高鐵網絡視頻監控系統中的關鍵技術解析

　　高速鐵路不同于一般的鐵路系統，高鐵本身即是一個系統化、集成化的大型工程，僅通信部門就涉及到10多個子系統，包括有線、數據、傳輸、調度、應急通信、視頻監控等等。高鐵與普通鐵路或地鐵區別很大，例如地鐵通常時速在60公里左右，列車間隔約在3分鐘，而高鐵時速可能達到300公里，但時間間隔可能與地鐵差不多，這就對高鐵的通信指揮系統提出了很高的要求，同時，作為一個重要的輔助設施，視頻監控系統的要求也相應的非常高。

　　1.高鐵視頻監控系統特點

　　高鐵的視頻監控系統，要求采用先進的視頻監控技術，基于鐵路系統的IP網絡，構建數字化、智能化、分布式的網絡視頻監控系統，滿足公安、安監、客運、調度、車務、機務、工務、電務、車輛、供電等業務部門及防災監控、救援搶險和應急管理等多種需求，實現視頻網絡資源和信息資源共享。高鐵視頻監控系統一般基于網絡架構，實現視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉發及虛擬矩陣的功能。攝像機采集到視頻信號通過同軸電纜連接到DVR或編碼器，實現視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機的控制信號通過RS485進行傳輸;編碼器將視頻流通過網絡發送到NVR進行集中存儲備份;存儲服務器可以將DVR或NVR的視頻資料進行重點備份;流媒體服務器可以在多個用戶訪問時進行集中視頻轉發而減少網絡及前端設備的壓力;解碼器與電視墻連接，實現視頻的集中大屏幕顯示還原。

　　2.視頻分析技術

　　高鐵的特點是系統跨度大、地理分布廣，視頻分析的環境復雜，風霜雨雪霧、攝像機抖動、火車燈光、城市燈光、昆蟲、云影等現象均是視頻分析可能會遇到的問題，良好的VCA系統應該能夠很好地平衡漏報與誤報之間的問題。鐵路不同于實驗室，對攝像機的任何角度、焦距等調整均需要一定的人力、物力，視頻分析對場景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不斷調整確。因此，不難理解多數視頻監控系統的視頻分析攝像機采用的也是PTZ攝像機而不是固定攝像機了。分析模式固定后，攝像機FOV調整好，需要進入分析設置，通常，一路攝像機視頻只能進行一個模式。在鐵路應用中，主要有兩種VCA模式，一種是在重要區段及咽喉區設置入侵探測，用來識別人或動物入侵到高鐵路軌(高鐵沿線多半封閉或柵欄保護等物理方式，但還是有可能有入侵進入);公跨鐵區域設置高空落物分析，防止高空落物對列車運行產生影響。目前這兩個視頻分析應用模式在鐵路視頻監控中均有一定應用并表現良好。

　　目前視頻分析技術主要有兩種架構方式，一種是基于后端服務器的方式，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下，視頻分析單元一般位于視頻采集設備附近，這樣可以有選擇地設置系統，讓系統只有在報警發生的時候才傳輸視頻到控制中心或存儲中心，相對于服務器方式，可節省網絡負擔及存儲空間。視頻分析是復雜的過程，需要占用大量的系統計算資源，因此服務器方式可以同時進行視頻分析的路數非常有限?；谝陨显颍壳笆袌錾现髁饕曨l分析技術多采用DSP方式，基于攝像機或編碼器。需要注意的是，基于前端DSP方式的視頻分析設備，一旦需要調整視頻分析點位，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直接在機房或控制中心調整完成，無需更換前端硬件。通常更換DVS或IPC方式，在鐵路項目中的成本非常高。

　　3.冗余技術(可靠性)

　　高鐵視頻監控系統需要具有高可靠性，以實現對不同部門的運營、安全、維護等各個需求支持。對于網絡視頻監控系統，可以采用不同的冗余方式來增強穩定性，從前端編碼器、傳輸網絡到轉發服務器、管理服務器及存儲系統，均可實現冗余技術。

　　·編碼器

　　編碼器可以采用雙電源、雙網卡方式增強穩定性;或者采用“N+1”冗余方式增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時系統可以連續運行。

　　·NVR

　　NVR可采用“N+1”冗余增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時系統連續運行。

　　·CMS

　　CMS可以采用“雙機冗余熱備”方式增強穩定性，以保證系統無停機運行。

　　·存儲

　　存儲系統可以采用磁盤陣列的RAID技術實現高可靠數據存儲。

　　完全冗余的網絡視頻監控系統架構所示，從前端設備IPC、DVS、傳輸網絡、NVR、存儲設備NVR、核心管理平臺CMS都實現了冗余功能，保證了系統24小時高可靠運行，減少了因為網絡、電源、硬件、存儲、軟件等故障而導致的系統停機或數據丟失。

