 尹 嶸 張 寧

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，210024，南京;2.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，100073，北京;3.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，210018，南京//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通工程通信系統(tǒng)中的主要子系統(tǒng)，能夠?yàn)榭刂浦行牡恼{(diào)度員、各車站值班員、司機(jī)提供列車運(yùn)行、防災(zāi)救災(zāi)、旅客疏導(dǎo)以及社會(huì)治安等方面的有關(guān)視覺信息，還能為軌道交通的其他系統(tǒng)(如電力監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等)提供設(shè)備管理監(jiān)視信息。

隨著對(duì)地鐵運(yùn)營安全的重視，目前地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要性日益提升，運(yùn)營需求越來越多，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來越高。而國內(nèi)外視頻監(jiān)控產(chǎn)品眾多、視頻標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、協(xié)議互聯(lián)互通性差，對(duì)于存在多家建設(shè)主體的南京地鐵，這些均是制約其實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控的重要因素。若不統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，日后視頻監(jiān)控全網(wǎng)調(diào)看時(shí)會(huì)在設(shè)備改造、軟件開發(fā)和接入實(shí)施等方面存在很大難度，甚至需要整體替換原有各線視頻監(jiān)控平臺(tái)。

面對(duì)南京大規(guī)模、快節(jié)奏的地鐵建設(shè)，適時(shí)開展相關(guān)規(guī)劃研究工作有利于統(tǒng)一線網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和組網(wǎng)方案，有利于南京地鐵上層網(wǎng)視頻信息平臺(tái)的有效建設(shè)。

1 聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求分析

1.1 線路層需求

(1)監(jiān)視范圍:各車站值班員監(jiān)視本站站臺(tái)、站廳、自動(dòng)扶梯、垂直電梯、出入口、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)檢票閘機(jī)、電力供電專業(yè)的變電站開關(guān)設(shè)備;列車司機(jī)監(jiān)視站臺(tái)和旅客上下車情況。中心調(diào)度員可在顯示終端或大屏幕上通過軟件或硬件任意調(diào)看全線各車站、各列車任意攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像。

(2)錄像:各車站/車輛段/停車場對(duì)本地所有攝像機(jī)攝取的視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷錄像，保存時(shí)間≥7 d;控制中心調(diào)度員可根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)等信息對(duì)全線各車站任何一路圖像信號(hào)進(jìn)行檢索及查詢，并進(jìn)行本地錄像，錄像資料應(yīng)便于日后檢索及查詢。

(3)攝像范圍控制:各車站/車輛段/停車場值班員能夠在本地控制鏡頭焦距和云臺(tái)攝像機(jī)，并可設(shè)定優(yōu)先級(jí);控制中心各調(diào)度員能夠遠(yuǎn)程控制各車站/車輛段/停車場云臺(tái)攝像機(jī)，并可設(shè)定優(yōu)先級(jí)。預(yù)留公安視頻監(jiān)控及其它共享視頻信息的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，并保證優(yōu)先級(jí)隨時(shí)可調(diào)，且對(duì)不同的云臺(tái)可設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)順序暫定為:中心防災(zāi)值班員、車站防災(zāi)值班員、中心行車值班員、中心電力調(diào)度員、車站行車值班員。

(4)字符疊加:系統(tǒng)應(yīng)能將攝像機(jī)的號(hào)碼及位置、云臺(tái)當(dāng)前控制使用者ID、攝像日期和時(shí)間等信息進(jìn)行疊加，以便在監(jiān)視器上顯示，且能隨時(shí)調(diào)整改動(dòng)。

(5)圖像分析:關(guān)鍵部位攝像機(jī)應(yīng)具有異常圖像分析功能，一旦發(fā)生異常情況，系統(tǒng)能自動(dòng)切斷正常顯示在屏幕上的圖像，直接彈出異常畫面并伴隨聲光報(bào)警，包括(但不限于)非法闖入報(bào)警、可疑物品遺留報(bào)警、人員長期滯留報(bào)警、人員擁擠自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)客流統(tǒng)計(jì)等功能。

(6)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng):應(yīng)能與FAS(防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))聯(lián)動(dòng)，發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)直接彈出異常位置畫面并伴隨聲光報(bào)警。

(7)遠(yuǎn)程電源控制:控制中心各調(diào)度員在需要的情況下，應(yīng)能控制各車站攝像機(jī)、監(jiān)視器的電源，列車停運(yùn)后關(guān)閉，開始運(yùn)營前開啟，以延長設(shè)備的使用時(shí)間。

