高标清混合视频监控系统的设计与实施

隋玉敏

(青岛科技大学信息与科学技术学院，山东青岛266061)

机车制造业具有生产工艺复杂，生产环节状况多变，生产装置大型化，生产过程连续化等特点，因此，对于生产、安防具有严格的规范和特别的要求，尤其对于重点岗位和要害部位.近年来，该行业的众多企业对生产跟踪、精益生产日益重视，加大了在一些重要厂房的“要害”部位安装监控设备的投入，采用先进的数字存储技术，在相关的厂房建立了智能化的监控系统.但各企业随着生产规模日益扩大，现代化生产水平的快速提高，尤其是动车和高铁项目对机车制造提出了更高的要求等，机车制造企业对智能化管理系统也提出了更高的要求;企业中的各业务部门对远程资源的共享提出了新的使用要求，各级、各部门、各区域资源共享需求日益增多，动态监控系统的管理、使用范围不断加大，系统的整合需求日益强烈;同时为了便于十分便捷地看到各个监控点及监控厂房的情况，建立统一的监控中心是势在必行且符合客观实际的.本文针对机车制造企业目前视频监控系统存在的问题，结合该行业的实际需求设计了混合高标清视频监控系统并在实际应用中给以实现.

1 逻辑结构方案设计

机车制造企业的视频监控系统有它自己的功能特点:它不单单是完成安防任务，还要与企业的其它信息系统集成，如门禁系统、MES系统等，最终为生产计划制定、生产及信息采集、办公楼、厂房的安全管理提供技术支持.目前一些机车制造企业在许多办公场所、厂区等已经存在传统意义上的“标清”视频监控系统.虽然“高清”视频监控技术已经很长成熟，在应用中也已被广泛采纳，对于完全新建的视频监控系统，在综合考虑需求与成本的情况下可以依照高清标准设计和实施全新的高清视频监控系统，但对于机车制造企业目前已普遍存在一套“标清”视频监控系统的情况下，就要考虑如何在满足新的需求进行高清视频监控系统建设的同时又要考虑对原有视频监控系统的有效利用和兼容，即根据生产安全系统建设需求，综合现有各办公区、生产厂房的监控系统、门禁系统、MES系统等的建设情况，设计一套具有多级联网、集中监控的解决方案，以满足企业生产、安防监控需求.本着统一规划、统一管理、尽可能兼容与集成的原则进行逻辑结构的设计，见图1.

图1 高标清混合视频监控系统逻辑结构图

该结构首先体现了原有的“标清”视频监控系统与“高清”视频监控系统的有机结合.为了兼容已存在的系统，往往会涉及到在用的模拟矩阵，对此可采用非压缩接入方式方便地将模拟矩阵集成进来，进行统一控制，即在调度客户端的统一界面上进行切换调度和前端控制.其次，该结构体现了视频监控系统与其他信息系统的集成，使得实时监控、视频存储、联动报警、事件查询与综合应用在全局管理下进行信息共享，最终为生产计划制定、生产及信息采集、办公楼、厂房的安全管理提供准确及时的数据.该结构能够实现任意的扩展，具有很好的灵活性.

2 实施方案设计

视频监控系统通常由前端监视、网络传输、后端管理、视频处理等几个重要部分组成［1］.图2给出了某机车制造企业高标清混合视频监控系统的总体设计结构.该设计充分考虑了与原有的“标清”视频监控系统的兼容，通过在原监控中心增加相应的设备实现与“高清”视频监控系统的连接.

图2 系统总体设计图

由于高清的要求，监控系统中视频信息量必然倍增，这就要求视频编码、传输、存储、视频浏览、视频回放等环节都要全面支持高清，对客户而言，高清是一个整体的系统解决方案，只有在包含了前端、平台、存储、浏览、显示等各环节时才有意义［2］.因此，针对前端监视、网络传输、后端管理、视频处理等组成部分在设计和实施时要充分考虑对“高清”的支持.

2.1 前端监控设备

监控系统的前端设备目前主要采用以下2种解决方案:一是高清网络摄像机(简称高清IPC)，二是高清编码器与高清工业摄像机结合的模式.二者的本质区别是高清IPC内置摄像机和编码器，而工业摄像机与高清编码器相结合的模式使得用户在高清工业摄像机的选择上有更多的余地［2］.虽然工业摄像机与高清编码器相结合的模式使得外存储问题可以较好地解决，但是该模式造价较高.在该设计中，新配置的前端摄像机可全部采用全高清(1 080P)网络摄像机，针对不同的场景环境和监视区域使用不同类型的前端摄像机.如在宽阔厂房且有人脸和标签辨识度要求的地方采用了高清200万像素的FD8161室内网络智能半球摄像机;在低光照环境下或夜间高辨识度要求环境下采用了高清EXMOR200万像素的IP8151s网络智能枪机.

2.2 网络结构

整体系统依赖于物理的网络构架，只有一个稳定、安全、易管理、可靠的网络系统才能负载并保障整个系统的正常运行.因此需要搭建一个高效、安全的网络系统.网络构架来源于正确的设计、合适的设备以及匹配的结构.图3给出了网络拓扑结构及设备选型.采用这样的星型结构使得网络结构整齐，层次清晰，便于管理;双核心设备实现了设备级的冗余，网络健壮性提高;每个节点采用两条线路，提高了带宽，实现了线路冗余与安全.

