軌道交通安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)典型方案

文｜北京市警視達(dá)機(jī)電設(shè)備研究所 雷耀民

1 概述

天津地鐵2號(hào)線是貫穿城市東西的骨干線路，主要途經(jīng)西青區(qū)、南開區(qū)、和平區(qū)、河北區(qū)、河?xùn)|區(qū)和東麗區(qū)等六個(gè)行政區(qū)，連接火車站、機(jī)場(chǎng)等大型客運(yùn)樞紐。線路由曹莊起始，下穿外環(huán)線后爬升至地面，到達(dá)初期設(shè)計(jì)終點(diǎn)李明莊，共有19個(gè)車站、1個(gè)停車場(chǎng)、1個(gè)車輛段、2個(gè)主變電站、1個(gè)控制中心。共安裝了1065個(gè)攝像機(jī)，其中槍型固定攝像機(jī)288個(gè)、半球型攝像機(jī)493個(gè)、一體化球型攝像機(jī)235個(gè)、一體化云臺(tái)攝像機(jī)49個(gè)。

天津市地鐵2號(hào)線電視監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字的分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由控制中心系統(tǒng)設(shè)備、車站（包括停車場(chǎng)、車輛段）系統(tǒng)設(shè)備和車載系統(tǒng)設(shè)備三部分組成。

每個(gè)地鐵車站（包括停車場(chǎng)、車輛段）的前端攝像機(jī)信號(hào)通過同軸電纜傳輸?shù)较鄳?yīng)的車站（包括停車場(chǎng)、車輛段）通信機(jī)房，通過安裝在機(jī)房的視頻編碼器轉(zhuǎn)換為壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)。編碼器的數(shù)字視頻輸出連接到以太網(wǎng)上，供全網(wǎng)有授權(quán)的用戶使用。

在控制中心中央控制室、車站綜合控制室、停車場(chǎng)及車輛段信號(hào)樓控制室設(shè)置解碼器、控制終端等設(shè)備，用于觀看、控制實(shí)時(shí)視頻和回放記錄的圖像。圖像可顯示在液晶監(jiān)視器和/或大屏幕顯示設(shè)備上，也可顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上；圖像的觀看、控制以及記錄圖像的回放，可以通過計(jì)算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)或模擬鍵盤來控制。在控制中心設(shè)置中心儲(chǔ)存中心，通過SAN光纖網(wǎng)絡(luò)連接各站網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)和區(qū)域存儲(chǔ)設(shè)備，進(jìn)行分布式的數(shù)字視頻的集中存儲(chǔ)?？刂浦行脑O(shè)置視頻圖像數(shù)據(jù)的備份和長(zhǎng)期歸檔設(shè)備，通過SAN光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定期的備份和歸檔操作。視頻數(shù)據(jù)可以被網(wǎng)絡(luò)上的任意授權(quán)用戶所調(diào)用和控制。

車站級(jí)電視監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)同時(shí)滿足地鐵運(yùn)營(yíng)和公安安全防護(hù)的要求，車站的監(jiān)視范圍應(yīng)包括車站的公共區(qū)、辦公區(qū)和設(shè)備區(qū)，停車場(chǎng)和車輛段的監(jiān)視范圍應(yīng)包括出入段線咽喉區(qū)及停車列檢庫庫門等區(qū)域。

2 設(shè)備組成

2.1 單個(gè)車站電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）前端設(shè)備，包括半球型固定攝像機(jī)、槍式固定攝像機(jī)、一體化快球攝像機(jī)等。

（2）車站通信機(jī)械室設(shè)備，包括4臺(tái)隔離地變壓器（每臺(tái)16路視頻輸入）、1臺(tái)4畫面處理器、1臺(tái)多功能控制器、1臺(tái)多級(jí)調(diào)用管理器、1臺(tái)車站網(wǎng)管主機(jī)、1臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)、1臺(tái)電源機(jī)箱、1臺(tái)視頻分析主機(jī)、8臺(tái)8路視頻編碼器、1臺(tái)數(shù)字視頻管理服務(wù)器（含HBA卡）、1臺(tái)光纖SAN交換機(jī)、2臺(tái)機(jī)柜。

