网络视频监控系统在城市综合管廊的应用

王 亮

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第十设计研究院， 天津 300074)

1 概述

视频监控近年来呈现一些明显的变化趋势，例如，视频监控从模拟阶段到数字阶段的历史性转折；标准更加开放；高清视频在安防领域产生重大影响；智能化日益突出，并不断迅猛发展。这些变化推动视频监控系统向更加成熟的阶段迈进。网络视频监控系统将计算机技术、多媒体技术、网络技术与监控技术有机地结合起来，将监控系统和计算机网络系统连接起来，使两个相互独立的系统走向融合，在理念和方式上取得了突破[1]。

城市综合管廊(以下简称管廊)为地下集约化隧道，集电力、通信、燃气、给水、中水、污水等专业管线于一体。网络视频监控系统(以下简称监控系统)作为管廊安全防范系统的一个重要组成部分，发挥着强大的功能。

2 监控系统组成要素

监控系统由前端摄像机、传输介质、网络交换机、储存设备组成。前端摄像机位于管廊内部，通过传输介质将视频数据汇总至设备间(管廊内用于安装现场机柜的场所)内的网络交换机，再传输至管廊设备间内的储存设备或者管廊外远程监控中心的储存设备。

2.1 前端摄像机

前端摄像机选用网络摄像机，安装在管廊现场。网络摄像机是传统摄像机和网络视频技术相结合的新一代产品，它可以将影像通过网络传至任何一台联网的计算机，且远端的浏览者不需用任何专业软件，只要标准的网络浏览器(例如Microsoft IE)即可监视其影像。前端摄像机负责采集现场的图像，其核心部件为图像传感器，分为CCD和CMOS两种模式。CCD是电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件；CMOS是利用硅和锗这两种元素做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现图像储存的功能。CMOS非常省电，耗电量约为CCD的30%，但处理快速变换的影像时，对暗电流(在没有光照射的状态下，在感光元件中流动的电流)的抑制不佳，画面上易出现杂点。因此，注重图像质量时一般选择CCD传感器，注重功耗和成本时选择CMOS传感器。管廊中出于安防考虑，更倾向于保障图像质量，采用CCD传感器居多。

2.2 传输介质

传输介质采用超五类网线或者单模光纤，实现视频数据和控制信号的传输。对于管廊，在前端摄像机距网络交换机距离小于80 m时，可采用超五类网线，反之，采用单模光纤。

2.3 网络交换机

本文中，安装在现场设备间或监控中心，用于现场设备间内前端摄像机与网络硬盘录像机之间、不同设备间的网络硬盘录像机之间、设备间的网络硬盘录像机与监控中心的视频工作站之间的网络交换机称为联网交换机；安装在监控中心，用于监控中心视频数据交换的网络交换机称为核心交换机。网络交换机主要用于扩展网络，能够提供更多的网络接口用于设备连接、数据交换，具有结构简单、高度灵活、易于扩展等特点。常用的网络交换机有8口、16口、24口等规格。网络交换机可支持光纤环网。

2.4 储存设备

储存设备一般安装在管廊现场，但如果采用集中储存的方式，也可安装在监控中心。储存设备采用网络硬盘录像机(NVR)或磁盘阵列(IP-SAN)，实现视频数据的本地储存或远程储存。网络硬盘录像机最主要的功能是通过网络接收前端摄像机传输的视频数据，并进行储存、管理，其容量扩展量有限且运行稳定性不高，主要用于中小规模的视频数据储存；磁盘阵列是安全数据储存的设备，用于数据储存、数据备份等，主要用于大规模的视频数据储存。

3 技术优势

① 24 h全天候监控。监控系统自动将视频数据储存，连续记录任意时间段内的各监控区域图像。

② 储存功能，支持图像回放。监控系统可储存较长时间段的视频数据，对于管廊，一般会储存30 d左右的视频数据，用于回放查看。尤其当管廊内发生事故(例如火灾)后，通过监控系统的回放，可以分析事故的原因，确定事故责任，预防类似事故的出现。

③ 入侵检测功能。监控系统的前端摄像机能够支持移动侦测，管廊内除正常巡检的时间段外，无移动的人员或物体，监控系统可通过采集的不同时间段的画面进行对比，发现可疑人员或物体，及时向监控中心发出报警，提示管廊运行人员有异常情况。

④ 联动功能。管廊中包含多种检测装置(例如入侵检测、火灾检测、天然气泄漏检测等)，当这些装置发现异常时，均可根据预先设定的方案联动监控系统的前端摄像机，及时将实时画面反馈到监控中心，便于运行人员直观地了解现场情况，有针对性地采取措施。例如，当入侵检测装置发出报警时，可联动其附近的摄像机转动，将镜头对准发生入侵的位置。

4 应用方案

监控系统根据管廊内前端摄像机的数量，选择不同的应用方案，保证监控系统布局合理，经济高效。

4.1 简约型方案

当管廊主体长度较短，防火分区(一般长度为200 m左右)数量较少，前端摄像机数量较少时，由单台网络硬盘录像机即可完成数据储存。现场前端摄像机通过超五类网线或者单模光纤连接到现场设备间内的联网交换机，网络可采用星型网络。简约型方案现场配置见图1。网络硬盘录像机亦与联网交换机相连，视频数据由现场网络硬盘录像机储存，通过单模光纤上传至监控中心。

