陸海亭 郭 偉 鄭靈敏

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司 江蘇蘇州215002;2.金陵科技學院 南京211169)

城市軌道交通在引導和調(diào)整城市空間布局、節(jié)約土地資源、保護自然環(huán)境、節(jié)約能源、方便居民出行、促進經(jīng)濟發(fā)展等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國城市化步伐加快，建設(shè)軌道交通已成為解決城市交通擁堵難題的首要選擇。

作為人員大量聚集、流動性強的公共場所，城市軌道交通迫切需要利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)全過程、全方位的安全生產(chǎn)與安全防范。城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)可分為專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和警用視頻監(jiān)控系統(tǒng)。專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)是供運營管理人員實時監(jiān)視車站客流、列車出入站、乘客上下車及隧道口的情況和設(shè)備運行狀況，以加強軌道交通的運行組織管理，提高效率，確保列車安全正點地運送乘客。警用視頻監(jiān)控系統(tǒng)則是公安部門維護軌道交通秩序的重要手段，是各級警務(wù)人員對公共區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)視以提高軌道交通治安水平、保障乘客生命財產(chǎn)安全和軌道交通安全運營的有效工具，也是公安機關(guān)為開展日常工作和及時發(fā)現(xiàn)、快速處置突發(fā)性事件的技術(shù)手段。

1 發(fā)展歷程

縱觀軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展歷程，大體上經(jīng)歷了3個階段［2-5］:上世紀九十年代及以前的模擬監(jiān)控階段、本世紀初出現(xiàn)的準數(shù)字監(jiān)控階段以及近幾年剛興起的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控階段。下面簡要介紹和總結(jié)各階段技術(shù)發(fā)展的特點。

1.1 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)

模擬監(jiān)控系統(tǒng)的標準體系架構(gòu)是以模擬標清視頻信號為基礎(chǔ)，大容量視頻矩陣為核心，并且由多畫面處理器與VCR(video cassette recorder，視頻磁帶錄像機)等組成?？刂浦行暮透鬈囌镜牡湫徒M網(wǎng)方式見圖1。在模擬監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭和監(jiān)視器之間傳輸?shù)氖悄M視頻信號，控制中心與各車站間視頻信號傳輸采用模擬方式。在車站，各攝像頭采集的視頻信號經(jīng)視頻電纜連接到車站視頻矩陣，車站值班員通過鍵盤控制視頻矩陣的輸出，選擇所需監(jiān)控點圖像進行監(jiān)控。各車站與控制中心之間的視頻信號傳送采用點對點光端機和模擬光纖，傳輸視頻信號和控制信號的方式。

圖1 模擬監(jiān)控系統(tǒng)典型組網(wǎng)

模擬監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信號采集、傳輸、顯示、存儲均為模擬方式，具有技術(shù)成熟、鍵盤控制響應速度快、圖像質(zhì)量高等顯著特點。但是視頻合成、圖像選擇過程復雜，用戶控制權(quán)限無法設(shè)置，導致系統(tǒng)功能有限，組網(wǎng)的范圍和距離有限，設(shè)備繁多、系統(tǒng)的故障率高，進行遠程訪問困難;采用傳統(tǒng)的磁帶存儲，查詢困難，不能滿足軌道交通大規(guī)模監(jiān)控存儲的分布性和冗余性需求;系統(tǒng)運營維護困難，擴容難度大，成本高;由于各系統(tǒng)獨立運行，相互之間的控制協(xié)議很難互通，聯(lián)動只能在有限的范圍內(nèi)進行，大規(guī)模視頻源的控制與管理很難實現(xiàn)。目前，模擬視頻監(jiān)控方案在國內(nèi)城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)新線建設(shè)中基本被淘汰。

1.2 準數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)

