■ 羅志強(qiáng)

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

■ 羅志強(qiáng)

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)是一種基于寬帶網(wǎng)絡(luò)為用戶提供圖像和各種報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲(chǔ)存、處理的一種全新業(yè)務(wù)。這是一個(gè)由前端、中間端、后端三部分組成的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。前端由鏡頭、攝像機(jī)、云臺(tái)、報(bào)警開關(guān)、視頻編解碼設(shè)備、主機(jī)控制設(shè)備和監(jiān)控軟件組成；中間端是中心服務(wù)平臺(tái)，中心服務(wù)平臺(tái)具有業(yè)務(wù)平臺(tái)的管理功能，并對(duì)傳送過來的圖像進(jìn)行分發(fā)、存儲(chǔ)、行為分析、管理，對(duì)報(bào)警進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理；在后端用戶可在網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)接入點(diǎn)，無論是監(jiān)控現(xiàn)場，監(jiān)控中心，或者是遠(yuǎn)端，只要通過客戶端軟件，即可控制攝像機(jī)的角度、拉近拉遠(yuǎn)鏡頭、控制遠(yuǎn)端設(shè)備，并可接收?qǐng)?bào)警信息。

1 系統(tǒng)基本原則

（1）統(tǒng)一性。統(tǒng)一框架體系結(jié)構(gòu)；多層多級(jí)設(shè)計(jì)，每層功能又相對(duì)獨(dú)立；采用分布設(shè)計(jì)和統(tǒng)一管理相結(jié)合；支持組件式服務(wù)接口，支持參數(shù)化配置；面向接口編程模式；支持與外部系統(tǒng)信息交互；支持不同廠商設(shè)備。

（2）先進(jìn)性、成熟性。采用國際最新的科技成果，從而保證整個(gè)系統(tǒng)在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，系統(tǒng)建成后一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)因技術(shù)落后而大規(guī)模調(diào)整，并能夠通過升級(jí)保持系統(tǒng)的先進(jìn)性，延長其生命周期，同時(shí)又要保證先進(jìn)的技術(shù)是穩(wěn)定的、成熟的。要求系統(tǒng)具備監(jiān)控領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，如行為分析技術(shù)、自動(dòng)降幀動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等。

（3）實(shí)用性。充分考慮鐵路的特色需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路客站、應(yīng)急現(xiàn)場、鐵路線路、生產(chǎn)作業(yè)管理、設(shè)備集中維護(hù)和重點(diǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)視，滿足公安、工務(wù)、客運(yùn)、電務(wù)、貨運(yùn)、機(jī)務(wù)、車輛、運(yùn)輸調(diào)度工作及安全監(jiān)視的需要，同時(shí)滿足日常預(yù)警和應(yīng)急指揮的需要，建成具有中國鐵路特色的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺(tái)。

（4）開放性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控各地區(qū)平臺(tái)要求節(jié)點(diǎn)功能靈活轉(zhuǎn)換，滿足平滑擴(kuò)容的要求。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信接口，應(yīng)符合開放系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以方便各級(jí)中心系統(tǒng)間的互聯(lián)。

（5）可擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，以達(dá)到設(shè)置修改靈活，擴(kuò)充方便，適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。軟、硬件平臺(tái)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展能力，能夠方便地進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和更新，以適應(yīng)各種不同業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展。

（6）互聯(lián)互通性。支持不同視頻系統(tǒng)之間互聯(lián)與視頻共享，支持多級(jí)結(jié)構(gòu)。

（7）安全性與可靠性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)要能夠長時(shí)間不間斷工作。采用高可靠性的產(chǎn)品和技術(shù)，充分考慮整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全策略和機(jī)制。系統(tǒng)要具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和良好的恢復(fù)能力，主要設(shè)備采用雙機(jī)或鏡像備份工作方式，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

系統(tǒng)的總體框架見圖1。主要包括視頻前端、客戶端以及視頻中心服務(wù)平臺(tái)，各部分均接入 IP 承載網(wǎng)。

2.1.1 視頻前端

視頻前端設(shè)備主要包括攝像機(jī)（也可為IP攝像機(jī)）和編碼器，負(fù)責(zé)完成音視頻信息采集、編碼、發(fā)送，告警信息的采集、發(fā)送等功能，并可接受來自服務(wù)層的控制指令（音視頻參數(shù)設(shè)置、編碼器狀態(tài)設(shè)置、TTL信息輸出、PTZ指令等）。

2.1.2 視頻客戶端

視頻客戶端包括視頻客戶端軟件、配置客戶端軟件、解碼器及大屏（數(shù)字或模擬）。

視頻客戶端軟件負(fù)責(zé)為客戶呈現(xiàn)系統(tǒng)所提供的服務(wù)，包括實(shí)時(shí)音視頻解碼播放（軟解碼/硬解碼）、輪巡、分組調(diào)看、歷史錄像的解碼播放和播放控制、告警信息實(shí)時(shí)提示和告警錄像查看、視頻上大屏等功能。

配置客戶端軟件負(fù)責(zé)設(shè)備（編碼器、攝像機(jī)、解碼器、服務(wù)器等）管理（包括設(shè)備添加、刪除、修改等）以及用戶管理、權(quán)限配置管理等。

2.1.3 中心服務(wù)平臺(tái)

中心服務(wù)平臺(tái)由視頻管理服務(wù)（VMS）、PTZ控制服務(wù)（PTZS）、視頻存儲(chǔ)服務(wù)（VSS）、流媒體分發(fā)服務(wù)（SDS）、告警管理服務(wù)（AMS）、接口服務(wù)（SIS）等幾部分組成。