(8)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理:能對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行綜合監(jiān)視與管理，必要時(shí)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及配置作及時(shí)的修改。

(9)圖像分辨率需求:對(duì)于實(shí)時(shí)圖像，圖像分辨率要求至少為D1(720 dpi ×480 dpi)，對(duì)于錄像圖像，分辨率要求至少為CIF(352 dpi×288 dpi)。

(10)圖像實(shí)時(shí)性需求:對(duì)于單線工程內(nèi)圖像，端到端(圖像采集編碼經(jīng)數(shù)字傳輸后解碼還原)延時(shí)≤500 ms。

1.2 線網(wǎng)層需求

線網(wǎng)層視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由TCC(軌道交通指揮中心)負(fù)責(zé)建設(shè)，因此線網(wǎng)層運(yùn)營需求取決于TCC 系統(tǒng)的建設(shè)需求。根據(jù)TCC 規(guī)劃，TCC 建設(shè)時(shí)將統(tǒng)一建設(shè)上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)，通過上層傳輸網(wǎng)提供的1 000 Mbit/s 以太網(wǎng)通道，與各線視頻監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)互通。具體需求如下:

(1)上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)需要從各線獲取實(shí)時(shí)視頻圖像，因此要求各線實(shí)時(shí)圖像的編解碼技術(shù)和視頻傳輸封裝協(xié)議必須通用、開放、可修改，能讓上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)解碼各線圖像。

(2)上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)能選擇各線的任意圖像以及對(duì)云臺(tái)攝像機(jī)的PTZ(Pan/Tilt/Zoom)控制操作，因此要求各線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制協(xié)議必須通用、開放、可修改。

(3)上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)能從各線錄像系統(tǒng)中實(shí)時(shí)調(diào)用所需錄像數(shù)據(jù)，因此要求各線視頻錄像系統(tǒng)的存儲(chǔ)協(xié)議和調(diào)用協(xié)議必須通用、開放、可修改。

2 技術(shù)選型分析

目前，我國城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)的制式主要為“本地模擬+數(shù)字傳輸”，全模擬制式已逐漸退出行業(yè)，隨著全數(shù)字制式的成熟和產(chǎn)品性價(jià)比的提高，全數(shù)字制式已逐漸得到推廣。其中，實(shí)時(shí)視頻和錄像存儲(chǔ)的編、解碼方式一般采用MJPEG、MPEG-2、MPEG-4 或 H.264，承載帶寬綜合考慮編解碼算法差異、圖像清晰度要求、傳輸及視頻系統(tǒng)設(shè)備能力等諸多因素，一般設(shè)定為2～16 Mbit/s 不等;視頻錄像存儲(chǔ)一般采用DVR(數(shù)字硬盤錄像機(jī))存儲(chǔ)、NVR(網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī))存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)塊直存、服務(wù)器流媒體轉(zhuǎn)存等幾種方式;視頻監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)字傳輸承載網(wǎng)絡(luò)多采用OTN(光傳送網(wǎng))、MSTP(基于SDH 的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái))、RPR(彈性分組環(huán))等設(shè)備產(chǎn)品，模擬視頻傳輸方式一般采用多路模擬光端機(jī)。通過全面詳細(xì)的分析比較，筆者認(rèn)為:

(1)H.264 視頻編解碼技術(shù)作為目前視頻監(jiān)控行業(yè)的主流技術(shù)，在編碼算法、圖像還原性、帶寬占用、兼容性上都很有優(yōu)勢。

(2)隨著高清圖像技術(shù)優(yōu)勢日益凸顯，以及產(chǎn)品應(yīng)用的日益擴(kuò)展和產(chǎn)品價(jià)格競爭的日益充分，高清圖像技術(shù)的應(yīng)用案例已逐步增加。推薦南京地鐵新建工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)考慮高清圖像技術(shù)。

(3)隨著視頻技術(shù)和IP 技術(shù)的不斷融合，應(yīng)用案例已很普遍，利用IP 技術(shù)［1］的優(yōu)勢可提高視頻技術(shù)的互聯(lián)互通性。

(4)隨著視頻監(jiān)控需求的不斷提高及智能視頻分析技術(shù)的日益發(fā)展，建議在應(yīng)用環(huán)境成熟時(shí)，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中適時(shí)增加智能視頻分析技術(shù)，提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功效。

(5)南京地鐵將進(jìn)行TCC 建設(shè)，上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)隨之建設(shè)，選擇通用性好、兼容性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的平臺(tái)是上層網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

