数模结合视频监控系统在轨道交通中的应用

王 靖, 庞 立

(上海电气自动化设计研究所有限公司,上海200023)

数模结合视频监控系统在轨道交通中的应用

王 靖, 庞 立

(上海电气自动化设计研究所有限公司,上海200023)

阐述了模拟和数字视频监控系统各自的优势和特点,详细介绍了模数结合的视频监控系统在上海轨道交通中的应用,并提出了发展设想。

数模结合;视频监控;轨道交通

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

随着中国城市化进程的加快,城市人口急剧增加,城市交通承受的压力越来越大。轨道交通由于其运量大、速度快、准时准点、安全性高等特点成为各大城市缓和与改善城市交通紧张的优先选择。但是,纵观全球轨道交通的发展史,安全防范问题一直是地铁运营管理部门和公安部门面临的最严峻的挑战。

轨道交通视频监控系统是轨道交通安全防范系统中最重要的一个组成部分,它能够在第一时间以图像、文字形式告知管理、维护和保安人员现场发生的情况,使各相关部门及时有效地做出快速反应,并对重要的视频图像进行记录,为处理事故提供切实依据。本文以上海轨道交通为例,阐述了模数结合的视频监控系统在轨道交通中的应用。

1 传统模拟系统架构

上海地铁建设初期采用模拟视频监控系统。模拟视频监控系统以视频矩阵为中心架构,前端摄像机的视频输出信号及控制信号一般通过视频线缆及控制线缆与控制系统连接,与距离较远的控制中心的连接则采用光端机或双绞线传输设备来实现传输。视频信号进入控制室后通过视频分配器同时接入视频矩阵和数字硬盘录像机(DVR),由DVR实现对所有视频图像的录像,操作人员通过控制键盘实现在监视器上对前端视频图像的切换和一体化摄像机的控制。

在一些独立的区域安防项目中多使用单套模拟视频矩阵系统的架构。随着各行业对安防系统的要求越来越高,单套模拟矩阵监控系统已无法满足行业对安全防范监控系统的要求,在这些行业中多采用联网矩阵系统,如图1所示。

图1 联网矩阵系统结构图

联网矩阵系统可以将多套独立的监控系统通过联网来实现视频共享、控制互通。各套系统本身可以独立管理本地的视频图像,而通过联网,上级管理中心可以调用查看每个下级中心的所有视频图像并实现控制,实现系统的统一管理。控制通道的联网主要有2种方式:①通过以太网;②通过传输系统的低速数据通道提供RS485连接,在上海地铁以往采用RS485通道进行联网控制。

模拟系统经过多年的发展和完善,相对于数字系统,其产品及技术已完全成熟。此外,模拟系统的视频未经视频压缩、数模转换等处理,故无损的视频质量和画面的无延时都是数字系统所无法比拟的。当然,模拟监控系统也有自己的缺陷,如在视频存储方面的不足及多系统间互相控制复杂布线方式等,故在当今的模拟系统中采用DVR、以太网联网等数字技术来弥补自身的不足,以满足更高的监控需求。这样的改善只能算是数字技术对模拟系统进行优化,并不是真正的模拟系统与数字系统的结合[1-2]。

2 数字监控系统架构

数字系统主要通过计算机网络联网,有许多种组建方案,主要分为2种系统架构:①通过DVR、视频服务器(DVS)实现分布式存储和联网的系统架构;②采用基于IP摄像机、视频编解码器和网络集中存储的方式实现的系统架构。

2.1 基于DVR/DVS的数字系统

采用DVR/DVS实现分布式存储和联网的系统架构主要采用DVR/DVS的网络功能来构架系统,在DVR/DVS硬件及其软件上开发一些新的功能,如增加DVR的视频输出端口数量,并在DVR内部开发类似视频矩阵的切换功能,以实现简单的视频切换控制功能;另外应用流媒体服务器,减轻DVR网络访问负担,节省带宽,实现C/S模式和B/S模式访问的统一等。这种架构的数字系统主要应用在小型系统中,在很多有大型监控需求的行业中无法独立运用。