準數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)也被稱為數(shù)模混合監(jiān)控系統(tǒng)，它僅僅對模擬監(jiān)控系統(tǒng)做了局部升級，即控制中心內(nèi)部、各車站內(nèi)部的組網(wǎng)方式仍沿用模擬技術(shù)，但在硬盤錄像以及車站與控制中心的視頻傳輸中采用了數(shù)字技術(shù)。本系統(tǒng)中前端的攝像機保留了模擬標清的固定攝像機和PTZ(pan/tilt/zoom，云臺控制)球形攝像機，在視頻引入至機房后進行數(shù)字化編碼、壓縮。傳統(tǒng)的視頻矩陣被數(shù)字交換機取代，磁帶視頻錄像被DVR(digital video recorder，硬盤錄像機)取代，光端機被數(shù)字化的光傳輸平臺SDH(synchronous digital hierarchy，同步數(shù)字體系)或OTN(optical transport network，光傳送網(wǎng))取代。準數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)實際上是以DVR為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，DVR不僅能將數(shù)字化視頻錄像記錄與多畫面圖像顯示功能和監(jiān)視報警功能結(jié)合在一起，還具備簡單IP(internet protocol，網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)通信功能?？刂浦行暮透鬈囌镜牡湫徒M網(wǎng)方式見圖2。

圖2 準數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)典型組網(wǎng)

準數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)用于本地實時監(jiān)控的音視頻信號為模擬形式，用于遠距離實時監(jiān)控的音視頻信號為數(shù)字形式，硬盤錄像采用數(shù)字形式，解決了視頻圖像的長距離傳輸問題，大大提高了信息的查詢和處理能力，滿足了大范圍、遠距離監(jiān)控以及視頻資源共享的需求，比較適合軌道交通行業(yè)對于視頻監(jiān)控以本地監(jiān)控和方便存儲為主，僅有少量網(wǎng)絡(luò)瀏覽的需求。但是，DVR不具備大規(guī)模的級聯(lián)能力，很難組成穩(wěn)定的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);而且通信功能較弱，不能滿足大量訪問網(wǎng)絡(luò)客戶端的實時觀看和視頻回放的需求;此外，數(shù)據(jù)存儲存在可靠性差、硬盤無RAID(redundant arrays of independent disks，磁盤陣列)保護、存儲數(shù)據(jù)丟失無法恢復的缺陷;系統(tǒng)大規(guī)模建設(shè)成本和維護成本居高不下。由于準數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)時正值國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展時期，因此，它在城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應用較廣。

1.3 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

全數(shù)字視頻監(jiān)控是相對準數(shù)字視頻監(jiān)控而言，又被稱為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機通信平臺服務(wù)器實現(xiàn)統(tǒng)一管理與視頻壓縮技術(shù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。在高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，控制中心與各車站的組網(wǎng)方式均采用類似于計算機局域網(wǎng)的方式。通過軌道交通專網(wǎng)所提供的分組(以太網(wǎng)或ATM(asynchronous transfer mode，異步傳輸模式))傳輸通道將各局域網(wǎng)互聯(lián)。帶有編碼功能的網(wǎng)絡(luò)攝像機、數(shù)字監(jiān)視器、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像設(shè)備、視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器以及視頻管理服務(wù)器，均接入控制中心、各車站的以太網(wǎng)或ATM局域網(wǎng)?？刂浦行暮透鬈囌揪W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的典型組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)典型組網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)圖像質(zhì)量和帶寬要求的不同，由編碼器提供多種編解碼方式，如MPEG(moving picture experts group，活動圖像專家組)-2、MPEG-4、H.264、JPEG(joint photographic experts group，聯(lián)合圖像專家組)等。由于IP網(wǎng)絡(luò)具有長距離傳輸?shù)蛽p耗的特點，因此數(shù)字圖像在IP網(wǎng)絡(luò)上可以進行長距離傳輸。傳輸?shù)娇刂浦行牡臄?shù)字信號可以直接顯示在視頻數(shù)字客戶端上。專用的視頻管理服務(wù)器統(tǒng)一管理調(diào)度員的訪問權(quán)限，可對用戶權(quán)限進行多級劃分，避免監(jiān)控錄像被非法竊取和破壞。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在準數(shù)字監(jiān)控基礎(chǔ)之上解決了系統(tǒng)不易擴展、弱IP通信、存儲無分布性及無冗余等諸多問題，具有接入方式多樣、擴展靈活、可用任意地點的聯(lián)網(wǎng)計算機瀏覽監(jiān)控圖像、圖像采集傳輸和存儲全部數(shù)字化、監(jiān)控功能更加豐富完善等優(yōu)點。另外，在建設(shè)投資性價比、技術(shù)先進性、組網(wǎng)靈活性和可擴展性等方面，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控都明顯優(yōu)于前兩類監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)方興未艾，正在逐步成為城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)新線建設(shè)的主導方案。