（3）車站控制室設(shè)備，包括2臺(tái)20″彩色液晶監(jiān)視器、1臺(tái)視頻監(jiān)控終端（含22″液晶顯示器）。

（4）一臺(tái)多功能控制器JSD-Z/F/J-TJ。JSD-Z/F/J-TJ是集字符疊加、視頻分配、視頻檢測(cè)、視頻矩陣輸出為一體的高性能主機(jī)，是為軌道交通研制的專用產(chǎn)品。JSD-Z/F/J-TJ在每個(gè)車站按64路視頻輸入配置，每路視頻的分配輸出為4路，均具備字符疊加功能。也就是說，JSD-Z/F/J-TJ可以實(shí)現(xiàn)64路視頻輸入、256路帶字符分配輸出，網(wǎng)管系統(tǒng)可以檢測(cè)64路輸入視頻的狀態(tài)。同時(shí)，JSD-Z/F/J-TJ還集成了一個(gè)64×32的矩陣切換機(jī)箱。

（5）一臺(tái)多級(jí)調(diào)用管理器JSD-YTKZTJ。它的引入使用戶可以在系統(tǒng)無任何擴(kuò)展的情況下，通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)64個(gè)云臺(tái)的控制和255級(jí)優(yōu)先級(jí)管理，并且可以對(duì)全部?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)置駐留延時(shí)，還可以進(jìn)行中心與車站的交錯(cuò)式設(shè)置。

2.2 控制中心電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）通信機(jī)械室設(shè)備，包括9臺(tái)4路視頻解碼器、1臺(tái)數(shù)字視頻管理服務(wù)器（含光纖SAN設(shè)備網(wǎng)管）、2臺(tái)綜合網(wǎng)管服務(wù)器（1主1備，含以太網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)管）、1臺(tái)視頻分析服務(wù)器、1臺(tái)車輛信號(hào)處理服務(wù)器、1套核心以太網(wǎng)交換機(jī)、1套網(wǎng)絡(luò)防火墻、1套核心光纖SAN交換機(jī)、1套光纖存儲(chǔ)陣列柜、1臺(tái)電源機(jī)箱、4臺(tái)機(jī)柜等。

（2）調(diào)度大廳設(shè)備，包括4臺(tái)視頻監(jiān)控終端（含22″液晶顯示器）、1臺(tái)網(wǎng)管終端。

3 數(shù)字視頻系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 數(shù)字視頻系統(tǒng)架構(gòu)

通過數(shù)字視頻系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)將完成下述要求：

（1）在車站等站點(diǎn)，前端攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)經(jīng)多功能控制器分配，輸出給編碼器，編碼器將接收到的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字視頻信號(hào)（MPEG2、MPEG4），并接入站點(diǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)。

站點(diǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)將MPEG2格式的數(shù)字視頻監(jiān)控信號(hào)提供給各值班員的視頻監(jiān)視終端，同時(shí)通過傳輸設(shè)備將該信號(hào)送入通信傳輸網(wǎng)絡(luò)；將MPEG4格式的數(shù)字視頻信號(hào)通過視頻管理服務(wù)器送入光纖SAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字視頻的錄像存儲(chǔ)，另外還要將每個(gè)站臺(tái)為車輛上傳（通過中心的WLAN接口）的4路MPEG4數(shù)字視頻信號(hào)送入通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先上傳給中心。

（2）MPEG2格式數(shù)字視頻信號(hào)由通信傳輸網(wǎng)設(shè)備送入中心以太網(wǎng)交換機(jī)。中心交換機(jī)將數(shù)字視頻信號(hào)提供給視頻解碼器、中心調(diào)度員視頻監(jiān)控終端。視頻解碼器將還原出的模擬視頻信號(hào)送入顯示大屏。

站臺(tái)為車輛上傳（通過中心的WLAN接口）的4路MPEG4數(shù)字視頻信號(hào)也通過通信傳輸網(wǎng)絡(luò)先上傳給中心，然后再發(fā)送給相關(guān)的車輛。

