铁路综合视频监控系统分析和应用研究

刘 仓

上海局集团有限公司上海通信段 上海 200000

随着铁路快速发展和通信技术的提升,综合视频监控系统在铁路中应用也日益广泛,能够满足铁路系统中业务种类多、需求差异大、部门场所多样的特点,同时能够实现对铁路沿线大规模覆盖,在运输安全中发挥着重要作用。本文以连盐铁路综合视频监控为例,对视频监控系统的应用进行讨论分析。

1 系统概况

连盐铁路全长234公里,是“八纵八横”高速铁路网中“沿海通道”的重要组成部分。北起连云港南至盐城,对构建南北铁路运输通道、密切沿海城市间联系具有重要作用,同时结束了沿线连云港、盐城两地不通动车的历史。为了保障铁路运输安全,连盐铁路规划了铁路综合视频监控系统。该系统覆盖了从连云港至盐城的11个车站及区间节点,设置前端摄像头设备进行视频监控。

连盐铁路综合视频监控在设计初期的方案采用标清摄像头,按照《中国铁路总公司关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》(铁总建设[2016]18号)要求,变更为高清摄像机,同时在基站和区间增设独立铁塔,实时对线路路基、桥梁进行监控,优化视频采集点利用光纤接入到邻近通信传输节点[1]。

2 系统组网结构

连盐铁路综合视频监视系统由视频核心节点、视频区域节点、视频接入节点和视频采集点四部分组成。其中视频核心节点设在铁路总公司,连盐铁路接入到上海局视频区域节点,本线设置视频接入节点、视频采集点设备和网管设备。(见图1)

2.1 视频接入节点 视频接入节点分为Ⅰ类和Ⅱ类视频接入节点两类。I类接入节点用于实现视频的接入、分发/转发,可实现视频内容分析和与其他系统的互联等,并对其接入的所有视频信息和告警信息进行存储。沿线在连云港车站设置Ⅰ类视频接入节点设备,包含存储服务器、管理服务器、分发转发服务器、SA 服务器、防病毒服务器、网络交换机、磁盘阵列、视频管理终端、机柜等。

II类接入节点实现对相对分散的采集点的视频接入、汇聚上传,根据需要,可实现视频内容分析、存储。在赣榆北、赣榆、海州、董集、杨集、响水、滨海县、阜宁东、射阳、盐城北站设置Ⅱ类视频接入节点,包含存储服务器、分发转发服务器、网络交换机、磁盘阵列、机柜等,实现视频的接入、分发/转发、视频内容分析和与其他系统的互联等,并对其接入的所有视频信息进行存储。

2.2 视频采集点 视频采集点按照安装位置不同采用不同功能高清摄像机。一是室内部分,主要在运转室室内、通信信号机房内、通信基站内、信息防灾机房、牵引供电及电力机房等处,采用高清一体化球机实现对重点区域的实时监控。二是通信、信号机房外、基站及区间视频铁塔、车站咽喉区、区间线路路基、路基和桥梁结合部以及长短6km 以上桥梁等区段,采用高清长、短变焦枪机；在桥梁疏散通道采用室外定焦枪机。现对重点区域的进行昼夜监视。

前端设备包括摄像机(含护罩、镜头、云台)、立柱/支架及相关配件、防雷接地装置、电源装置等。摄像机具有夜视、低照度、变焦、自动降温、防护罩、高精度云台,分辨率为1080P,支持H.264/MJPEG/MPEG4视频压缩算法,具有丢包网络环境下图像效果良好无明显掉帧功能。

2.3 视频监视终端 视频监控终端具有对采集点视频的调用功能。根据授权不同,各客户端可实现对管辖区内远程摄像机控制功能。视频应用软件基于通用的流媒体协议(RTSP/RTP/RTCP/RSVP),支持MPEG-X 及H.264等多种编解码格式的视频流传输,并具有平台无关性。

视频应用软件主要包括用户管理、权限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。支持对各种视频设备资源、设备的运行状态进行监视及维护,通过软件对系统设备参数进行配置,对系统用户的注册、认证、删除及权限分配进行管理等功能。具有日志管理功能,能够通过操作日志对操作人员进入、退出系统的时间和主要操作情况进行记录,支持日志信息查询和报表制作等功能。