2 發(fā)展趨勢

計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、存儲技術(shù)引領(lǐng)著視頻監(jiān)控系統(tǒng)不斷向前演變發(fā)展，從視頻矩陣為核心的模擬監(jiān)控系統(tǒng)，跨越到以硬盤錄像機為代表的準數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，再發(fā)展到目前的以網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控為代表的全數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。當前，城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、全高清、智能化、直存化、集成化方向發(fā)展［6-12］，這些技術(shù)的發(fā)展也必將使得軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)更加完善、高效。

2.1 數(shù)字化

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化是將系統(tǒng)中的信息流(包括視頻、音頻、控制等)從模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)字狀態(tài)，從根本上改變了傳統(tǒng)城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、控制等方式和結(jié)構(gòu)形式。數(shù)字化的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在系統(tǒng)的高效抗干擾性、聯(lián)網(wǎng)便利性和接口開放性。由此可見，數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提和基礎(chǔ)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化是軌道交通視頻監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢，主要體現(xiàn)在2個方面:一是架構(gòu)基于全網(wǎng)絡(luò)化，二是各條線路監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)大聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控在部署、管理、應用等各個方面都擁有傳統(tǒng)監(jiān)控無可比擬的優(yōu)勢。對于軌道交通而言，其監(jiān)控攝像頭的安裝位置涉及全線車站、車輛段、列車內(nèi)、停車場、主變電所、管理用房、出入口、票務(wù)室等各個環(huán)節(jié)，要實現(xiàn)這些監(jiān)控點的靈活部署，并便捷地接入到控制中心，網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)方案最佳，而且網(wǎng)絡(luò)化同時還是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ)。

目前，我國各大城市的軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本上是每條線單獨監(jiān)控，而且大多數(shù)線路采用的仍是模擬數(shù)字混合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。隨著城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，多條軌道交通線路必將形成線網(wǎng)，需要一個統(tǒng)一的調(diào)度和控制中心對整個線網(wǎng)進行統(tǒng)籌運營與管理，即大聯(lián)網(wǎng)。要充分實現(xiàn)便捷的大聯(lián)網(wǎng)，并實現(xiàn)大聯(lián)網(wǎng)后的高效、統(tǒng)一管理，也必須依賴網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控。另外，在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)之上將專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和警用視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行融合建設(shè)、資源共享也是大勢所趨。

2.3 高清化

隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的普及，視頻監(jiān)控的高清化趨勢也非常明顯。早期視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)以標清為主，標清的圖像分辨率只有CIF(common intermediate format，標準化圖像格式)至D1(水平480線，隔行掃描)，圖像解析度低，細節(jié)表現(xiàn)能力差，圖像質(zhì)量無法滿足運營和公安人員的使用需求。為了更好地滿足實際業(yè)務(wù)需要，1080P(水平1080線，逐行掃描)分辨率的高清方案受到廣泛的關(guān)注，并逐步應用到城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)當中。與標清相比，高清能夠明顯改善視頻清晰度和流暢度，但是要求系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)包括前端圖像采集、圖像傳輸、存儲、顯示、系統(tǒng)管理及控制等均做到對高清的支持。