MPEG4格式的數(shù)字視頻信號(hào)由光纖SAN網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心的光纖SAN存儲(chǔ)陣列柜進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）上述的視頻編碼器配置了NICE公司的8路雙碼流視頻編碼器ENC 8M2/4。這些編碼器采用獨(dú)特的雙碼流結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)編制二種碼流，即用于視頻傳輸和顯示的MPEG2碼流和用于視頻儲(chǔ)存的MPEG4碼流。兩種碼流的圖像分辨率均可設(shè)置為D1，25fps實(shí)時(shí)編碼，并可靈活向下調(diào)整。

3.2 數(shù)字視頻流傳輸策略

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在多種數(shù)字視頻流，因此整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向應(yīng)預(yù)先配合管理使用的合理需求、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用作出整體規(guī)劃與控制。

視頻流傳輸策略總體的概念：在保證不間斷、不丟失錄像的同時(shí)，保證最大可能的監(jiān)視與回放操作，并保證后臺(tái)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)管理的能力。

3.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)視視頻流

實(shí)時(shí)監(jiān)視視頻流有兩種流向、四種方式：

（1）從編碼器開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以單播的方式到一個(gè)合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（2）從編碼器開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以組播的方式到多個(gè)合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（3）從編碼器開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以單播的方式到指定的解碼器，再輸出到一個(gè)合法用戶使用的模擬監(jiān)視器。

（4）從編碼器開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以組播的方式到指定的解碼器，再輸出到多個(gè)合法用戶使用的模擬監(jiān)視器。

3.2.2 錄像回放視頻流

錄像回放視頻流有兩種流向：

（1）從光纖SAN存儲(chǔ)設(shè)備開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以單播的方式到一個(gè)合法用戶使用的控制終端的打開窗口。

（2）從光纖SAN存儲(chǔ)設(shè)備開始，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)以單播的方式到指定的解碼器，再輸出到一個(gè)合法用戶使用的模擬監(jiān)視器。

3.2.3 中央存儲(chǔ)的視頻流

中央存儲(chǔ)的視頻流的建立過程如圖1所示。

圖1 中央存儲(chǔ)的視頻流的建立過程圖

在控制終端上將視頻輸入通道對(duì)應(yīng)到指定視頻服務(wù)器連接的中央存儲(chǔ)單元的RingBuffers（環(huán)狀存儲(chǔ)空間）并設(shè)定好錄像存儲(chǔ)周期，完成設(shè)定后系統(tǒng)即按照設(shè)定從編碼器開始以單播形式向中央存儲(chǔ)發(fā)送存儲(chǔ)視頻流。

3.3 優(yōu)先級(jí)管理

優(yōu)先級(jí)管理即對(duì)云臺(tái)的控制進(jìn)行多用戶權(quán)限及優(yōu)先級(jí)別的分配及管理。

站點(diǎn)設(shè)置的多級(jí)調(diào)用管理器JSD-YTKZTJ是進(jìn)行云臺(tái)控制及優(yōu)先級(jí)管理的設(shè)備，通過對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)及中心對(duì)云臺(tái)執(zhí)行可變速俯仰、左右轉(zhuǎn)動(dòng)以及改變鏡頭焦距等控制操作，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)云臺(tái)控制優(yōu)先級(jí)最多255級(jí)的分配，并可實(shí)現(xiàn)時(shí)間可調(diào)的自動(dòng)駐留。

（1）使用控制終端軟件對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行云臺(tái)控制，中心及站點(diǎn)值班員的監(jiān)控終端發(fā)出的云臺(tái)控制信號(hào)通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入多級(jí)調(diào)用管理器，以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)控制功能。

（2）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，當(dāng)不同操作員同時(shí)操作同一云臺(tái)時(shí)，多級(jí)調(diào)用管理器只將優(yōu)先級(jí)高的控制指令送入該云臺(tái)。為便于觀看，高級(jí)別控制結(jié)束一段時(shí)間后（例如30s）后方將云臺(tái)控制權(quán)限釋放，此前低級(jí)別的操作員不能控制該云臺(tái)。

優(yōu)先級(jí)別及優(yōu)先級(jí)保留的時(shí)間可根據(jù)具體要求設(shè)定。

（3）多級(jí)調(diào)用為控制終端提供了云臺(tái)占用顯示的功能，當(dāng)云臺(tái)被占用時(shí)各操作員處（包括中心）可做出顯示（直接在綜合監(jiān)控終端CCTV軟件上顯示出高優(yōu)先級(jí)操作方的名稱）。