2.2 基于IP摄像机和视频编解码器的纯数字系统

在大型数字化网络联网系统中,基于IP摄像机、视频编解码器和网络集中存储方式的系统解决方案代表了监控系统的主流发展趋势。数字化监控系统是将网络技术、多媒体技术与视频监控系统有机地结合起来的一种全新的系统结构。利用计算机网络技术,将数字化的监控信息传送到网络上,与现有的信息管理系统融为一体,使网络中的每一台多媒体计算机均可实现对监控系统的管理和调用,提高管理水平和管理效率。

数字监控系统前端采用IP摄像机或模拟摄像机配合视频编码器将数字视频图像接入到以太网中,网上通过录像存储服务器(Network Video Recorder,NVR)完成图像集中录像,后端的管理中心控制设备也接入以太网在网络上查看和控制前端视频图像。流媒体服务器负责视频数据的分发,解决多用户并发和网络带宽不足的问题。系统结构如图2所示[3-4]。

图2 基于IP摄像机的数字系统结构图

此类系统的优点主要表现在:①系统容量大,结构简单扩容方便,无论增加摄像机或监视器,只需要增加相应的终端设备和编解码器而无须对已有系统作大的改动;管理方便,可以对各客户端划分细致的管理权限。②具有便利的人工智能处理功能或接口,可以实现数字系统独有的智能处理功能。③施工简单,方便维护,可以省却很多电缆,方便管理和维护。

其缺点包括:①画面质量和传输延时需要进一步提高。②成本较高。目前编解码器的成本比普通光端机高,对于小系统也省不下很多线缆,因此成本相对于传统监控系统要高;在大型系统中,过多的前端数量也会造成中心集中存储的成本高昂。③局部网络连接不正常时,前端部分图像丢失不可恢复,无法查询。

3 数模结合系统的架构

数模结合系统考虑到模拟系统的图像质量好及无延时等特点,在本地监控系统中采用模拟系统来实现视频的控制管理,而利用数字系统的传输优势、权限设置及人工智能功能接口等优势来实现管理中心的统一管理及图像智能处理功能。如图3所示。

4 上海轨道交通数模结合视频监控系统的架构

上海轨道交通视频监控系统是一个非常庞大的系统,大部分线路均采用数模结合的系统架构。车站1级采用模拟系统,以视频矩阵为核心进行监控管理;各中心采用数字系统,在车站视频矩阵后级采用数字视频编码器将图像传送到控制中心统一管理。

整个视频监控系统可分为3级:

第1级由车站的摄像机、均衡器、字符发生分配器、数字硬盘录像机、数字视频交换等设备组成,可控制和切换本车站区域内的摄像机,并完成对所有前端摄像机的图像进行全天不间断录像。

第2级各线路控制中心为第2级,通过通信传输系统与第1级建立通信并通过第1级设备实现对车站设备的管理,达到整个线路的监控功能。

第3级为公安指挥中心和其他上层管理中心,通过设在各线路控制中心的视频接口设备与共用信息网视频监控系统相连,通过其完成控制协议的转换和图像转发,被选图像经共用信息网传送至相应上层管理指挥中心后,通过该处的视频解码设备还原成模拟信号输出。

4.1 第1级——车站级

车站视频监控系统以模拟监控为主,采用模拟实时图像传输。每个车站的视频监控系统都以视频矩阵为核心,通过其外围设备来完成图像采集、传输、显示、控制等功能。设备包括固定彩色摄像机、球型一体化彩色摄像机、视频均衡器、字符发生分配器、多画面处理器、视频切换矩阵、监视器、控制键盘、数字硬盘录像机等。其特点是稳定可靠,图像清晰,响应迅速。系统如图4所示[5]。