监控中心设置视频工作站、核心交换机，视频数据上传至监控中心，通过视频工作站配套的显示器查看现场视频图像。简约型方案网络见图2。前端摄像机支持“移动侦测”功能，当画面出现异常时，例如在午夜有人员在管廊内活动，可通过网络硬盘录像机向监控中心值班人员报警。

图1 简约型方案现场配置

图2 简约型方案网络

鉴于此方案前端摄像机数量较少，对于管廊内的电力舱室，可采用图像型火焰探测器替代网络摄像机作为前端摄像机，既可以采集舱室内的图像，输出至网络硬盘录像机，又可以作为火焰探测器进行电气火灾检测，当其检测到火情时可向监控中心发出火灾报警，由火焰探测器输出开关量联动管廊内的自动灭火系统。

本方案的特点是监控系统结构简单，配置灵活，视频数据本地储存，网络通信量小，但监控系统规模受网络硬盘录像机容量限制，没有扩展能力，仅适合小型监控系统。

4.2 集中型方案

当管廊主体较长，防火分区较多时，每两个防火分区设有一个设备间，每个设备间仅设置一套联网交换机用于数据远传，不设置网络硬盘录像机。现场前端摄像机采用星型网络连接到设备间内的联网交换机，汇总后与其他联网交换机组网，将数据上传至监控中心。集中型方案现场配置见图3。

各个设备间的联网交换机与监控中心的联网交换机通过光纤环网互联(不必采用星型网络一对一将光纤引至监控中心)，再与监控中心的核心交换机相连，视频数据通过监控中心的磁盘阵列集中储存，通过监控中心的大屏幕进行显示。集中型方案网络见图4。

图3 集中型方案现场配置

图4 集中型方案网络

磁盘阵列可采用Windows、Linux、Solaris等操作系统，支持RAID技术(RAID0、1、5、6、10、50等)、支持多种协议(例如视频流协议/ NFS / CIFS / FTP / HTTP / AFP / RTSP等)、热插拔硬盘、冗余热备电源等，可靠性高，储存容量大。视频显示采用大屏幕系统，一般为“拼接墙”，屏幕可采用DLP、等离子、液晶等，典型的屏幕数量有2×2、2×4、3×3、4×8等，视频数据通过大屏幕控制器按需要在指定的屏幕区域显示。

本方案的特点是监控系统结构简单，前端摄像机通过现场联网交换机联网，无需本地储存数据，扩展时仅需增加前端摄像机和现场联网交换机即可，储存设备位于监控中心，数据安全性高，易于维护。但本方案网络通信量大[2]，监控系统规模受此限制不能过大，否则会导致成本过高，且容易影响图像传输的质量(例如出现图像卡顿、丢失等)，故适合中型监控系统。

4.3 分布型方案

当管廊主体较长，防火分区较多时，可采用简约型方案的监控系统现场配置(详见图1)，通过增加网络硬盘录像机的数量来进行扩展，每两个防火分区设有一个设备间，每个设备间设置一套网络硬盘录像机用于数据本地储存和一套联网交换机用于数据远传。当现场视频监控点比较多时，需要单独建设专用的视频传输网络。位于管廊现场设备间的联网交换机将视频数据集中后，通过光纤环网与监控中心的联网交换机组网，再连接至监控中心的核心交换机，将视频数据上传，最终在监控中心的大屏幕上显示现场画面。分布型方案网络见图5。视频数据储存在现场的各个网络硬盘录像机中，分散了风险，即使单个网络硬盘录像机发生故障，也不会影响其他区域的视频数据储存。

图5 分布型方案网络

本方案的特点：既具有简约型方案的优点，同时又解决了网络硬盘录像机的容量限制问题，扩展简单，只需成套增加现场设备即可，适合监控系统分期建设；采用光纤环网连接各套联网交换机，保证网络的可靠性；监控中心根据需要对视频数据远程调用，网络通信量小；视频数据储存为分布式结构，每个设备间的网络硬盘录像机储存自己控制范围内的视频数据，个别储存设备的损坏不会对整个监控系统产生致命的影响，提高了监控系统的可靠性，适合中型或大型监控系统。

5 结语

随着城市综合管廊的建设，网络视频监控系统在其中的应用会越来越多，技术方面将会更加成熟，并与管廊内的其他检测系统产生更多的交集。城市综合管廊包含多个检测系统，例如人员通道的出入口控制装置、入侵探测报警装置、电力舱室的火灾检测系统、天然气舱室的气体泄漏检测系统等，当它们中任意一个检测到异常时，都可以联动网络视频监控系统，将图像在监控中心显示，针对不同情况，由运行人员启动相应处理方案。网络视频监控系统与其他系统互相补充，从日常监测到重点检查，从前期预防到后期入侵处理，全方位覆盖，形成一个统一整体，有效地保障城市综合管廊内设备和管线的安全运行。