（4）使用多級(jí)調(diào)用管理器可以對(duì)每一個(gè)云臺(tái)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置，每1個(gè)云臺(tái)可以設(shè)置255級(jí)的優(yōu)先級(jí)控制，并且可以設(shè)置為控制終端和控制鍵盤交錯(cuò)的形式。

（5）多級(jí)調(diào)用管理器提供了與換乘站其他線路之間的通信通道，為日后的運(yùn)營(yíng)中各線路間的圖像調(diào)看及云臺(tái)控制打下了良好的硬件基礎(chǔ)。

4 視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)由各站點(diǎn)視頻管理服務(wù)器、光纖SAN交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)、中心儲(chǔ)存磁盤陣列組成。

存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用集中式，每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置一個(gè)分布式視頻管理服務(wù)器，控制中心設(shè)置數(shù)據(jù)中心，集中放置磁盤存儲(chǔ)設(shè)備。

4.1 視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

本視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用NICE公司的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像服務(wù)器（視頻管理服務(wù)器）和EMC公司的磁盤陣列。

本系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用集中式，即各站所轄攝像機(jī)所產(chǎn)生數(shù)字視頻流將通過分布的IP網(wǎng)絡(luò)和SAN光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心通信機(jī)械室內(nèi)的，由視頻管理服務(wù)器和與其相聯(lián)的磁盤陣列系統(tǒng)組成的數(shù)字視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)中保存起來，滿足用戶的各種錄像檢索及查詢要求。

視頻管理服務(wù)器直接通過各站邊緣SAN交換機(jī)經(jīng)過光纖通道匯聚到控制中心核心SAN光纖交換機(jī)，再接入控制機(jī)房的集中磁盤陣列中。

視頻管理服務(wù)器按照用戶要求設(shè)置于各個(gè)地鐵車站、車輛段、停車場(chǎng)，主變電站的視頻管理服務(wù)器設(shè)置于相鄰的車站內(nèi)。磁盤陣列按照用戶要求設(shè)置于控制中心機(jī)房?jī)?nèi)。

存儲(chǔ)系統(tǒng)擁有15TB的備份容量，可滿足重要視頻數(shù)據(jù)及時(shí)備份或歸檔，以及進(jìn)行長(zhǎng)期保存的需要。

4.2 視頻管理服務(wù)器的配置

根據(jù)用戶的要求，所有視頻管理服務(wù)器均設(shè)于各車站、車輛段、停車場(chǎng)、控制中心通信機(jī)械室，磁盤陣列設(shè)置于控制中心機(jī)房。每64路接入1臺(tái)視頻管理服務(wù)器，服務(wù)器按順序編號(hào)。視頻管理服務(wù)器和磁盤陣列按區(qū)域分別設(shè)置。

4.3 SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在各車站與控制中心敷設(shè)光纖，組成光纖網(wǎng)絡(luò)。磁盤陣列設(shè)置于控制中心通信機(jī)械室，視頻管理服務(wù)器均設(shè)置于各個(gè)車站、車輛段、停車場(chǎng)。把控制中心通信機(jī)械室的SAN交換機(jī)作為核心交換機(jī)，各個(gè)車站、車輛段、停車場(chǎng)的SAN交換機(jī)作為邊緣交換機(jī)，與光纖網(wǎng)絡(luò)組成SAN網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)橐曨l管理服務(wù)器和磁盤陣列設(shè)于不同位置，距離比較遠(yuǎn)，所以采用“核心光纖交換機(jī)+邊緣光纖交換機(jī)”的方式來搭建整個(gè)SAN網(wǎng)絡(luò)。距離超過10km時(shí)需要增加粗波分多路復(fù)用模塊以確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠。在控制中心通信機(jī)械室機(jī)房放置1臺(tái)Cisco的核心光纖交換機(jī)，各個(gè)車站、車輛段、停車場(chǎng)放置1臺(tái)Cisco 8口的邊緣光纖交換機(jī)。

