馬太戈 上海鐵路局上海通信段

合蚌客專綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

馬太戈 上海鐵路局上海通信段

通過介紹合蚌客專鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，重點對編解碼、存儲、視頻分析及互聯(lián)互通等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行比選，并結(jié)合實際運用情況提出系統(tǒng)存在的問題及解決方案。

合蚌；視頻；研究；應(yīng)用

合蚌客運專線全長130 km，北連京滬高速鐵路，南接合肥樞紐，與合寧、合武鐵路相銜接，是京滬高速鐵路與滬漢蓉快速客運通道間快速連通線，也是京福高速鐵路的重要組成部分。為了提高運輸生產(chǎn)的安全保障系數(shù)，合蚌客專在工程建設(shè)階段同步建設(shè)了合蚌客專鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱合蚌視頻系統(tǒng)）。系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用先進(jìn)的數(shù)字視頻技術(shù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、多級控制、資源共享等功能。

1 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

合蚌視頻系統(tǒng)由視頻區(qū)域節(jié)點、視頻接入節(jié)點、視頻采集點三部分組成，基于MSTP傳輸系統(tǒng)和鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)組網(wǎng)，支持與電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，支持與客站旅服系統(tǒng)互聯(lián)。系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 區(qū)域節(jié)點

合蚌視頻系統(tǒng)在合肥設(shè)置區(qū)域管理中心節(jié)點，完成本線視頻系統(tǒng)的用戶及設(shè)備管理，可完成合蚌視頻系統(tǒng)告警事件及圖像的存儲和管理，其主要職能定位為管理、監(jiān)視、控制和報警處理。

為了滿足視頻資源的共享需要，合蚌視頻系統(tǒng)在合肥新設(shè)了視頻系統(tǒng)代理（SA）以接入路局既有互聯(lián)互通平臺，同時為了滿足本線視頻接入后給既有平臺帶來的處理壓力，合蚌視頻系統(tǒng)同步對路局既有的視頻區(qū)域節(jié)點進(jìn)行了擴容。擴容的功能單元主要包括認(rèn)證授權(quán)管理單元（AA）、信令控制單元（SCU）、目錄服務(wù)單元（DSU）、數(shù)據(jù)分發(fā)單元（DDU）、用戶接入控制以及接口（AGU）、告警/告警存儲（AU）。

1.2 I類視頻接入節(jié)點

I類視頻接入節(jié)點設(shè)在合蚌客專沿線6個車站，配置有視頻存儲服務(wù)器、存儲設(shè)備、分發(fā)/轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、視頻編碼設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

I類視頻接入節(jié)點是一個區(qū)域性系統(tǒng)中心，對上負(fù)責(zé)將告警圖像上傳至合肥監(jiān)控中心，并接受其統(tǒng)一管理，對下負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)（含下轄的II類節(jié)點）視頻信息進(jìn)行接入、存儲、分/轉(zhuǎn)發(fā)等，同時還可設(shè)置視頻監(jiān)控終端，負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)監(jiān)視終端用戶的接入。

1.3 II類視頻接入節(jié)點

II類視頻接入節(jié)點設(shè)置在沿線GSM-R基站、信號中繼站、電力電牽節(jié)點、綜合維修保養(yǎng)點，配置有視頻編碼設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

II類視頻接入節(jié)點負(fù)責(zé)前端采集點攝像頭視頻信息的就近匯聚接入、處理、內(nèi)容分析，視頻圖像信息上傳至I類視頻接入節(jié)點等工作，并接受區(qū)域管理中心的調(diào)度和控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)比選

構(gòu)建鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅要符合鐵道部相關(guān)技術(shù)要求和規(guī)范，還需考慮所采用技術(shù)的先進(jìn)性、科學(xué)性、可擴展性，與已開通系統(tǒng)間實現(xiàn)互聯(lián)互通，這就必須對各關(guān)鍵技術(shù)方案加以規(guī)范和統(tǒng)一，并擇優(yōu)而選。

2.1 編解碼技術(shù)

視頻壓縮編碼主要實現(xiàn)模擬視頻圖像的數(shù)字化，是網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的核心技術(shù)，直接影響視頻存儲、傳輸和播放等環(huán)節(jié)。目前主流的編解碼技術(shù)主要有MPEG-4、H.264和AVS，其中MPEG-4技術(shù)相對成熟，但編碼效率低，需占用較多帶寬；H.264技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，可比MPEG-4節(jié)約30%的碼率；AVS產(chǎn)業(yè)進(jìn)程尚未成熟。因此，合蚌視頻系統(tǒng)選擇采用了H.264編解碼技術(shù)。

2.2 存儲技術(shù)

