分布式视频监控系统在铁路站前工程的应用与研究

鲁 帅，侯继伟，高春风，李 戈

（1. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；2.天津市开发区振泰科技有限公司，天津 300457）

随着我国铁路建设规模日益扩大，对施工安全的管理需求也日益提高[1-3]。以往铁路施工的安全管理集中在工点本地化管理，采用本地视频监控手段，建设单位和总承包单位采用定期或不定期的方式检查施工现场。但是工点本地化管理无法实时有效地为建设单位和总承包单位提供统一的管理手段，同时，铁路站前施工沿线长、交通恶劣、控制性工程分散，如何更加有效地保证施工安全，及时应对突发性事件，是建设单位和工程总承包单位必须要考虑和解决的问题。

分布式视频监控系统是基于现代计算机网络技术、流媒体技术的网络视频监控系统，采用分布式架构，能够方便地扩容和部署，网络可用的情况下能够在任意地点快速构建视频监控。在分布式网络部署的方式下，系统还可以集成铁路工程管理平台、可以与报警联动等[4-6]。采用基于IPSec的虚拟专网（VPN）技术，能够保证数据的安全及链路可靠性，节省网络费用[7]。

文献[8]中提出了通过分布式云架构技术解决铁路客运站应急指挥一体化不足的问题。文献[9]和文献[10]中，从基本架构、部署方案、业务运行、高可用等方面提出了一套分布式的铁路综合视频监控系统架构。目前，研究铁路运营后的铁路视频监控系统和应急指挥系统比较多，而在铁路站前工程上的研究非常少，本文在总结了既有的研究基础上，基于高速铁路站前工程，对分布式视频监控系统进行了深入研究，分析了系统的架构和施工现场视频监控接入的部署方式，并针对网络传输方式进行了优化，同时，研究了与其他系统的集成与联动。

1 分布式视频监控系统

1.1 系统组成

系统总体分为项目部监控终端、指挥部控制中心、标段监控终端和工点采集终端4部分。4个部分均可以对系统内的图像进行监视和控制，监视功能相互独立。

（1）项目部配置终端设备，终端设备通过互联网与指挥部服务器通信，获取监控视频的码流，监视全线的图像。

（2）指挥部监控中心，在监控中心机房设置流媒体服务器、中心级视频网络存储设备（CVR），用于系统的调度、权限管理、系统管理以及视频图像的存储；在监控室设置终端设备及大屏显示设备，对全线系统内的图像进行轮巡查看。

（3）标段配置终端设备，终端设备通过互联网与指挥部服务器通信，获取监控视频的码流，监视本标段的图像。

（4）工点设置视频采集设备、网络视频录像设备（NVR ）及监控终端，采集在本地存储监控图像，同时，通过互联网将视频监控数据传输至指挥部监控中心。

另外，可以通过手机等移动终端设备通过互联网与指挥部服务器通信，查看监控视频。系统架构，如图1所示。

1.2 系统功能

1.2.1 视频显示与控制

视频显示和控制是系统的核心功能，主要包括：单画面和多画面模式切换浏览，支持全屏、窗口切换浏览；多用户同时监控相同或不同的实时视频；监控人员可以控制视频采集端的云台；根据监控场景不同配置采集分辨率不同的视频；监控视频的轮巡播放；抓拍图像；自动弹出告警信息；对多人查看同一监控视频的性能优化等。

1.2.2 视频储存与回放

视频的存储采用工点存储与指挥部存储相结合的方式，工点的视频在前端NVR存储30天的数据，指挥部将所有工点的视频在服务器存储10天的数据。前端NVR的存储数据主要是给本地工点回放视频使用。标段、指挥部及项目部回放的数据是存储在指挥部的视频数据，用户根据时间、地点、事件等多种条件进行检索和回放，播放抓拍，快照检索，多用户同时调用和检索历史视频等。

1.2.3 用户和权限管理

为保证标段及工点只能查看本区域的监控视频，对所有的用户进行统一的、唯一的标识, 管理用户负责为每个合法用户分配相应的权限；不同级别的权限之间采用级别优先的操作原则，同级权限之间的操作采用时间优先原则对视频进行查看和控制；按照区域划分管理群组，用户通过分组和管理权限实现对监视区域的监视等。