5 車地視頻圖像傳輸及中心調(diào)用方案

5.1 WLAN系統(tǒng)車地視頻傳輸通道

本系統(tǒng)與旅客信息系統(tǒng)共用一套無線局域網(wǎng)設(shè)備（WLAN系統(tǒng)提供）實(shí)現(xiàn)車地視頻傳輸。WLAN系統(tǒng)在線路上布置足夠數(shù)量的AP熱點(diǎn)，AP之間通過有線方式進(jìn)行連接。

WLAN系統(tǒng)與本系統(tǒng)在控制中心有一個(gè)以太網(wǎng)接口（千兆），車地視頻圖像的傳輸通過此接口進(jìn)行。

5.2 車站傳送4路圖像給停靠車輛（通過控制中心）

車輛?？吭谲囌菊九_(tái)時(shí)，設(shè)在中心的車輛信號(hào)處理服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)車次列表及進(jìn)出站信息獲知停靠在車站的車輛IP地址后，發(fā)送命令給車站的相關(guān)編碼器以調(diào)用車輛所停靠車站相關(guān)站臺(tái)的4路MPEG4數(shù)字視頻信號(hào)到中心交換機(jī)，并將其發(fā)送給WLAN系統(tǒng)中心設(shè)備。

WLAN系統(tǒng)中心設(shè)備將該信號(hào)通過有線方式傳送給相應(yīng)的AP熱點(diǎn)，再上傳給與該IP地址相匹配的車輛的司機(jī)室控制終端。此時(shí)，車輛司機(jī)室監(jiān)視終端軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)切換至站臺(tái)圖像的功能。

車輛離開站臺(tái)后，車輛信號(hào)處理服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)車次列表及進(jìn)出站信息得知該車輛離開車站，發(fā)出停止調(diào)用圖像命令給車站，切斷以上數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸。此時(shí)，車輛司機(jī)室監(jiān)視終端軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)切換回車載圖像的功能。

5.3 中心調(diào)度員調(diào)用車載圖像

車輛在線路上時(shí)，中心調(diào)度員通過控制終端，根據(jù)車次號(hào)或車體號(hào)調(diào)用車載圖像，該調(diào)用命令被發(fā)送給車輛信號(hào)處理服務(wù)器，車輛信號(hào)處理服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)車次列表得知與該車次號(hào)或車體號(hào)相匹配的車輛IP地址后，發(fā)送調(diào)用該IP地址的圖像命令給WLAN系統(tǒng)的中心設(shè)備。

WLAN系統(tǒng)的中心設(shè)備根據(jù)圖像調(diào)用命令中的IP地址，發(fā)送命令給接收該IP地址車輛圖像信號(hào)的車輛上的車載編碼器，車載編碼器將車輛的MPEG4數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)送給AP熱點(diǎn)，AP熱點(diǎn)通過有線方式傳送給WLAN系統(tǒng)的中心設(shè)備。

WLAN系統(tǒng)中心設(shè)備將該信號(hào)送入本系統(tǒng)的中心交換機(jī)，以滿足控制中心調(diào)度員的圖像調(diào)用請(qǐng)求。

中心調(diào)度員控制終端停止調(diào)用該車次號(hào)或車體號(hào)的車載圖像時(shí)，該停止調(diào)用命令被發(fā)送給車輛信號(hào)處理服務(wù)器，車輛信號(hào)處理服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)車次列表得知與該車次號(hào)或車體號(hào)相匹配的車輛的IP地址后，發(fā)送停止調(diào)用該IP地址的圖像的命令給WLAN系統(tǒng)的中心設(shè)備。

WLAN系統(tǒng)的中心設(shè)備根據(jù)圖像停止調(diào)用命令中的IP地址，發(fā)送命令給接收該IP地址車輛圖像信號(hào)的AP熱點(diǎn)，AP熱點(diǎn)將命令發(fā)送給與該IP地址相匹配的車輛上的車載編碼器，車載編碼器將停止發(fā)送視頻信號(hào)。

中心調(diào)度員最多可調(diào)用兩路車載MPEG4數(shù)字視頻信號(hào)。

通過以上方式，中心調(diào)度員能夠根據(jù)車輛的車次號(hào)或車體號(hào)隨意調(diào)看任一車輛上的任何攝像機(jī)的圖像。