視頻存儲技術(shù)需考慮應(yīng)用結(jié)構(gòu)、存儲容量、用戶分布、網(wǎng)絡(luò)帶寬及存儲模式等因素。目前主流的存儲技術(shù)有DAS、SAN、NAS，其中NAS技術(shù)主要是進(jìn)行“文件”存儲，更適合文本信息的存儲；DAS和SAN技術(shù)主要是進(jìn)行“塊”存儲，更適合于視頻信息存儲，而DAS是以服務(wù)器為中心的存儲結(jié)構(gòu)，采用存儲設(shè)備直接和服務(wù)器連接，資源利用率較低；SAN是以網(wǎng)絡(luò)為中心的存儲結(jié)構(gòu)，主要采用光纖通道或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，資源利用率高，可靠性較高。因此，合蚌視頻系統(tǒng)選擇采用了IP SAN的存儲技術(shù)。

2.3 智能分析技術(shù)

智能分析技術(shù)已在鐵路視頻中得到了大量應(yīng)用，其中以入侵檢測的應(yīng)用較為廣泛。目前智能分析技術(shù)主要有后端視頻分析和前端視頻分析兩種，其中后端視頻分析需要在視頻接入節(jié)點的服務(wù)器上安裝視頻分析軟件對接收到的視頻內(nèi)容進(jìn)行分析，該方式配置靈活，但所有視頻移動偵測算法全部由后臺服務(wù)器完成，對服務(wù)器的處理能力要求較高；前端視頻分析通過在前端接入視頻分析模塊，在前端模塊中對視頻圖像進(jìn)行分析，該方式只能對指定的視頻圖像實施分析，靈活性較差，但計算響應(yīng)快，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和后臺服務(wù)器的資料占用較小?；谝曨l承載網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，結(jié)合鐵路視頻的視頻分析需求，合蚌視頻系統(tǒng)選擇采用前端視頻分析技術(shù)。

2.4 互聯(lián)互通技術(shù)

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)就是要通過統(tǒng)一的規(guī)劃和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各類視頻信息的充分共享和系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。其關(guān)鍵技術(shù)是協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，也就是要求各視頻系統(tǒng)所對應(yīng)的TCP/IP協(xié)議棧應(yīng)用層的信令協(xié)議必須統(tǒng)一。目前用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的信令協(xié)議主要包括HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、RTSP（實時流協(xié)議）和SIP（會話初始協(xié)議）。其中HTTP屬于應(yīng)用層面的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，適用于分布式超媒體信息系統(tǒng)，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求；SIP和RTSP是基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方媒體會話，這兩種協(xié)議各有利弊，但是SIP協(xié)議靈活性好，擴展性強，代表了未來的方向。因此，合蚌視頻系統(tǒng)按照《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求，以SIP協(xié)議為基礎(chǔ)建設(shè)了用于互聯(lián)互通的功能單元，主要有目錄服務(wù)單元（DSU）、數(shù)據(jù)分發(fā)單元（DDU）、系統(tǒng)代理（SA）。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

合蚌視頻系統(tǒng)的終端用戶主要有調(diào)度、客運、電務(wù)、公安、工務(wù)、供電等。其提供的車站、線路視頻圖像在設(shè)置之初就綜合考慮了監(jiān)控地點、位置、數(shù)量等方面的因素，不僅能滿足運輸生產(chǎn)對合蚌客專動車組運行情況實時監(jiān)控的要求，并可滿足夜間對重點位置監(jiān)控的要求，機房內(nèi)外的監(jiān)控圖像也基本滿足業(yè)務(wù)部門對設(shè)備安全的監(jiān)控要求，同時還為車站、公安部門準(zhǔn)確掌握線路、車站安全狀況發(fā)揮了重要作用，同時統(tǒng)一的監(jiān)控平臺還滿足了路局內(nèi)相關(guān)用戶對圖像共享的需求。

（1）調(diào)度。在路局調(diào)度中心為行車調(diào)度、助理調(diào)度配置了用戶監(jiān)視終端，對車站行車室、車站兩端咽喉區(qū)、全線公跨鐵立交橋等監(jiān)控點進(jìn)行實時監(jiān)控，對異物或人員侵入等主動發(fā)出報警信息，防止安全事故的發(fā)生。

（2）客運。在沿線各車站行車室設(shè)置用戶監(jiān)視終端，滿足客運部門對車站咽喉區(qū)列車到發(fā)及?？空厩闆r、車站、站臺、檢票口、候車室等進(jìn)行實時監(jiān)視和圖像調(diào)用。

（3）電務(wù)。根據(jù)設(shè)備維護(hù)管界在相關(guān)電務(wù)段、通信段設(shè)置用戶監(jiān)視終端，對通信/信號機房、信號中繼站和正線線路巡視等進(jìn)行實時監(jiān)視和圖像調(diào)用。

