經(jīng)玉健

(南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210032)

0 引言

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(Integrated Supervisory Control System,ISCS)作為一個(gè)高度集成的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng),主要是通過(guò)集成地鐵多個(gè)主要弱電系統(tǒng),形成統(tǒng)一的工業(yè)級(jí)監(jiān)控層軟硬件平臺(tái)。 該系統(tǒng)采用穩(wěn)定、可靠的工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為載體,在其上搭建模塊式、類似積木結(jié)構(gòu)的多層軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)定制應(yīng)用軟件,采用通用開(kāi)放的硬件接口及軟件通信協(xié)議,與各接入子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控功能和各系統(tǒng)之間的信息互通、信息共享和協(xié)調(diào)互動(dòng)功能[1]。

目前,綜合監(jiān)控系統(tǒng)與其集成/互聯(lián)的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互,其數(shù)據(jù)接口大多使用可靠、穩(wěn)定的工業(yè)規(guī)約,唯有視頻監(jiān)控系統(tǒng)(Closed Circuit Television,CCTV)例外。 CCTV 系統(tǒng)通常在各車站站臺(tái)、站廳、出入口、換乘通道等地點(diǎn)設(shè)置攝像頭,對(duì)采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),響應(yīng)操作員的命令,提供視頻服務(wù)和云臺(tái)控制等功能,擔(dān)負(fù)著地鐵運(yùn)營(yíng)管理中的安防重任。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括工業(yè)監(jiān)控常見(jiàn)的視頻設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新、用戶對(duì)某個(gè)攝像設(shè)備(球機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī))控制需求,更多的是某種壓縮格式多媒體視頻數(shù)據(jù)。 眾所周知,工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)最基本的要求就是可靠性和實(shí)時(shí)性[2],監(jiān)控集成平臺(tái)的集成商也是根據(jù)這樣要求來(lái)選取骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交換設(shè)備的,一旦海量的視頻數(shù)據(jù)涌進(jìn)綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),不僅不能保證CCTV 視頻畫面的播放,更危險(xiǎn)的是可能會(huì)影響其他眾多子系統(tǒng)的正常工業(yè)監(jiān)控功能,這就需要綜合監(jiān)控系統(tǒng)以一種更巧妙的方式接入視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。

1 CCTV 接口現(xiàn)狀

目前,各地綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入CCTV 系統(tǒng)的方式大都是由綜合監(jiān)控軟件平臺(tái)廠商封裝CCTV 系統(tǒng)供應(yīng)商提供的SDK 開(kāi)發(fā)包,調(diào)用各種SDK 接口功能函數(shù)來(lái)完成與CCTV 子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。 開(kāi)發(fā)包為視頻監(jiān)控提供的商業(yè)軟件,多數(shù)只能在Windows 下使用,而綜合監(jiān)控系統(tǒng)更多使用Unix/Linux 服務(wù)器,即使使用Windows,也容易被系統(tǒng)庫(kù)的版本問(wèn)題所困擾。 視頻碼流的解碼播放工作也會(huì)給非視頻專業(yè)的綜合監(jiān)控平臺(tái)軟件帶來(lái)相當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)成本。 更關(guān)鍵的問(wèn)題是隨著攝像數(shù)據(jù)采集技術(shù)的飛速發(fā)展,視頻畫面分辨率越來(lái)越高,數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,其接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)一方面占用了大量網(wǎng)絡(luò)帶寬,嚴(yán)重影響其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,另一方面大量視頻壓縮數(shù)據(jù)的解碼計(jì)算也給系統(tǒng)服務(wù)器帶來(lái)了非常大的負(fù)擔(dān)[3]。 同時(shí),筆者所在的公司系統(tǒng)平臺(tái)客戶端瀏覽器推薦使用的是Chrome,幾乎沒(méi)有CCTV系統(tǒng)供應(yīng)商能提供基于Chrome 的CCTV 系統(tǒng)插件,這就給封裝帶來(lái)了更大的困難。

為了克服上述問(wèn)題,文章設(shè)計(jì)了本方案,利用視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)特點(diǎn)將CCTV 數(shù)據(jù)平衡分成兩路通道來(lái)交互,所有實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)流都與綜合監(jiān)控其他子系統(tǒng)一樣,直接與其服務(wù)器模塊交互,進(jìn)入綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);而工作站可以獨(dú)立使用專用通道(如增配專用網(wǎng)卡)來(lái)實(shí)現(xiàn)多媒體流實(shí)時(shí)播放。

2 使用數(shù)據(jù)分流的平衡框架

前文提到,視頻監(jiān)控系統(tǒng)按數(shù)據(jù)格式分有兩種數(shù)據(jù)與綜合監(jiān)控交互往來(lái)。 一種是系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和用戶的控制命令,這類數(shù)據(jù)其實(shí)與其他工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)并無(wú)不同,要求實(shí)時(shí)更新、可靠性高;而另一類則是高清視頻數(shù)據(jù),這類數(shù)據(jù)體量大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力要求極高,但對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)包的可靠性要求不高,更像是商業(yè)軟件數(shù)據(jù),這其實(shí)與工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是矛盾的。