　　IPC是單體設備，提高穩定性的辦法是在網絡短暫中斷時進行本地存儲;對于大路數DVS，可以采用“N+1”方式進行冗余，防止單體設備軟硬體失效;對于NVR，可以采用“N+1”方式進行備份，防止單體設備軟硬體失效;對于存儲設備，可采用成熟的RAID技術實現冗余保護;對于網絡，可以采用“雙網絡”實現高可靠性數據傳輸;對于CMS，采用雙機熱備方式，雙機共享RAID磁盤陣列，實現冗余。

　　視頻編碼壓縮是網絡視頻監控的前提和基礎，沒有經過壓縮的視頻數據是海量的。目前典型的視頻編碼壓縮標準是MPEG-4和H.264。MPEG-4標準采用的仍然是類似以前標準(H.261/3和MPEG-1/2)的基本編碼框架，即典型的三步：預測編碼、變換量化和熵編碼。新的壓縮編碼標準都是基于優化的思想進行設計的，將先前標準中的某些技術加以改進。例如在原來的基礎上提出1/4和1/8像素精度的運動補償技術，使得預測編碼的性能大大提高。MPEG-4標準不僅僅給出了具體壓縮算法，它是針對數字電視、交互式多媒體應用、視頻監控等整合及壓縮技術的需要而制定的。MPEG-4將多種多媒體應用集成在一個完整的框架里，為不同的應用提供了相應的類別(Profile)和檔次(Level)。H.264，同時也是MPEG-4標準的第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC動態圖像專家組(MPEG)聯合組成的聯合視頻組(JVT，JointVideoTeam)提出的高壓縮率視頻編碼標準。和以前的標準一樣，H.264也是采用預測編碼加變換編碼的混合編碼模式，它集中了以往各個編碼標準的優點，并吸收了標準制定過程中積累的經驗，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。

　　H.264標準最大的優勢是具有很高的數據壓縮比，在同等圖像質量的前提條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理，以滿足不同速率、不同解析度以及不同網絡傳輸、存儲場合的需求。

　　在網絡視頻監控系統中，產品間的互編互解能力是非常重要的，可以降低系統的集成難度，便于擴展并保護成本。目前，不同廠商設備互編互解情況并不理想，也就是說兼容性不好。主要原因是不同廠家采用的編碼的標準規范(profile)及等級(level)不同，另外數據封裝格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本碼流/包)。

　　4.視頻存儲應用技術

　　存儲的部署應該是靈活的，可以選擇報警觸發存儲、預置時間表存儲、手動啟停存儲等;存儲的架構應該是主流架構如DAS、NAS、SAN等，一般采用RAID5冗余方式。存儲的需求一般是正常錄像和報警錄像分開并設置不同周期，例如正常錄像7天，報警錄像30天。存儲系統的規劃設計應該根據項目需求情況、網絡情況進行部署。

　　應支持對視頻圖像信息的手動備份存儲;視頻信息的錄像存儲、事件觸發存儲和計劃存儲功能;系統應支持用戶根據時間、地點、事件等多種條件進行檢索和回放;系統應支持多用戶同時調用檢索視頻圖像;DVR、NVR可以工作在多種存儲歸檔模式下;系統應支持下載到本地回放錄像和遠程直接回放錄像的方式。

　　視頻歸檔存儲服務(二級存儲、告警存儲)具有如下特點：

　　·存儲架構是完全獨立的二級架構;

　　·歸檔服務器(ArchiveServer)通常分“重要視頻歸檔”及“報警視頻歸檔”;

　　·歸檔服務器(ArchiveServer)可以在網絡的任何位置部署;

　　·一個歸檔服務器(ArchiveServer)可以對多個DVR或NVR進行歸檔;

　　·用戶無需指定從DVR或NVR或ArchiveServer回放錄像，系統會自動索引;

　　·可以選擇對一個DVR或NVR的某部分通道進行歸檔。

　　5.綜合視頻平臺

　　系統軟件平臺包括核心數據部分和客戶端工作站，核心數據服務器包含系統數據庫及核心軟件，而工作站系統應包括用戶管理、權限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平臺應支持對各種視頻設備資源、設備的運行狀態進行監視及維護，通過軟件對系統設備參數進行配置，對系統用戶的注冊、認證、刪除及權限分配進行管理等功能。系統應具有日志管理功能，能夠通過操作日志對操作人員進入、退出系統的時間和主要操作情況進行記錄，支持日志信息查詢和報表制作等功能。

　　數據管理：全線所有設備的類型、版本、數量、編號的集中“登記注冊”于數據庫;監視功能：對全線所有監控網點可通過網絡進行實時圖像調用，為領導應急指揮和決策調度時顯示提供參考;

　　網管功能：對全線所有監控系統的網元設備運行情況進行監控和管理，實時顯示各種設備的運行數據和告警信息;告警管理：記錄并顯示設備、系統和通信部分的告警，記錄告警處理情況，可以導出;控制功能：對全線所有監控網點的PTZ控制及繼電器輸出節點控制;語音對講：對前端安裝語音設備的監控點，實現實時語音對講，單向“喊話”功能;數據存儲：支持視頻的本地存儲和中心備份，具有多種自動、手動存儲方式。