（4）工務(wù)。根據(jù)設(shè)備維護(hù)管界在相關(guān)工務(wù)段設(shè)置用戶監(jiān)視終端，對正線線路、隧道口、車站咽喉區(qū)、救援疏散通道等進(jìn)行實時監(jiān)視和圖像調(diào)用，還可為工務(wù)部門提供公跨鐵立交橋提供實時監(jiān)視落物情況。

（5）牽引供電和電力。在路局電調(diào)臺及沿線電力維護(hù)部門設(shè)置用戶監(jiān)視終端，對各電牽/電力節(jié)點、正線線路、隧道口、車站咽喉區(qū)、公跨鐵立交橋等進(jìn)行實時監(jiān)視和圖像調(diào)用。

（6）公安。為沿線公安派出所設(shè)置了用戶監(jiān)視終端，可對全線各監(jiān)控點進(jìn)行實時監(jiān)視和圖像調(diào)用。

4 系統(tǒng)存在問題及解決方法

雖然合蚌視頻系統(tǒng)在系統(tǒng)組網(wǎng)、技術(shù)選擇、用戶設(shè)置等方面充分吸取了已建視頻系統(tǒng)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，編碼、存儲、分析技術(shù)也都日趨成熟，但是在現(xiàn)場的運用中仍然存在一些問題需要不斷改進(jìn)和完善。

4.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬不足

網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的瓶頸之一，合蚌視頻系統(tǒng)中沿線采集點至接入節(jié)點的傳輸通道多由MSTP傳輸設(shè)備提供，受限于傳輸網(wǎng)絡(luò)的可用資源，目前均按照每幅圖像分配2 M帶寬的設(shè)置方案，各監(jiān)視終端目前的接入帶寬是按照最大同時調(diào)取4幅圖像，也就是4×2 M的方案進(jìn)行配置。這就造成遠(yuǎn)程調(diào)用多幅視頻圖像的時候會偶爾出現(xiàn)馬賽克或者畫面停頓的現(xiàn)象，而且隨著視頻監(jiān)控產(chǎn)品圖像清晰度的不斷優(yōu)化，監(jiān)控系統(tǒng)傳輸視頻流所需的帶寬環(huán)境也越來越嚴(yán)格，圖像越清晰，傳輸視頻流所需的帶寬條件（也就越高。要解決此問題，最行之有效的辦法就是采用光纖傳輸技術(shù)，光纖傳輸可以不受帶寬約束，使帶寬達(dá)到數(shù)G以上，但是光纖傳輸價格昂貴，維護(hù)費用也高，所以，比較適中的辦法就是適當(dāng)補強視頻接入點的傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，給視頻傳輸提供相對多的帶寬資源。當(dāng)然，隨著編解碼技術(shù)的發(fā)展，更好的編解碼技術(shù)也能解決網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸問題。

4.2 區(qū)間采集點設(shè)置不完善

受限于投資成本，合蚌視頻系統(tǒng)在隧道口、公跨鐵立交橋、車站咽喉區(qū)等位置設(shè)置了視頻采集點，在正線線路中只在GSM-R鐵塔上設(shè)置了視頻采集點，受制于GSM-R鐵塔的位置，目前正線中各攝像采集點的間隔在3 km左右，還無法實現(xiàn)線路監(jiān)控的視頻全覆蓋。針對這一問題，一方面應(yīng)做好前期調(diào)查工作，盡可能地完善前端采集點的設(shè)置方案，比如可在線路的彎道處增加采集點；另一方面可適當(dāng)?shù)倪x用高性能的攝像機以彌補監(jiān)視距離過長的問題。

4.3 終端用戶權(quán)限的劃分不清晰

綜合視頻系統(tǒng)的建設(shè)目的就是盡可能做到信息共享，各終端用戶對視頻資源的獲取需求必然會存在交集區(qū)，尤其在現(xiàn)場發(fā)生異常狀況的時候，會造成多用戶同時訪問同一視頻資源。由于目前的用戶監(jiān)視終端較多，控制權(quán)限不等且分散，就造成不同用戶爭搶控制權(quán)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。要解決這一問題，必須根據(jù)各用戶的實際需求，合理規(guī)劃出不同用戶的權(quán)限等級，才能有效避免用戶爭搶控制權(quán)。

5 結(jié)束語

合蚌視頻系統(tǒng)在系統(tǒng)平臺、遠(yuǎn)距離監(jiān)視、視頻分析、互聯(lián)互通、防病毒應(yīng)用等方面均在之前客專線視頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上取得了一定的突破和創(chuàng)新，是集工程設(shè)計、施工、系統(tǒng)集成為一體的綜合項目。隨著合蚌視頻系統(tǒng)的運行，它必將極大地提高合蚌客專的運輸安全保障能力，并推動鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的全面發(fā)展。

責(zé)任編輯：王華 王輝

來稿日期：2013-04-09