為了解決這個(gè)矛盾,本研究設(shè)計(jì)了SVC 三角平衡結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于CCTV 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集成。 綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供兩個(gè)數(shù)據(jù)端口分別接入CCTV 系統(tǒng)的兩種類型數(shù)據(jù)。 兩個(gè)數(shù)據(jù)端口分別位于系統(tǒng)服務(wù)器和系統(tǒng)工作站。 服務(wù)器端接口與CCTV 通信用于交互實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)以及用戶控制命令數(shù)據(jù),這個(gè)通道的數(shù)據(jù)是雙向的。 另一個(gè)接口位于綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作站上,專門用于接收處理高清視頻數(shù)據(jù)。 其工作原理如圖1 所示。

圖1 SVC 平衡架構(gòu)

CCTV 子系統(tǒng)單純地?fù)?dān)當(dāng)起視頻數(shù)據(jù)采集、控制終端以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角色,它需要同時(shí)維護(hù)與綜合監(jiān)控服務(wù)器的控制流數(shù)據(jù)通道以及與綜合架空客戶端的多媒體流數(shù)據(jù)通道。 服務(wù)器端模塊使用跟其余工業(yè)監(jiān)控子系統(tǒng)相同的通信模塊(通信模式和原理相同,僅項(xiàng)目具體數(shù)據(jù)點(diǎn)不同),實(shí)時(shí)更新視頻設(shè)備狀態(tài),實(shí)時(shí)下發(fā)用戶請(qǐng)求,并準(zhǔn)確記錄操作日志和歷史數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)解碼計(jì)算以及顯示任務(wù)由綜合監(jiān)控客戶端(調(diào)度工作站)完成。 隨著瀏覽器性能的提高,前端腳本畫面的豐富,越來(lái)越多的綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用了Browser-Server(瀏覽器-服務(wù)器)架構(gòu),這就給本研究設(shè)計(jì)SVC 框架提供了技術(shù)便利。 瀏覽器腳本如Javascript 語(yǔ)言等可靈活地兼容各種瀏覽器視頻插件以實(shí)現(xiàn)所有包括對(duì)多媒體服務(wù)的請(qǐng)求以及對(duì)視頻格式數(shù)據(jù)的處理計(jì)算等復(fù)雜的計(jì)算工作。 而綜合監(jiān)控服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交流則通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制來(lái)保證。

SVC 即dataSource (數(shù)據(jù)源) - View (畫面) -Controller(控制器)。

dataSource 即CCTV 子系統(tǒng),它被單純地當(dāng)做視頻數(shù)據(jù)源以及控制命令執(zhí)行終端。

View 即綜合監(jiān)控系統(tǒng)客戶端(客戶端瀏覽器+視頻播放器插件無(wú)疑是最通用、最合適的視頻顯示客戶端),它承擔(dān)著視頻數(shù)據(jù)的接收、解碼計(jì)算、視頻數(shù)據(jù)顯示以及控制命令的輸入、接收等任務(wù)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器群組毋庸置疑是整個(gè)框架的Controller 角色,為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和互動(dòng),重要的控制信息和命令下達(dá)必須由綜合監(jiān)控系統(tǒng)這個(gè)心臟來(lái)完成。

用戶通過(guò)ISCS 客戶端用戶界面使用CCTV 子系統(tǒng),相應(yīng)的視頻請(qǐng)求或操控命令由ISCS 客戶端發(fā)送給ISCS 服務(wù)器,ISCS 記錄請(qǐng)求或命令,同時(shí)將該請(qǐng)求或命令通過(guò)ISCS?CCTV 之間的自定義工業(yè)規(guī)約發(fā)送給CCTV,由CCTV 返回結(jié)果。

這里結(jié)果分為兩類。 一類是視頻信息請(qǐng)求:CCTV向ISCS Server 返回相應(yīng)的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)地址(其服務(wù)協(xié)議取決于CCTV 內(nèi)部提供視頻服務(wù)的方式如RTSP,RTP 等,此內(nèi)容非本文討論核心),ISCS 客戶端從ISCS Server 端獲得該服務(wù)地址,憑借此地址信息,ISCS 客戶端可直接向CCTV 子系統(tǒng)請(qǐng)求多媒體服務(wù)。ISCS 服務(wù)器端不僅記錄了用戶請(qǐng)求和命令信息,而且規(guī)避了海量的視頻格式數(shù)據(jù)。 另一類是ISCS 向CCTV 實(shí)時(shí)請(qǐng)求設(shè)備信息或下達(dá)控制命令,CCTV 向ISCS Server 返回所請(qǐng)求的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或命令執(zhí)行結(jié)果,再由ISCS 收到后,客戶端負(fù)責(zé)展示給終端用戶,此類信息數(shù)據(jù)量小但對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行管理來(lái)說(shuō)非常重要,不管是數(shù)值還是操作日志都需在系統(tǒng)中妥善保存。