图3 典型数模结合系统结构图

图4 典型车站监控系统结构图

地铁的视频信号模拟传输充分考虑了电气化铁道的特性,前端摄像机采集的视频信号通过同轴电缆传输接入视频均衡器。该设备可以对视频信号频率、相位、幅度进行调节补偿。所有摄像机信号经均衡器处理后,接入字符发生分配器,由字符发生分配器为每路图像叠加不同的中英文标识和时钟。由于轨道交通视频监控系统对时间的校对有严格要求,该设备具有RS-232接受外部时间校对命令的接口,并同时备有RS-485接口用于多机间时间校对命令的联系。只要对该车站的一台字符发生分配器发送时间校对命令,即可校对本车站内所有字符发生器进行校时。字符发生分配器还具有视频分配器一分4的功能,所有图像可被分配成4路:①与视频切换矩阵连接;②与录像设备连接;③与多画面处理器连接;④系统备用。

视频图像的保存采用本地录像的方式,在每个车站配置多台嵌入式数字硬盘录像机进行数字式不间断存储,录像的格式采用H.264,存储时间按每15 d为一个周期重复使用硬盘。硬盘录像机通过网线接入视频监控系统中的以太网交换机,在各站站长室和车站警务站配置了录像回放工作站,值班人员可通过相应的回放软件客户端即可实现对本站所有视频录像的调用,所有图像均可作实时回放,回放不影响录制。回放可显示时间、地点等信息,并能将录像文件下载到回放工作站中进行刻录保存。

车控室和车站警务室的液晶监视器直接接在视频矩阵的输出端,值班人员通过与视频矩阵直接连接的控制键盘即可完成对本站所有摄像机图像的切换和一体化摄像机的PTZ控制(Pan/Tilt/Zoom)。

为了实现全线的统一调度控制,在车站还配置了视频服务器,通过以太网接收本线控制中心及上层网各中心的操作指令。

车站入侵报警系统和其他警告设备通过以太网或总线方式与视频服务器通讯,实现与视频监控系统的联动控制。当出现报警时,可根据设置的联动预案将相关区域的摄像机图像调用到车控室、派出所、控制中心指定的监视器上显示。

4.2 第2层——线路中心级

视频图像至中心的传输采用MPEG2格式视频编解码系统来实现,车站视频矩阵的输出端与数字视频编码器视频输入相连,视频编码器将模拟视频信号进行数字化压缩编码通过千兆传输以太网传送到各中心,中心的视频解码器将数字视频流还原成模拟视频图像显示在各调度台监视器和大屏幕上。系统结构如图5所示。

图5 控制中心系统结构图

线路控制中心视频服务器采用双机热备方式,对全线视频监控系统进行统一管理,接受控制中心各调度值班员以及上层各中心的操作指令,进行指令分析和协议转换,并就权限和优先级判断,然后将其指令通过以太网转发至车站视频服务器通过视频矩阵对车站摄像机图像进行切换和PT Z控制,同时对数字视频编解码系统进行视频流切换,最终将图像显示在指定的监视器上。同时,该服务器内设置联动预案,可与报警系统及其他系统进行联动,当报警发生时,可将相关区域的摄像机调用的指定的监视器上。

控制中心的控制流程如图6所示。

图6 控制中心控制流程图

网管服务器对全线系统设备进行管理,可对各种设备实时和历史状态进行查询。

此外,为了加强对录像的管理,在控制中心还设置了录像管理服务器,可对全线各车站的数字硬盘录像机进行远程设置、管理及录像的查看和下载。

4.3 第3层——上层中心级

各上层中心也采用MPEG2视频编解码系统来实现对各线路车站视频图像的调用,这就对各线路所采用的不同的MPEG2视频编解码系统提出了互编互解的兼容要求。

由于各线路视频监控系统在不同时期由不同集成商建设,因此,上海地铁制定了《上海轨道交通基本网络电视监控和安防系统接口与协议》,上层各中心与各线路控制中心服务器之间均按照该协议进行通讯,从而实现上层各中心对各线路视频监控系统的统一调用管理,为各中心的指挥调度、领导决策、突发事件处理等提供了及时可靠的视频监控资料。