1.2.4 分布式视频监控

系统采用分布式的结构，施工工点的本地监控不受网络条件的影响，即本地监控是自治的，监控视频会在本地存储，是事后取证的主要信息来源。施工工点的视频监控通过网络与指挥部监控中心连接，施工工点会受到指挥部的统一监控与管理，指挥部存储近期的全线监控工点的视频信息。个别工点系统如果发生故障，不会影响该系统的正常服务，待故障排除后能够很快接入到统一监控中。施工标段与项目部通过互联网接入部署在指挥部的流媒体服务器查看工点的监控视频。

1.2.5 与其它系统的集成

铁路站前工程会涉及到很多应用系统，而该系统非封闭性的系统，可以与其它系统集成。如将视频监控系统集成到铁路建设工程管理平台中、与施工现场报警系统联动、与隧道人员定位系统联动等。

1.3 前端部署

考虑到前端工点现场环境的特殊性和多样性，将前端点位场景分为3类，隧道口、梁场，车站、路基、大桥，隧道掌子面。

（1）隧道口、梁场

选用200万像素一体化球机。采用5 m立杆进行摄像机安装。摄像机支持23倍电动变焦。

（2）车站、路基、大桥

选用大变倍的200万像素一体化球机。采用5 m立杆进行摄像机安装。摄像机支持30倍电动变焦。支持透雾和电子防抖。

（3）隧道掌子面

由于隧道内粉尘、湿度较大、亮度低的情况，且存在一定的施工风险，因此选用防爆一体化球机。隧道掌子面属于动态作业面，随隧道不断掘进，作业面逐渐深入，摄像机安装时必须采用移动式点位。本方案将摄像机安装在掌子面台车上，台车随隧道掘进不断向前推进，且距离爆破面有一定保护距离。现场一般有2～3个台车，第1个台车主要起防护作用，上方架设防护网主要阻挡定向爆破产生的飞石保护后方的各类管线，第2、第3个台车主要起到架设管道、电缆、照明器具等作用。因此选择将摄像机安装于第2个台车上既可以随台车跟随作业面不断推进起到监视到施工作业面的作用，又可以从照明供电上取得稳定的电力供应。

前端视频监控部署架构，如图2所示。

1.4 网络传输

1.4.1 建设方案

传输共分为2个部分：摄像机至工点的接入层传输；工点、标段、指挥部、项目部间的级联传输。

（1）摄像机至工点的接入层传输

现场具备线缆直连，距离100 m以内，通过网线直接接入网络交换机；

现场具备线缆直连，距离超出100 m，通过敷设光缆进行信号传输；

现场不具备线缆直连，干扰源相对可控，采用点对点或点对多点的无线网桥接入方式。

（2）工点、标段、指挥部、项目部间的级联传输

铁路站前工程的工点网络搭建条件是非常恶劣的，所以工点应依据实际情况采用多种互联网接入方式。工点可以采用无线网桥+专线、无线网桥+ADSL、4G等多种方案，连接当地网络运营商提供的网络资源，经虚拟专用网（VPN）加密传送数据至指挥部。

指挥部采用固定IP接入方式，接入VPN，经由边界防火墙进行路由设定和病毒防护，再接入整个系统的核心交换层。

1.4.2 视频传输方式优化

（1）视频编解码

目前，视频编解码的主流标准是MPEG-4和H.264。本方案采用最新的H.265编码标准，H.265与H.264相比提升了压缩效率、鲁棒性及错误恢复能力，降低了实时迟延、信道获取时间、随机接入迟延、复杂度等，旨在“在带宽有限的环境下传输更高质量的网络视频”，H.265只需要H.264的一半带宽即可传输质量近乎相同的视频。

（2）双码流

采用一路高码率的码流用于本地高清存储，保证本地图像的质量，同时采用一路低码率的码流用于4G传输。这样既能保证不损失本地视频的质量，同时也保证了指挥部视频的流畅性。

