既有視頻網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
——以上海市軌道交通為例

丁仕標(biāo) （中鐵四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

1 引言

上海地鐵網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控平臺系統(tǒng)（NVS）是基于軌道交通高速信息網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)平臺采用基于通用服務(wù)器架構(gòu)的云架構(gòu)體系搭建完成，將能夠調(diào)用上海市軌道交通所有線路的視頻監(jiān)控資源，為運(yùn)營與公安部門各個級別的管理者供以與列車的運(yùn)行、乘客的疏散、防災(zāi)和救災(zāi)及社會的治安等相關(guān)視頻的信息[1]。

上海地鐵自1993年第一條線路運(yùn)營至今，存在多種模式并存的視頻監(jiān)控系統(tǒng)老舊線路，如何將這些視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合集成，并兼容接入到各高速網(wǎng)用戶，是NVS實(shí)現(xiàn)功能急需解決的問題。

目前既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)各不相同、互連方式不一，同時還存在設(shè)備老化，網(wǎng)絡(luò)帶寬不足等問題，導(dǎo)致各線路既有視頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連非常困難，如果網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu)不合理，將會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行及實(shí)施效果。《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》（GB／T 28181）在2012年6月升級成為國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，NVS在支持GB／T28181協(xié)議的基礎(chǔ)上還要同時滿足既有接口如綜合監(jiān)控、車載PIS及公安視頻監(jiān)控等系統(tǒng)對接需求，確保接口功能正常使用。因此，迫切需要研究一種適用高速網(wǎng)平穩(wěn)接入既有全線視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案[2]。

本文通過對上海軌道交通既有視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行充分的現(xiàn)場調(diào)查和分析，并針對不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出針對性解決方案，解決實(shí)施過程遇到的問題，制定出相對應(yīng)的兼容性好、可靠性高的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案。

2 既有視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)查和分析

2.1 既有視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分類

視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬、數(shù)字階段，隨著高清數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)、數(shù)通技術(shù)、圖像處理技術(shù)及壓縮編解碼技術(shù)的快速發(fā)展，以IP網(wǎng)絡(luò)為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其極大地提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和高效性，且滿足高可靠海量高清圖像存儲需求和符合未來視頻監(jiān)控發(fā)展方向，在城軌運(yùn)行中起到越來越重要的作用[3]。

上海市目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為四種典型情況：①模擬矩陣為核心的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；②模擬攝像機(jī)加數(shù)字編碼器相結(jié)合的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；③部分車站模數(shù)相結(jié)合、部分車站全高清在單條線路上并存的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；④全高清視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.2 模擬、模數(shù)結(jié)合視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查分析

①現(xiàn)狀調(diào)查：模擬、模數(shù)結(jié)合視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本一致，以軌道交通2號線為例，每站的車站交換機(jī)通過線路級傳輸系統(tǒng)與控制中心交換機(jī)互連。上層網(wǎng)軌交總隊交換機(jī)通過上層1網(wǎng)傳輸系統(tǒng)與2號線控制中心交換機(jī)進(jìn)行三層路由互連，各公安分控、COCC、備用COCC交換機(jī)通過以太網(wǎng)光端機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)與2號線控制中心交換機(jī)進(jìn)行三層路由互連。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 2號線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

②分析：既有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，車站、中心、上層網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一靜態(tài)路由實(shí)現(xiàn)互連，業(yè)務(wù)邏輯清晰、直觀，但同時也存在設(shè)備老化，缺少替代備件等問題。控制中心至上層網(wǎng)公安分控等節(jié)點(diǎn)采用點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)互連方式，其傳輸鏈路僅一條，利用上層1網(wǎng)傳輸系統(tǒng)與軌交總隊互連，其帶寬資源有限（100M以內(nèi)）。這種互連方式的缺陷主要包括：點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路且無備份鏈路，無冗余保護(hù)功能，一旦鏈路中斷，其承載的業(yè)務(wù)也全部中斷；由于上層1網(wǎng)傳輸系統(tǒng)帶寬的限制，也影響了上層用戶對各線路同時調(diào)用視頻圖像的路數(shù)等。

2.3 模數(shù)結(jié)合與全高清并存的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查分析

2.3.1 現(xiàn)狀

模數(shù)結(jié)合與全高清并存的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括軌道交通 5、9、10、13 號線，以最為典型復(fù)雜的9號線為例：①模擬線路的車站交換機(jī)通過線路級傳輸系統(tǒng)與控制中心交換機(jī)互連，上層網(wǎng)軌交總隊交換機(jī)通過上層1網(wǎng)傳輸系統(tǒng)與9號線控制中心交換機(jī)進(jìn)行三層路由互連，各公安分控、COCC、備用COCC交換機(jī)通過以太網(wǎng)光端機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)與9號線控制中心交換機(jī)進(jìn)行三層路由互連；②全高清制式的車站交換機(jī)通過線路級傳輸系統(tǒng)與控制中心高清段交換機(jī)互連，新四線上層節(jié)點(diǎn)交換機(jī)通過與控制中心高清段交換機(jī)進(jìn)行三層網(wǎng)絡(luò)路由互連。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 9號線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.3.2 分析