3 規(guī)劃方案

3.1 總體規(guī)劃方案

根據(jù)南京地鐵的總體線網(wǎng)規(guī)劃，視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)從全網(wǎng)角度統(tǒng)一考慮。筆者建議各線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)和TCC 上層網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)均按如下統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

(1)可見光通信技術(shù)(VLC)視頻統(tǒng)一平臺(tái)。基于國際通用的視頻平臺(tái)［2］對(duì)視頻主設(shè)備進(jìn)行兼容性開發(fā)。推薦南京地鐵TCC 上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)和各新建線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)均采用統(tǒng)一的VLC 視頻解碼平臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)的主要視頻設(shè)備的主要編解碼協(xié)議、控制協(xié)議等均應(yīng)遵循VLC 平臺(tái)，去除各設(shè)備廠商的私有協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)與各線路視頻監(jiān)控平臺(tái)的互聯(lián)互控。

(2)H.264 高清視頻技術(shù)。H.264 能夠在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸，該優(yōu)點(diǎn)非常適合用戶量大、接入網(wǎng)/骨干網(wǎng)帶寬相對(duì)有限的狀況。在同等的畫質(zhì)下，H.264 比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2 平均節(jié)約64%的傳輸碼流，而比MPEG4 ASP 平均節(jié)約39%的傳輸碼流。推薦南京地鐵新建工程實(shí)時(shí)圖像和錄像存儲(chǔ)均采用H.264 視頻編解碼技術(shù)。

(3)全數(shù)字組網(wǎng)方案。推薦南京地鐵新建工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用全數(shù)字視頻組網(wǎng)方案。利用上層傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的IP 通道，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開放，TCC 可調(diào)用各條線路中的任意實(shí)時(shí)視頻圖像。對(duì)云臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行PTZ 控制，可調(diào)用任意視頻錄像，同時(shí)還可對(duì)實(shí)時(shí)瀏覽的各路圖像進(jìn)行保存和回放。全數(shù)字高清視頻組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 全數(shù)字高清視頻組網(wǎng)方案

高清IPC(網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭)實(shí)現(xiàn)前端高清視頻傳感/編碼/網(wǎng)絡(luò)傳輸，攝像機(jī)可同時(shí)輸出數(shù)字視頻信號(hào)和模擬視頻信號(hào)［3］。其中，數(shù)字視頻信號(hào)可滿足專網(wǎng)視頻上傳、本地調(diào)看及存儲(chǔ)的要求;模擬視頻接口可連接至公安視頻系統(tǒng)，滿足公安視頻監(jiān)控采用模擬視頻解決方案的需要。

各線路按照統(tǒng)一技術(shù)要求，完成本線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)及與TCC 視頻監(jiān)控平臺(tái)的接口建設(shè)。TCC 上層網(wǎng)視頻監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)在TCC 的建設(shè)中完成。各線(含既有線)需經(jīng)過各方充分論證后，適時(shí)增加智能視頻分析功能。基于上述總體規(guī)劃，應(yīng)重點(diǎn)考慮目前已建設(shè)好的線路對(duì)視頻監(jiān)控平臺(tái)的接入及相應(yīng)改造方案;對(duì)于新建設(shè)線路，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮上層網(wǎng)的接入方法，對(duì)各線路進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

3.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

(1)統(tǒng)一配置要求。南京地鐵各線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的用戶控制接口(即人機(jī)界面)應(yīng)友好、靈活、易用，能接受用戶指令并反饋系統(tǒng)消息，能滿足用戶的使用習(xí)慣;應(yīng)對(duì)控制鍵盤、終端控制、顯示界面統(tǒng)一制定配置要求。

(2)基礎(chǔ)的網(wǎng)管功能。網(wǎng)管必須包括:對(duì)上層網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制終端數(shù)量的設(shè)置;用戶密碼和控制優(yōu)先級(jí)的設(shè)置;對(duì)操作系統(tǒng)的備份;對(duì)系統(tǒng)操作的記錄(工作日志);對(duì)上層網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制功能的設(shè)置和診斷;對(duì)系統(tǒng)故障的監(jiān)視及告警等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(含上層網(wǎng)和各線網(wǎng))中任意節(jié)點(diǎn)的視頻設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，只有與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的功能喪失，而不得影響其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。當(dāng)上層網(wǎng)節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控發(fā)生故障時(shí)，不得影響下層各線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行;同樣，下層某線視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，也不得影響其它線及上層網(wǎng)的視頻監(jiān)控的正常運(yùn)行。