4.4 数字编解码系统

目前主流的视频编解码格式主要有MPEG2和MPEG4两种。MPEG2制定于1994年,是建立在MPEG1之上,设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。它主要应用在没有色度畸变要求场合的高质量视频。MPEG2能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG2是为录制高清晰度的高质量动态图像而开发的,能够存储比MPEG1清晰度更高的动态图像。

上海地铁视频监控系统由于其独特的要求,所选用的MEPG2编解码系统具有以下技术特性。

(1)数字视频流转发技术

选用的标准视频解码器具备数字视频流转发功能,能够将其接收到的数字视频流以不同的IP地址、网络协议进行二次转发。因其转发的视频流不经过数模转换,其视频质量与从源编码器获得的图像质量一致。数字视频流的转发功能能够满足大面积同时对一幅图像的浏览,尤其是基于不支持组播的广域网络。此功能对提升系统处置突发性重大事件和反恐怖事件的能力有着至关重要的作用。当重大事件发生时,车站、监控中心,甚至通过其他网络与地铁传输相互连接的网络(如公安网络、应急中心网络)都需要对一幅或多幅图像进行同时浏览。由于不是所有的网络都支持组播,这必须要求同一幅图像能够以多个单模流的形式发向多个视频终端。通过视频解码器的转发功能,同时接收视频流的终端数量将不再受任何限制。

(2)同时支持单播与组播

选用的视频编码器和具备转发功能的视频解码器具备同时支持单播与组播的功能。此项功能能够让处于不同网络的用户直接接收数字视频流,避免二次编解码和不必要的数模转换投资。同时支持单播与组播的视频编码器能够发出组播流供地铁专用网络中的用户同时进行图像浏览,并发出单播流到不支持组播的无线或OA网络,满足其他用户的需求;同时支持单播与组播的视频解码器能够将编码器的数字流通过不支持组播的网络进行接收并转换为组播流,转发到支持组播的网络中。

(3)对网络风暴的抑制

基于传输系统的IP网络,由于其本身的传输特色为非收敛性网络,其应答和重发机制有可能在网络流量达到一定的上限后呈爆炸性的增长,形成网络风暴。网络风暴一旦形成,会导致整体的IP通道不可使用,甚至有可能影响传输系统上的其他业务。数字视频监控系统作为传输系统带宽的最大用户,必须具备网络风暴的防止及抑制机制。选用的视频编码器周期性的探测视频解码器及网络状态,如果视频编码器发现无法与其对应的视频解码器进行通讯,则停止发送数字视频流。一旦网络或视频解码器恢复正常状态,视频编码器自动重新启动数字视频流的发送。

5 结 语

上海地铁视频监控系统采用模拟系统+数字编解码器系统的数模结合架构,是将传统的模拟监控系统与数字视频技术、网络技术和软件技术的有机融合,性能可靠、扩展简单、功能先进、操作方便,具有以下特点:①具有模拟系统的无损视频质量;②具有模拟系统本地超低延时;③具有数字系统的高效可靠传输;④具有数字化存储的优势;⑤具有便利的人工智能处理功能或接口。

随着计算机技术、存储技术、高清视频技术的发展,地铁的视频监控系统应在标准化、视频智能化、视频分布存储、高清视频等方面不断完善,以满足系统大型化、管理多元化、需求差异化、功能多样化的发展需求。

[1]杨 磊,李 峰.闭路电视监控系统[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2]罗世伟.视频监控系统原理及维护[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]刘富强.数字视频监控系统开发及应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]梁笃国,张艳霞,郑泽民.网络视频监控技术及应用[M].北京:人民邮电出版社,2009

[5]汪光华.视频监控系统应用[M].北京:中国政法大学出版社,2009.

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,工程师,主要从事自动化控制、大型视频监控系统方面的研究工作,

E-mail:wangjing_seari@yahoo.com.cn