既有系統(tǒng)模擬段車站至中心采用兩層網(wǎng)絡(luò)、中心至上層網(wǎng)采用三層靜態(tài)路由實(shí)現(xiàn)互連，高清段車站、中心、新四線上層節(jié)點(diǎn)采用三層網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)路由實(shí)現(xiàn)互連，高清段網(wǎng)絡(luò)與模擬段網(wǎng)絡(luò)通過中心交換機(jī)直連的方式進(jìn)行互連。模擬段系統(tǒng)除本身具有的問題外，還與高清段系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址在同一網(wǎng)段，一旦設(shè)備IP有沖突的情況出現(xiàn)，將會影響全網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，甚至可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等嚴(yán)重問題。

2.4 全高清視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查分析

①現(xiàn)狀：全高清視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括軌道交通17、浦江線，以站點(diǎn)較多的17號線為例：車站交換機(jī)通過線路級傳輸系統(tǒng)與控制中心交換機(jī)互連，新四線上層節(jié)點(diǎn)交換機(jī)通過與控制中心高清段交換機(jī)進(jìn)行三層網(wǎng)絡(luò)路由互連。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 17號線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

②分析：既有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，車站、中心、上層網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一靜態(tài)路由實(shí)現(xiàn)互連，業(yè)務(wù)邏輯清晰、直觀，系統(tǒng)為新建系統(tǒng)，設(shè)備狀態(tài)都較好，網(wǎng)絡(luò)帶寬和性能都比較理想，但控制中心交換機(jī)與外界的互連接口處缺少網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，線路側(cè)網(wǎng)絡(luò)存在一定的風(fēng)險。

3 網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

3.1 方案概述

針對目前既有四種視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的接口帶寬限制、無鏈路冗余保護(hù)、缺少網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)等不足，最終確定了以下方案。

在各線路控制中心增加三層以太網(wǎng)交換機(jī)、防火墻等設(shè)備，新增以太網(wǎng)交換機(jī)與既有視頻系統(tǒng)交換機(jī)做三層路由互連，接口采用千兆口，解決了互連鏈路帶寬不足的問題；經(jīng)過新增的防火墻與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)互連，彌補(bǔ)了既有系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)的缺陷；高速數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)冗余功能，保證既有系統(tǒng)與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)各上層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)冗余，最終實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)上層各節(jié)點(diǎn)與既有線路中心及車站的網(wǎng)絡(luò)互連[4]。

下面以9號線（模數(shù)結(jié)合與全數(shù)字高清并存的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）為例，具體分析數(shù)據(jù)結(jié)合與全數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如何并存，同時向高速數(shù)據(jù)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)傳送不同制式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)施方案

①網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：9號線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 9號線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

②改造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案：

在9號線控制中心新增1套高速網(wǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)及1套防火墻。高速網(wǎng)交換機(jī)分別與控制中心模擬段交換機(jī)和高清段交換機(jī)互連，由于模擬段網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備IP地址與高清段網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備IP地址屬于同一網(wǎng)段，存在網(wǎng)路地址沖突問題，因此需要將其中一個網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行更改，考慮實(shí)際情況以及實(shí)施的可行性，最終確定采用NAT的方式將模擬段網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，并通過三層路由與高速網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行互連，實(shí)現(xiàn)了模擬段、高清段既有網(wǎng)絡(luò)同時與高速網(wǎng)交換機(jī)互連。高速網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)過新增防火墻與高速網(wǎng)上層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三層路由互連，最終實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)上層節(jié)點(diǎn)與9號線模擬段、高清段網(wǎng)絡(luò)互連。

4 實(shí)施過程中遇到的問題及解決方法

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)的互連架構(gòu)應(yīng)用于COCC、備用COCC、軌交總隊、公安分控中心、其它外部接入單位等各種場景。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的線路眾多，且是不間斷運(yùn)行的實(shí)時在線系統(tǒng)，需要從各線路控制中心進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)調(diào)用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也成為數(shù)據(jù)價值實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

本方案在現(xiàn)場進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，主要包括NVS信令準(zhǔn)確性測試及信令穩(wěn)定性，以此來驗證網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性。

①通過NVS客戶端進(jìn)行各種界面操作，在足夠時間段內(nèi)，統(tǒng)計“發(fā)送信令”、“應(yīng)返回信令”和“實(shí)際返回信令”，判斷“應(yīng)返回信令”和“實(shí)際返回信令”是否一致，從而驗證NVS信令的準(zhǔn)確性。

以9號線為例，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 2號線信令準(zhǔn)確性測試結(jié)果

以上測試結(jié)果為：“應(yīng)返回信令”和“實(shí)際返回信令”一致，驗證了NVS信令的準(zhǔn)確性。

②通過NVS客戶端進(jìn)行各種界面操作，在足夠時間段內(nèi)，統(tǒng)計“發(fā)送信令類型”、“發(fā)送信令時間”、“返回信令時間”和“間隔時間”，判斷“間隔時間”均在一定范圍內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)為1000ms），從而驗證NVS信令的穩(wěn)定性。