图1 连盐铁路综合视频系统图

3 视频监控接入方案

综合视频监控系统由IP数据网承载。系统由基础网络平台和接入平台两部分组成。视频汇聚点的视频信息通过传输网接入到所属视频接入节点；Ⅱ类视频接入节点通过数据网接入到所属I类视频接入节点；Ⅰ类视频接入节点通过数据网接入到视频区域节点；视频区域节点通过数据网接入到视频核心节点。

各机房视频采集点前端设备采用超五类非屏蔽双绞线或光线加交换机方式接入各视频汇聚点或接入节点；车站咽喉区、站台、独立立杆的桥梁救援疏散通道等处的视频前端采集设备采用光纤直连方式就近接入视频汇聚点或接入节点。区间视频铁塔处视频前端采集设备采用光纤加交换机的方式就近接入视频汇聚点或接入节点。

图2 连盐铁路综合视频接入示意图

4 系统功能和业务应用

4.1 系统功能 连盐综合视频监控系统在铁路中的应用,主要功能有以下几种：1)监控系统平台支持B/S 或者C/S 的访问。对系统设备的运行状态进行自动检测。网管系统可以对图像进行自动巡检,发现视频障碍会在告警信息栏中提示。2)支持NTP 时钟同步协议,实现统一的时间校对。3)权限管理功能,对于各个操作人员来说,可以在自己的权限之内对图像进行调用,也可以对系统中的相关参数进行修改。4)行为和移动侦测功能的分析。对于公跨铁力较强和车站两侧来说,在物体外形检测的基础上,可以对检测目标的运动、路线等进行跟踪和告警。5)具有PTZ 控制功能,通过视频客户端能够对云台的旋转方向进行控制,改变摄像机的大小、加热开关、变倍程度、聚焦程度等等。6)环境适应性：采用防爆、防腐、防尘、防水工业化前端设备,满足易爆、高温、腐蚀等恶劣应用环境。7)高清数字化：全面实现高清图像的应用,从前端采集、编码传输、录像存储、解码回放等各环节均实现高清化处理；采用全数字化架构方案,易部署、易管理、易维护；8)联动功能,实现视频与动环的联动,同时可以控制机房内照明的开关[2]。

4.2 视频监控的业务应用 连盐综合视频监控为铁路各部门提供视频业务服务,能够对现场图像信息的共享,视频监控的业务使用部门主要有：1)调度部门。在路局调度中心为行车值班员、助理调度值班员配置了用户监视终端,可以对连盐全线的车站行车室、咽喉区、公跨铁立交桥等监控点进行实时监控,对异物或人员侵入等主动 发出报警信息,防止安全事故的发生。2)车务部门。在铁路车站行车室设置视频监控终端,能够实施查询车站咽喉区列车到发及停靠站情况,保障行车安全。同时满足车务对行车室内作业人员进行监控。3)客运部门。通过用户终端查询,满足客运部门对车站、站台、检票口、候车室等进行实时监视和图像调用。4)电务部门。在电务段、通信段设置用户监视终端,对通信/信号机房、基站机房、信号中继站和正线线路巡视等进行实时监视和图像调用。5)工务部门。对正线线路、隧道口、车站咽喉区、救援疏散通道 等进行实时监视和图像调用,还可为工务部门提供公跨铁立 交桥提供实时监视落物情况。6)供电部门。在路局电调台及沿线电力维护部门设置用户监视终端,对各电牵/电力节点、正线线路、隧 道口、车站咽喉区、公跨铁立交桥等进行实时监视和图像调用。7)公安部门。为沿线公安派出所设置了用户监视终端,可对全线各监控点进行实时监视和图像调用。

5 关键技术分析

5.1 视频编码技术 铁路高清视频监控系统得到广泛的应用得益于视频编码技术的提升。高清摄像头的视频数据没有经过压缩海量的,无法进行实时上传和存储。目前典型的视频编码压缩标准MPEG-4和H.264能够彻底解决此类问题。MPEG-4标准基于优化的思想进行设计的,将先前标准中的某些技术加以改进。MPEG-4标准不仅仅给出了具体压缩算法,它是针对数字电视、交互式多媒体应用、视频监控等整合及压缩技术的需要而制定的。H.264,同时也是MPEG-4标准的第十部分,是由ITU-T 视频编码专家组提出的高压缩率视频编码标准,比以往其他编码方式好得多的压缩性能。H.264标准最大的优势是具有很高的数据压缩比,在同等图像质量的前提条件下,H.264编码的压缩比是MPEG-4的1.5～2倍。如原始文件为88GB,MPEG-2压缩结果为3.5GB,压缩比为25∶1；而H.264压缩结果为879MB,压缩比102∶1。H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。有利于对误码和丢包的处理,以满足不同速率、不同解析度以及不同网络传输、存储场合的需求。连盐铁路视频采用H.264编解码技术。