視頻管理服務(wù)，負(fù)責(zé)平臺(tái)的視頻管理。包括編碼器、客戶端、其他服務(wù)器的狀態(tài)管理、信令轉(zhuǎn)發(fā)（PTZ和告警除外）、數(shù)據(jù)更新、視頻請(qǐng)求管理等；VMS的數(shù)據(jù)更新功能使得整體平臺(tái)具有在線更新升級(jí)能力；管理服務(wù)器支持分布式應(yīng)用。

PTZ控制服務(wù)，負(fù)責(zé)將客戶端PTZ指令轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的前端編碼器，達(dá)到控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的目的。PTZS同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別判斷、鎖定、解鎖等。

流媒體分發(fā)服務(wù)，負(fù)責(zé)音視頻請(qǐng)求、接收、分發(fā)。并可實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)和分布式部署。

視頻存儲(chǔ)服務(wù)，負(fù)責(zé)視頻存儲(chǔ)、快速檢索回放。系統(tǒng)支持計(jì)劃存儲(chǔ)、告警存儲(chǔ)等多種靈活存儲(chǔ)方式。

告警服務(wù)，負(fù)責(zé)告警信息（視頻分析告警、觸發(fā)信息告警、其他系統(tǒng)告警等）獲取、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。

接口服務(wù)，負(fù)責(zé)和外部系統(tǒng)的交互，包括外部信息的接入和信息輸出兩部分。

2.2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體上分成3級(jí)（見圖2）。

核心節(jié)點(diǎn)主要包括VMS，PTZS，DB SERVER，VSS，AMS，SDS，SIS，以及為主管領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)業(yè)務(wù)部門配備的監(jiān)視終端（CU），進(jìn)行重要視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份。核心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全部視頻的綜合調(diào)度，通過鐵路視頻專網(wǎng)接入各中心節(jié)點(diǎn)的視頻業(yè)務(wù)。不同中心節(jié)點(diǎn)需要業(yè)務(wù)互通時(shí)，也需要將請(qǐng)求提交核心節(jié)點(diǎn)，由核心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行權(quán)限判斷和聯(lián)通。

中心節(jié)點(diǎn)主要由VMS，PTZS，VSS，AMS，SDS，SIS以及其他相關(guān)的配套設(shè)備組成。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本級(jí)所有視頻業(yè)務(wù)的調(diào)度和管理，通過視頻專網(wǎng)接入各站/段視頻業(yè)務(wù)，為整個(gè)鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心平臺(tái)，對(duì)站段視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和備份。

接入節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本站/段視頻業(yè)務(wù)接入，并將現(xiàn)場視頻信息上傳給相應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)。站/段負(fù)責(zé)本地視頻存儲(chǔ)。

現(xiàn)場前端子系統(tǒng)，包括音頻采集設(shè)備、視頻采集設(shè)備、報(bào)警輸入輸出設(shè)備、云臺(tái)設(shè)備、云臺(tái)解碼器設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)視頻編碼設(shè)備等。主要實(shí)現(xiàn)音視頻信息、報(bào)警信息的采集，網(wǎng)絡(luò)傳輸以及輔助設(shè)備（如云臺(tái)、矩陣等）的控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 統(tǒng)一的編碼器接入接口

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，要求監(jiān)控系統(tǒng)支持不同的編碼器設(shè)備，而各編碼器設(shè)備的外部開發(fā)接口千差萬別，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范性、穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺(tái)通過統(tǒng)一的編碼器接入接口，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)功能與不同設(shè)備接口的有效隔離，保證了平臺(tái)主要功能的設(shè)備無關(guān)性，接入新的編碼器設(shè)備，只需要開發(fā)符合統(tǒng)一接入接口規(guī)范的設(shè)備接口代理組件，就可以在基本不更改平臺(tái)軟件的情況下完成新設(shè)備的接入。編碼器接入接口邏輯示意圖見圖3。

3.2 流媒體數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)技術(shù)

視頻圖像的存儲(chǔ)是海量存儲(chǔ)，鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺(tái)采用流媒體數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)技術(shù)，以保證存儲(chǔ)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

流媒體數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)技術(shù)將磁盤空間劃分為固定大小的數(shù)據(jù)塊空間，在存儲(chǔ)視頻圖像時(shí)將流媒體數(shù)據(jù)寫入預(yù)先分配的數(shù)據(jù)塊空間，并根據(jù)存儲(chǔ)覆蓋策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊空間的回收再分配，從根本上避免了視頻存儲(chǔ)空間的磁盤碎片的產(chǎn)生，提高了存儲(chǔ)性能，降低了磁盤損耗。

3.3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)技術(shù)

鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺(tái)采用了RTP/ RTCP協(xié)議進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)發(fā)送，通過統(tǒng)計(jì)丟包率，對(duì)分發(fā)幀率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況。

丟包率是通過計(jì)算接收包數(shù)量和發(fā)送包數(shù)量的比率得到的，丟包率獲得的整個(gè)流程是：發(fā)送方每間隔一定時(shí)間讀取每個(gè)發(fā)送通道的發(fā)包數(shù)量和數(shù)據(jù)長度，組成一個(gè)此通道的RTCP報(bào)文發(fā)送給接收方，同時(shí)將發(fā)送數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)清零；接收方收到RTCP包后，讀取接收通道接收到的包數(shù)量，并計(jì)算出丟包率，通過一個(gè)RTCP接收匯報(bào)包發(fā)送給發(fā)送方，同時(shí)對(duì)接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)清零。

責(zé)任編輯王小紅

羅志強(qiáng)：北京國鐵華晨通信信息技術(shù)有限公司，副總工程師，北京，100070