以9號線為例，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 9號線信令穩(wěn)定性測試結(jié)果

以上測試結(jié)果為：“間隔時間”均在1000ms以內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)為1000ms），驗證了NVS信令的穩(wěn)定性。

4.2 系統(tǒng)兼容性問題

目前部分線路的既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)互連時系統(tǒng)兼容性較差，主要為以下三個原因：

①網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型不同，互連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型為三層以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器并存方式；

1.1臨床資料:選取2016年1月至2017年6月我院的肢體功能障礙腦梗死患者70例進(jìn)行分析,共有男性68和女性52例,均是49至76歲患者,平均67.9±7.8歲;合并疾病:49例高血壓、12例冠心病、10例呼吸系統(tǒng)疾病、6例糖尿病。所有患者均符合1995年全國第四屆腦血管病學(xué)會制定的腦梗死診斷標(biāo)準(zhǔn),排除合并認(rèn)知障礙、精神病及有精神病家族史的患者。將患者分成對照組和觀察組,使用不同護(hù)理方式,兩組都有60例患者,其一般性資料對結(jié)果不產(chǎn)生影響。

②網(wǎng)絡(luò)設(shè)備品牌不同，互連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備品牌涵蓋了進(jìn)口品牌（思科、MRD、ALCATEL）、國產(chǎn)品牌（華為、華三、MOXA）；

③使用年限以及配置方式不同，由于既有線路建設(shè)年代的不同，使用設(shè)備的年限也是從近三年至近二十年不等，其配置的方式也各有不同。

解決方法：

本方案在實(shí)施前，充分考慮其與既有系統(tǒng)的兼容性，以相關(guān)建設(shè)指導(dǎo)意見為參考依據(jù)，在各個線路控制中心，充分調(diào)研既有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)狀（品牌、類型、配置等參數(shù)等），并通過現(xiàn)場環(huán)境模擬、現(xiàn)場實(shí)際測試的方式，最終根據(jù)既有線路情況制定出針對性方案，以6、8號線為例，既有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為路由器，且使用年代已久，數(shù)據(jù)配置無法導(dǎo)出，也無法對其進(jìn)行數(shù)據(jù)配置的修改，經(jīng)過反復(fù)評估論證，最終確定采用更換部分既有設(shè)備的方案[6]。

5 網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)施成果

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查分析論證以及反復(fù)測試，在充分考慮實(shí)施的可行性、項目的經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，最終確定了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖7所示。

圖7 最終系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

本方案最終的實(shí)施效果主要體現(xiàn)在以下方面：

①為COCC、BCOCC、軌道及公交總隊、公安分控中心等高速網(wǎng)上層用戶提供了不同架構(gòu)的傳輸通道，并具備后續(xù)節(jié)點(diǎn)的平滑接入功能；

②解決了既有系統(tǒng)控制中心至上層網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間的帶寬限制問題；

③解決了既有系統(tǒng)控制中心至高速數(shù)據(jù)網(wǎng)各上層節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)冗余問題；

④解決了9號線同一線路中存在相同網(wǎng)絡(luò)地址段，需要通過不同路由與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)各上層節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)互連問題；

⑤解決了6、8號線既有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備老化、不具備更改配置與新系統(tǒng)對接能力的問題，同時也解決了既有上層網(wǎng)6、8號線不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)互通導(dǎo)致廣播包影響兩條線路的視頻質(zhì)量問題，為用戶消除了相關(guān)的故障和隱患；

⑥本方案實(shí)現(xiàn)了多個上層網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（高速數(shù)據(jù)網(wǎng)上層節(jié)點(diǎn)和既有上層網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）能夠同時與既有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連，且相互不受影響，為網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入上海所有軌交線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠、兼容性好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

本文針對網(wǎng)絡(luò)級視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)難點(diǎn)多、對接對象多、系統(tǒng)風(fēng)險高、施工復(fù)雜等特點(diǎn)，通過調(diào)查分析論證的方式，在充分考慮用戶需求及實(shí)施可行性的基礎(chǔ)上，對不同的既有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分別制定相應(yīng)的合理互連方案，對傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在不同設(shè)計、復(fù)雜施工條件下應(yīng)用改進(jìn)和提高，對確保本網(wǎng)絡(luò)級視頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與既有視頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠在較短的時間內(nèi)高效、順利完成互聯(lián)、互通起到?jīng)Q定性作用。

方案的實(shí)施成功解決了各類上層網(wǎng)用戶調(diào)用視頻困難、用戶體驗差等問題，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，使系統(tǒng)達(dá)到了平穩(wěn)過渡、運(yùn)營狀態(tài)影響可控的效果，同時施工可操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。可以在全國軌道交通、平安城市等視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造，不同的視頻平臺之間對接、數(shù)據(jù)網(wǎng)改造項目中推廣使用。