(3)組播地址統(tǒng)一分配。單線路新線建設(shè)中，采用交換機(jī)三層組播方式進(jìn)行視頻流組播。各條線向TCC 上層網(wǎng)傳輸組播視頻流。各條線內(nèi)使用的組播地址與向上層網(wǎng)傳送視頻的組播地址應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一分配。

(4)統(tǒng)一視頻控制協(xié)議。單線路的控制中心視頻服務(wù)器必須響應(yīng)并遵守TCC 上層網(wǎng)的統(tǒng)一控制協(xié)議。協(xié)議應(yīng)包含用戶登錄與退出、心跳、視頻請求、視頻停止、球機(jī)PTZ 控制、球機(jī)占用情況、數(shù)據(jù)更新等內(nèi)容。

(5)系統(tǒng)邏輯的動(dòng)態(tài)配置。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展和新線路的加入，系統(tǒng)邏輯(含管理邏輯和業(yè)務(wù)邏輯)會(huì)隨之發(fā)生變化，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)所有邏輯的動(dòng)態(tài)配置和統(tǒng)一管理。

(6)用戶權(quán)限的統(tǒng)一管理。應(yīng)采取主從機(jī)(TCC/OCC(運(yùn)營控制中心))多點(diǎn)熱備份的方式實(shí)現(xiàn)用戶身份驗(yàn)證和權(quán)限管理。TCC 用戶管理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和OCC 用戶管理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)備份。根據(jù)登錄用戶權(quán)限的不同，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)配置當(dāng)前管理節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的邏輯。

(7)軟件體系平臺(tái)化。南京地鐵整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，即各條線的應(yīng)用系統(tǒng)通過平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用模塊的重用。各線視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成商必須按平臺(tái)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行線路視頻監(jiān)控平臺(tái)的搭建:采用統(tǒng)一的管理平臺(tái)(TCC/各線路OCC/分站三級(jí)管理)實(shí)現(xiàn)組播地址分配、網(wǎng)絡(luò)管理、視頻控制等管理功能;采用統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、錄像查詢、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等業(yè)務(wù)功能。

4 建設(shè)中需注意的問題

本系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、實(shí)施將按南京地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由各線路嚴(yán)格分期分步實(shí)施。由于南京地鐵目前存在多個(gè)建設(shè)公司，對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施，應(yīng)著重考慮以下三個(gè)方面:

(1)全網(wǎng)視頻協(xié)議兼容。主要是視頻圖像調(diào)用控制編碼協(xié)議和視頻圖像編解碼協(xié)議。由于這些協(xié)議的兼容或開放可能涉及產(chǎn)品供貨商的技術(shù)保護(hù)和壁壘，因此需在建設(shè)過程中按照本規(guī)劃提出的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，向系統(tǒng)總包商及產(chǎn)品供貨商提出明確的用戶需求。

(2)與公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口統(tǒng)一。南京地鐵單線路專網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案的最終確定離不開與公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口確定，公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各線與地鐵專網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)共享資源的方式直接影響地鐵專網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案，因此，建議南京地鐵全網(wǎng)與公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口內(nèi)容要統(tǒng)一。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)最新技術(shù)的跟蹤。目前，國內(nèi)各行業(yè)視頻監(jiān)控需求強(qiáng)烈，視頻監(jiān)控行業(yè)產(chǎn)值逐年攀升，研發(fā)投入也逐年遞增，因此視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異。建議緊跟視頻監(jiān)控系統(tǒng)最新技術(shù)的發(fā)展，以便在新技術(shù)應(yīng)用時(shí)機(jī)成熟、對(duì)既有建設(shè)投資基本不浪費(fèi)且系統(tǒng)技術(shù)方案兼容的前提下，提出更好的、更適合南京地鐵上層視頻網(wǎng)的解決方案。

5 結(jié)語

聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營安全起著至關(guān)重要的作用。目前視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展很快，如何在單線建設(shè)模式下逐步形成聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，滿足全線網(wǎng)視頻監(jiān)控要求，已成為南京地鐵建設(shè)的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。本文從南京地鐵工程建設(shè)實(shí)際出發(fā)，討論了聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控的功能需求，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出南京地鐵聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體規(guī)劃方案，供南京地鐵建設(shè)參考。

［1］劉燕平.地鐵高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.中國公共安全，2013(5):202.

［2］陳明華，李蘇雯，馬強(qiáng).城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)整合方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21(4):61.

［3］鮑淑紅.城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)模式應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013，42(6):179.

［4］葛瑞鈞.地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求分析［J］.中國鐵路，2012(6):95.

［5］卡哈爾江.地鐵安防系統(tǒng)集成方案研究［J］.城市軌道交通研究，2013(4):77.