5.2 频存储应用技术 存储的部署应该是灵活的,可以选择报警触发存储、预置时间表存储、手动启停存储等；存储的架构应该是主流架构如DAS、NAS、SAN 等,一般采用RAID5冗余方式。存储的需求一般是正常录像和报警录像分开并设置不同周期,例如正常录像15天,报警录像30天。存储系统的规划设计应该根据项目需求情况、网络情况进行部署。DAS和SAN 技术主要是进行“块”存储,更适合于视频信息存储,而DAS是以服务器为中心的存储结构,采用存储设备直接和服务器连接,资源利用率较低；SAN 是以网络为中心的存储结构,主要采用光纤通道或TCP/IP 网络将存储系统网络化,资源利用率高,可靠性较高。因此,连盐视频系统选择采用了IP SAN 的存储技术。

连盐铁路视频存储采用在每个车站设置II类节点视频存储服务器和磁盘阵列。视频监控节点的存储容量计算公式为：容量=视频路数*码流/8*监控天数*24小时*3600秒。公式为：T(TB)=N*S/8*D*24*3600/1024/1024。其中：T 为存储容量；N 为摄像头个数；S为视频图象码流(6Mbit/s)；D 为存储天数。按每个视频监控节点50个摄像头,摄像每路存储时间15天考虑,所需要视频存储为46.3TB,考虑20%冗余备份,视频节点存储容量平均容量60TB考虑。

5.3 行为分析技术 铁路的特点是系统跨度大、地理分布广,视频监控是对图象显示内容的监控。需要对监控设定区域,对目标进入、离开时在网管监控侧进行报警。铁路运用需求主要有：对目标穿越铁路行为进行跟踪；可根据现场需要灵活设定预报警区和报警区；对违反设定的通行规则逆向通行报警。

目前视频分析技术主要有两种架构方式,一种是基于后端服务器的方式,另外一种是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式,即分布式智能分析架构下,视频分析单元一般位于视频采集设备附近,这样可以有选择地设置系统,让系统只有在报警发生的时候才传输视频到控制中心或存储中心,相对于服务器方式,可节省网络负担及存储空间。视频分析是复杂的过程,需要占用大量的系统计算资源,因此服务器方式可以同时进行视频分析的路数非常有限。基于以上原因,目前市场上主流视频分析技术多采用DSP方式,基于摄像机或编码器。需要注意的是,基于前端DSP方式的视频分析设备,一旦需要调整视频分析点位,如增加或取消视频分析功能,则通常需要更换DVS或IPC,而基于后端分析的模式则客运直接在机房或控制中心调整完成,无需更换前端硬件。结合铁路视频的视频分析需求,连盐视频系统选择采用前端视频分析技术。

5.4 冗余可靠性技术 高铁视频监控系统需要具有高可靠性,以实现对不同部门的运营、安全、维护等各个需求支持。对于网络视频监控系统,可以采用不同的冗余方式来增强稳定性,从前端编码器、传输网络到转发服务器、管理服务器及存储系统,均可实现冗余技术。同时提供高安全性,系统提供用户接入认证、前端设备接入认证,完备的分级权限管理；视频录像引入数字签名处理,防止数据篡改。高数据安全性,监控中心配置的存储设备支持RAID 0、1、5等多种安全冗余格式,数据存储容量大,存储时间长,若硬盘坏掉后可直接启用热备盘,不会丢失录像数据,数据安全性高,真正实现7*24无间断工作。

6 结语

随着信息技术的迅速发展,视频监控在铁路的运用会日益广泛,发挥视频监控系统功能还需不断提高,解决好视频监控对运输安全的保障是需要坚持不懈的探索。视频监控系统的应用是系统工程,逐步在向智能化发展,充分利用监控系统和铁路各维护管理部门相互联动,完善视频行为分析告警功能,用科技手段解决运维的问题,将会把视频监控的运用范围将逐步扩大、功能也将发挥越强。