2.1 Controller-ISCS Server

為了實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的高度集成化,各子系統(tǒng)能夠進(jìn)行聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)共享,CCTV 子系統(tǒng)必須要有足夠的信息映射到綜合監(jiān)控系統(tǒng)ISCS 中,本研究在ISCS 中為CCTV 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列專有對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)CCTV的系統(tǒng)功能。

CCTVController 對(duì)象用于對(duì)應(yīng)CCTV 子系統(tǒng)的接口/視頻服務(wù)器。 一方面用于記錄ISCS 與之接口的通信信息和監(jiān)視子系統(tǒng)的通信狀態(tài);另一方面則用于邏輯管理,作為下文要提到的Camera 對(duì)象的父對(duì)象(所有通過(guò)該接口被實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的Camera 都按其子對(duì)象管單。

Camera 對(duì)象對(duì)應(yīng)每一個(gè)CCTV 系統(tǒng)的攝像頭終端,它是CCTV 最基礎(chǔ)最重要的對(duì)象,所有的視頻畫面、設(shè)備信息請(qǐng)求以及控制命令下達(dá)最終都會(huì)尋址到具體Camera 對(duì)象。 其重要屬性包括攝像頭名稱或編號(hào)、設(shè)備信息描述、設(shè)備類型、設(shè)備地址、用于實(shí)時(shí)PTZ控制的各種參數(shù)(移動(dòng)速度、調(diào)節(jié)速度、移動(dòng)方向、縮放、焦距、光圈等)、設(shè)備工作狀態(tài)、設(shè)備通信狀態(tài)、預(yù)置位編號(hào)等。

User 對(duì)象用于記錄當(dāng)前通過(guò)ISCS 登錄CCTV 子系統(tǒng)的用戶信息,包括用戶名、操作員權(quán)限、用戶工作工作狀態(tài)等重要信息。

2.2 View-ISCS Client

綜合監(jiān)控系統(tǒng)ISCS 客戶終端,直接面向用戶,其軟件功能通常由客戶端瀏覽器+瀏覽器視頻播放插件實(shí)現(xiàn),本設(shè)計(jì)以Google Chrome + VLC Media Player(基于GPL 的多媒體播放器)為例來(lái)說(shuō)明。

用戶選擇視頻設(shè)備,發(fā)出播放請(qǐng)求后,Controller(ISCS Server)獲得所選擇的設(shè)備編號(hào),向dataSource(CCTV)發(fā)出請(qǐng)求視頻指令,CCTV 根據(jù)編號(hào)查找到對(duì)應(yīng)的視頻服務(wù)地址信息,將之返回給Controller。Controller 通過(guò)綜合監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通道將地址傳遞給View(ISCS Client)。 其余的工作完全由Chrome 視頻播放插件來(lái)完成。 至此,View?dataSource 之間就變成了單純的多媒體流服務(wù),而兩者之間的數(shù)據(jù)通道則是工作站增配的專用網(wǎng)卡,這樣多媒體數(shù)據(jù)完全不會(huì)影響原有的綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2.3 dataSource-CCTV

本設(shè)計(jì)中處于數(shù)據(jù)源角色的CCTV 系統(tǒng)在本分流平衡架構(gòu)中提供雙通道接口服務(wù),一路是對(duì)ISCS Server 提供控制流數(shù)據(jù)的處理響應(yīng)服務(wù),其通信數(shù)據(jù)流遵循本設(shè)計(jì)自定義的接口通信規(guī)約;另一路是對(duì)ISCS Client 提供視頻數(shù)據(jù)的多媒體視頻服務(wù)。 ISCS Client提供通用的多媒體客戶端可支持目前常用的多媒體數(shù)據(jù)流格式。

2.4 Controller?dataSource 自定義通信規(guī)約

本設(shè)計(jì)的目的就是使ISCS 服務(wù)器規(guī)避數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)復(fù)雜的多媒體數(shù)據(jù)流,僅需處理量小關(guān)鍵的實(shí)時(shí)控制流數(shù)據(jù)。 控制流數(shù)據(jù)通信雙方遵循自定義的ISCS-CCTV control-interface 1.0 規(guī)約。 該規(guī)約與普通工業(yè)規(guī)約類似,定義嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著視頻監(jiān)控功能被越來(lái)越多地集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中,最為困擾綜合監(jiān)控設(shè)計(jì)師的是高清視頻數(shù)據(jù)對(duì)工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的沖擊以及專業(yè)的視頻解碼渲染帶來(lái)的額外開(kāi)發(fā)成本。 本設(shè)計(jì)利用視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和交互需求對(duì)其進(jìn)行邏輯分流,使用巧妙的三角平衡架構(gòu)幫助高清視頻數(shù)據(jù)避開(kāi)了綜合監(jiān)控主干網(wǎng)絡(luò),而攝像頭畫面播放則交給成熟的瀏覽器視頻解碼插件解決。 當(dāng)然,隨著國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展,各地項(xiàng)目規(guī)劃各有特色,綜合監(jiān)控集成平臺(tái)對(duì)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入方式還需具體情況具體分析,只要能以用戶需求為本,理清軟件數(shù)據(jù)的脈絡(luò),最后一定能找到高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。