對于城市軌道交通安防而言，采用高清監(jiān)控實現(xiàn)更精確、更高效的視頻應用，顯然是非常必要的。這不僅僅是要實現(xiàn)高清的實時監(jiān)控與圖像存儲，同時也是智能化監(jiān)控的必然需求，因為圖像越清晰，智能化分析應用的準確性及效率也就越高。

2.4 智能化

智能分析技術(shù)屬于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的范疇，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用主要是依靠計算機對視頻圖像進行處理、自動分析并提取視頻源中的關(guān)鍵信息。高清技術(shù)的應用及高清圖像的獲得為智能分析技術(shù)的應用奠定了基礎(chǔ)并創(chuàng)造了條件。視頻智能分析大致可分為兩類，即以背景模型建立為基礎(chǔ)的行為分析技術(shù)和以模式識別為基礎(chǔ)的特征識別技術(shù)。

隨著各大城市軌道交通建設(shè)線路的增加，城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大，視頻監(jiān)控點的快速增長和有限的人力及視頻處理能力之間產(chǎn)生了巨大的矛盾。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控一直面臨兩大難題:一是安防人員難以實時、有效地監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)突發(fā)或有威脅的安防事件，導致大量視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能通過調(diào)閱存儲錄像，起到事后取證的作用;二是當事件發(fā)生后進行調(diào)查取證時，難以快速、準確地在海量存儲視頻中搜尋事件的相關(guān)信息，需要耗費大量的時間和精力。因此，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)起不到事先預警和及時處理的作用，迫切需要一種智能的手段協(xié)助安防管理人員進行圖像資源的綜合處理和應用，而視頻智能分析技術(shù)恰恰就是滿足此需求的一種手段。除了實時防范，智能分析技術(shù)對提升錄像檢索的效率同樣可以起到十分重要的作用。基于智能分析，視頻監(jiān)控的錄像資料中可以自動添加各種分析數(shù)據(jù)，包括各類智能報警事件、人臉識別信息、人物形態(tài)信息等，基于這些數(shù)據(jù)，監(jiān)視人員可以根據(jù)各種事件和信息高效便捷地檢索到相關(guān)視頻，從而從海量的存儲數(shù)據(jù)中解脫出來，提升檢索效率。智能分析在城市軌道交通中主要有以下應用:安全區(qū)域智能檢測(周界入侵檢測、逆行檢測、物體遺留檢測)、視頻質(zhì)量監(jiān)控(信號丟失、清晰度異常、亮點異常、視頻干擾)、人數(shù)統(tǒng)計、客流密度檢測、面部識別和人員行為分析等。

2.5 直存化

視頻監(jiān)控系統(tǒng)所采用的存儲技術(shù)直接影響到整個系統(tǒng)的運行。視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)預警、瀏覽、回放等功能的好壞，關(guān)鍵在于存儲技術(shù)。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括本地存儲和網(wǎng)絡(luò)存儲兩種存儲模式，除DVR硬盤存儲為本地存儲模式外，DAS(direct attached storage，直連式存儲)、NAS(network attached storage，網(wǎng)絡(luò)附屬存儲)、SAN(storage area network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò))等均為網(wǎng)絡(luò)存儲模式。對高清圖像的海量存儲要求視頻監(jiān)控存儲必須高效、可靠、實用。存儲陣列技術(shù)和SAN技術(shù)解決了視頻監(jiān)控系統(tǒng)中海量視頻安全可靠的存儲問題，但是由于一般的SAN存儲設(shè)備需要配備服務(wù)器，所以成本相對較高，而且對交換機的綜合性能要求很高，其存儲的吞吐量受服務(wù)器的制約較大。