核心交换机应选用便于扩充的机箱式架构，需要同时配置双引擎、双电源;背板带宽足够支持现有设备及以后扩容要求.按照厂区实际情况划分为A区、B区、C区等区域.在每个区设置一个汇聚分中心.汇聚交换机要求支持两路以上千兆/万兆光纤上传和千兆连接端口.在每个区设置一个汇聚分中心.接入交换机应采用POE供电方式交换机，并且根据前端网络摄像机的实际数量合理配置合适端口的交换机.锐捷的RG－S8606－Bseries、RGS5750－24SFP、RG－S2312G－P可以分别用来做核心交换机、汇聚交换机和接入交换机.

2.3 后端管理

后端管理在本系统中承担中心角色，各相关区域的前端摄像机通过综合管理平台实现管理、音视频流管理、转发、事件管理等操作，视频处理系统将数据流接收处理解码实现数字矩阵的上墙显示，CCL客户端管理系统接入视频专网，或者在管理者日常办公电脑上安装客户端软件，就可以对其管辖下的所有视频进行统一管理、浏览和录像回放等功能操作，另可将报警主机通过IP模块的连接方式实现与视频监控系统的联动.对于原有的标清监控系统可采用增加合适的视频编码器的方式接入到管理平台中，同时管理平台需要与原有的模拟视频矩阵进行通信，完成视频切换、原有模拟摄像机的PTZ控制等功能.

图3 网络拓扑结构及设备选型

2.4 图像呈现技术

目前应用较多的主要是CRT和LCD两种显示器，CRT监视器具有价格低廉、亮度高、视角宽、使用寿命长的优点，但近些年LCD凭着高清、高亮、高对比度、低功耗、长寿命、体积小、质量轻、低价位的优势逐步成为高清视频监控的最佳选择.LCD的配置主要从清晰度、色彩还原、亮度、对比度、可视角度、响应时间等方面进行比较分析，从而选出适合自己的高清视频监控显示系统.

3 具体实施中应注意的问题

3.1 前端设备的选择

美国电影电视工程师协会对HDTV标准不仅定义了针对前端摄像机设备对高清分辨率的要求为720 P或1 080 P，而且也定义了图像传输过程中全帧速为25/30帧/s及色彩保真要求，同时还定义了视频浏览回放环节16∶9的宽屏格式［3－4］.但研究表明，直接采用这些标准，很多情况下并不适合视频监控场合［5］.例如，宽高比方面，机车制造企业往往拥有自己内部的露天实验场地，人们更关注的是监控画面中地面上的人或物，而希望上半边天空的比例要小，因此对露天实验场地的监控就需要适应更宽视野的n∶1(n≥2)宽高比图像格式.对于帧率，25帧/s可以适合大部分场景，但在有些情况下，希望更高的帧率.例如，在机车制造生产企业的总装厂等有快速移动的关键工位往往需要对进口零部件及贵重器件进行跟踪管理，需要能清楚识别部件或器件上的条码，25帧/s的图像有时就很模糊，需要50帧/s甚至100帧/s.因此，应根据环境、用途、清晰度等具体需要配置可变帧频的高清摄像机.

3.2 存储应注意的问题

“高清”视频监控意味着存储空间的高消耗.不管是从物理区域分布还是从数据流量都是巨大而且复杂的，这对存储系统的性能、稳定性、容量的可扩展性等方面都有很高的要求.由于升级改造中要保留原有的可用的系统，就要保留原有的DVR、NVR存储系统.此外，为了满足高清视频的存储，必须采用IP SAN技术来依靠服务器衔接磁盘阵列直接构架IPSAN服务器.为了使DVR系统能与IP SAN系统兼容，DVR必须具有网络信号输入的功能模块，视频源与DVR厂家也必须兼容，只有这样才能保证存储系统的正常使用.

4 结语

视频监控系统的升级改造的关键是能否在保证系统的技术先进性、未来可扩展性的同时兼容已有系统，最大程度地减少浪费，将复杂、多样的视频监控系统纳入综合管理平台，实现统一管理，综合现有门禁系统、MES系统等，为满足企业生产、安防监控提供及时有效的数据.该高标清混合视频监控系统逻辑结构灵活，可扩展性强;总体结构设计技术先进，具有较好的兼容性;网络结构稳定安全、易管理、可靠性高.相信对机车制造企业的视频监控系统升级改造项目具有一定的借鉴作用.

［1］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.

［2］任广杰，朱启东，曹 宁.高清视频监控中的若干关键技术分析［J］.电信科学，2011(2):119.

［3］SMPTE274 －1998.1920 ×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates［S］.1998.

［4］ANSI/SMPTE296M －1997.1280 ×720 scanning，analog and digital representation and analog interface［S］.1997.

［5］毛晓东，樊亚文，高清视频监控技术在城市公共安全中的应用［J］.电视技术，2010，34(4):104.