（3）降低帧频率

由于指挥部更加关注监控视频的稳定性和连续性，所以在4G传输下可以通过降低一定的帧频率，减少传输数据，降低4G的流量使用从而节约投资，保证传输数据的效果。

1.4.3 掌子面的网络传输

隧道掌子面的网络传输如采用有线方式，则需要预留足够长度的线缆，且随掌子面推进需要人为进行线缆的延放，费工费料。本方案采用了抗干扰无线网桥很好地解决了这一问题，在隧道口安装网桥接收端，在台车摄像机安装位置后方安装网桥发射端。如隧道过长或开挖中有一定的角度弯曲，会对无线网桥的信号传输产生一定的影响，采用在一定距离或者隧道弯曲点安装无线中继器，可起到信号加强和中转的作用。

1.5 监控中心

监控中心建设和部署在指挥部，是系统的核心与大脑，指挥部的安全质量部门在监控中心实时监控各控制工程的施工现场情况。监控中心系统架构，如图3所示。

监控中心是系统的核心，实现视频图像资源的汇聚，并对视频图像资源进行统一管理和调度。其中，存储设备实现视频图像资源的存储及调用；监控平台完成视频解码上墙和图像的拼接控制；大屏采用LCD拼接屏。监控中心客户端通过局域网获取数据。

2 系统集成与联动

2.1 与第三方应用系统集成

铁路站前工程会涉及到很多应用系统，有时需要将视频监控系统集成到第三方的应用系统中，如中国国家铁路集团有限公司工管中心要求将视频监控系统纳入到铁路建设工程管理平台中，则需要视频监控系统提供相应的接口。接口调用的主要流程，如图4所示。

其中，虚线框的流程是可选部分，不会影响其他流程和模块的功能使用。按实现功能的不同可以分成5个模块，实现每个模块的功能时，初始化软件开发工具包（SDK）、用户注册设备、注销设备和释放SDK资源这4个流程是必不可少的。

（1）初始化SDK（NET_DVR_Init）：对整个网络SDK系统的初始化，内存预分配等操作。

（2）用户注册设备（NET_DVR_Login）：实现用户的注册功能，注册成功后，返回的用户ID作为其他功能操作的唯一标识。

（3）预览模块：从设备获取实时码流，解码显示以及播放控制、抓图等功能。

（4）回放和下载模块：可以通过按时间和按文件名的方式远程回放或者下载设备的录像文件，后续可以进行解码或者存储。

（5）语音对讲转发模块：实现和设备的语音数据对讲和语音数据获取，音频编码格式可以指定。

（6）报警模块：处理设备上传的各种报警信号。

（7）云台控制模块：实现对云台的基本操作、预置点、巡航、轨迹和云台的控制。

2.2 与报警系统联动

报警信号由报警单元产生，报警单元主要指报警信号的发生设备，为监控系统提供报警信息。通常报警设备有红外、烟感、温感和紧急按钮等，报警设备提供开关量输出，由前端编码器接受开关量信号并将该信号发送给监控系统，实现相关摄像机对准报警区域，在监控终端自动弹出相关视频画面，实现报警信号接入监控系统与报警联动。与报警系统联动示意图，如图5所示。

2.3 与人员定位系统联动

在隧道内部署定位基站，为施工人员佩戴定位标签。当隧道施工人员进入隧道后，在任何时间任意位置，定位基站都可以感应到信号，并将信号上传到监控中心服务器，将位置信息实时在大屏显示，并在服务器进行备份。与人员定位系统联动，如图6所示。

3 结束语

随着网络技术、视频技术和智能化技术的不断发展，铁路站前工程有了更多提升管理水平的途径和手段。本文研究的基于VPN的分布式视频监控系统已在某新开工点部署和搭建，试运行结果表明，该系统能够满足建设单位和工程总承包单位的管理需求。

通过该系统，建设和总承包单位可以对隧道口、掌子面、车站、路基、大桥及梁场等施工现场进行实时监控，有效地解决了现场检查不便的问题，能够及时发现并排除各种安全隐患，实时了解施工进度和施工情况，为隧道施工多发的崩塌、突水涌砂、瓦斯爆炸等事故的分析提供录像依据，为现场管理提供依据。本文为今后铁路站前工程建设的施工安全管理提供了参考。