NVR(network video recorder，網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機)具有錄像穩(wěn)定可靠、檢索高效快捷、回放穩(wěn)定高效、兼容性和開放性強等特點，可實現(xiàn)錄像實時預覽、檢索與回放、報警管理等豐富的應用功能。只需將NVR與IPC(IP Camera，IP攝像機)通過網(wǎng)絡(luò)連通，無需用戶多余操作，系統(tǒng)自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備、自動構(gòu)建播放布局、自動實時播放、自動錄像，且能通過主流瀏覽器進行視頻訪問，并支持無線終端訪問。另外，只要通過視頻監(jiān)控平臺將分布在IP網(wǎng)絡(luò)上的所有NVR統(tǒng)一進行管理，形成NVR存儲云，固定云用戶或移動云用戶登錄云后，根據(jù)平臺所分配的權(quán)限獲取存儲云資源。NVR視頻云存儲的優(yōu)勢在于方便用戶調(diào)取錄像、視頻存儲性價比高、海量視頻存儲的可靠性和安全性好。因此，融合了存儲陣列技術(shù)、存儲管理技術(shù)、內(nèi)嵌視頻監(jiān)控管理軟件的高性價比視頻直存式網(wǎng)絡(luò)視頻存儲設(shè)備(NVR)將逐漸推廣應用。

2.6 集成化

軌道交通中應用的安防系統(tǒng)除了視頻監(jiān)控，還有門禁、電子圍墻以及緊急報警等其他子系統(tǒng)。目前，這些子系統(tǒng)大多是獨立運行、獨立管理的，相互之間沒有多少關(guān)聯(lián)，而從提升管理效率、最大化發(fā)揮預警聯(lián)防的角度來看，這些系統(tǒng)應采用統(tǒng)一的管理，并實現(xiàn)相互系統(tǒng)之間的整合聯(lián)動。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成則是在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，為了更有效地保證監(jiān)控效果，將監(jiān)控、門禁、緊急報警、電子圍墻等與安防相關(guān)的多個子系統(tǒng)進行集成，充分利用軟件技術(shù)，通過開放式的協(xié)議，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他各安防子系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫連接，并在操作平臺上實現(xiàn)集中、統(tǒng)一的監(jiān)控和管理，以及軟硬件資源和數(shù)據(jù)信息的充分共享。通過集成化管理，安防人員在同一個平臺上即可管理和查看各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，從而大大提升管理的集中性、便捷性以及工作效率;另一方面，通過對監(jiān)控、報警、門禁等安防子系統(tǒng)的整合，可以協(xié)助運營和公安人員更直觀、更高效地處理各類應急事件，從而提升安防能力。

3 結(jié)語

目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在我國各大城市的軌道交通運營中發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了對站、段、場、車的監(jiān)控，但就其在我國軌道交通中的應用廣度和深度而言，還有很長的路要走。今后，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))技術(shù)、存儲技術(shù)、聯(lián)動技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中更加深入的應用，城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將從單一的視頻圖像監(jiān)視、錄像、回放，向關(guān)聯(lián)視頻圖像同步監(jiān)視、錄像、回放的方向發(fā)展，從視頻圖像的簡單監(jiān)視、錄像、回放，向視頻圖像智能化分析處理的方向發(fā)展，從基于多媒體電子地圖的應用向具有矢量概念GIS平臺整合的方向發(fā)展，從單一系統(tǒng)向多系統(tǒng)集成與聯(lián)動的方向發(fā)展，從基于DAS/NAS的圖像存儲向基于SAN等技術(shù)的圖像網(wǎng)絡(luò)直存方向發(fā)展，從基于流媒體技術(shù)的圖像分發(fā)向基于IP全交換技術(shù)的圖像、組播方向發(fā)展，從固定監(jiān)控向移動監(jiān)控方向發(fā)展(從有線向無線發(fā)展)，從被動監(jiān)控向主動監(jiān)控的方向發(fā)展等。

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