簡(jiǎn)析軌道交通車載CCTV技術(shù)

鈕佩華

（中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程集團(tuán)有限公司，上海 200436）

既有的軌道交通運(yùn)營(yíng)CCTV系統(tǒng)在一定程度上滿足地鐵車站、控制中心的安全防范，為各車站、控制中心列車司機(jī)等提供有關(guān)列車運(yùn)行、防災(zāi)、救災(zāi)、乘客疏導(dǎo)等方面的視覺(jué)信息，并用于地鐵公安分局監(jiān)控室對(duì)全線各車站公共區(qū)域的安全監(jiān)視。各車站主要監(jiān)視本站與行車安全、客流量有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)，控制中心監(jiān)視全線各車站客流量、行車安全和防火救災(zāi)相關(guān)的場(chǎng)面。

但是以上設(shè)備只解決了地鐵車站的安全防范，對(duì)移動(dòng)的列車和列車上的乘客而言還是一個(gè)空白。為解決地鐵全方位的安防和信息發(fā)布需求，軌道交通車載可采用千兆骨干交換網(wǎng)、車地?zé)o線雙向傳輸系統(tǒng)、車載CCTV系統(tǒng)和電源等設(shè)備有機(jī)結(jié)合的方式，解決地鐵列車的安防和信息發(fā)布需求，實(shí)現(xiàn)高清晰數(shù)字視頻在地鐵運(yùn)行車輛的實(shí)時(shí)播出，車站值班員、控制中心調(diào)度員、車輛段車務(wù)人員對(duì)駕駛?cè)藛T和列車車廂內(nèi)的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控，列車駕駛員對(duì)前方車站旅客候車情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

目前CCTV系統(tǒng)正從模擬系統(tǒng)向模數(shù)結(jié)合演變，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，CCTV系統(tǒng)將向全數(shù)字化方向發(fā)展，采用數(shù)字化技術(shù)，可以充分發(fā)掘數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使大型網(wǎng)絡(luò)化電視監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理，并為智能CCTV系統(tǒng)的應(yīng)用提供較有利的條件。

網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的引進(jìn)，打破了模擬CCTV系統(tǒng)相對(duì)封閉的形式，解決了與其他系統(tǒng)連接較為困難的問(wèn)題。從理論上說(shuō)，只要網(wǎng)絡(luò)可以到達(dá)的地方，就可接收電視監(jiān)控的信號(hào)，并可進(jìn)行相應(yīng)的控制，因此對(duì)運(yùn)行的列車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控成為可能。

1 車載CCTV系統(tǒng)組成

每節(jié)車廂內(nèi)外設(shè)若干臺(tái)攝像機(jī)（建議攝像機(jī)分別安裝于列車的各車廂和首尾，形成一個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)，外部攝像頭安裝在列車的兩端，提供軌道和隧道內(nèi)的圖像）；對(duì)應(yīng)每臺(tái)攝像機(jī)設(shè)1臺(tái)數(shù)字編碼器；每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)1臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)，各節(jié)車廂的以太網(wǎng)交換機(jī)以環(huán)接方式構(gòu)成1個(gè)自愈局域網(wǎng)；每輛車兩端各設(shè)置1套車載服務(wù)控制器和1套車載網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)，分別管理、存貯車載圖像信息，保證系統(tǒng)的可使用性，并能控制攝像機(jī)圖像從車載系統(tǒng)向軌旁設(shè)備的傳輸(支持同時(shí)傳輸1～14個(gè)攝像機(jī)的圖像至控制中心)。其中列車兩端的2套視頻服務(wù)器互為備份（熱備方式），2套網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)則為冗余備份。車載CCTV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車載CCTV系統(tǒng)功能

車載CCTV必須能夠可靠有效地監(jiān)控列車內(nèi)部情況，將相關(guān)情況以圖像方式進(jìn)行錄像，并通過(guò)車地之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)按照調(diào)度員的要求實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆CC，還必須實(shí)現(xiàn)與車載其他系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)等功能。具體來(lái)說(shuō)，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。

（1）車廂內(nèi)攝像機(jī)，安裝在合適位置，可以有效覆蓋車輛兩側(cè)的車門、緊急對(duì)講點(diǎn)，做到整個(gè)車廂無(wú)盲點(diǎn)視頻監(jiān)控。

（2）車頭車尾攝像機(jī)，監(jiān)視車輛兩端的逃生門及駕駛操作臺(tái)，具備高靈敏度，可以在車輛高速行駛時(shí)有效辨別車輛外部指示燈的形狀及顏色。

（3）車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的每個(gè)圖像都可以通過(guò)車載視頻編碼器的內(nèi)置字符功能疊加車體號(hào)及攝像機(jī)號(hào)，并標(biāo)注經(jīng)同步后的時(shí)間戳和日期信息。

（4）車載CCTV系統(tǒng)可以通過(guò)車載視頻編碼器直接發(fā)送低碼流速率的視頻流，跨越車地?zé)o線網(wǎng)到達(dá)OCC。如果車地?zé)o線網(wǎng)不具備路由功能，車載視頻編碼器發(fā)送出來(lái)的低碼流速率視頻流可以通過(guò)車載視頻服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到OCC，無(wú)論哪種方式都可以最高限度保證圖像實(shí)時(shí)性。

（5）車載視頻編碼器采用先進(jìn)的編碼技術(shù)，具備良好的壓縮比及抗誤碼性。由于無(wú)線通道（尤其在車輛高速行駛時(shí)）的高誤碼率特點(diǎn)，視頻編碼器必須采用最有效的編碼技術(shù)，他具備對(duì)不同包長(zhǎng)的支持、對(duì)TCP傳輸方式的支持、亂序重組等功能，能夠在誤碼率相對(duì)高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上最大限度保證實(shí)時(shí)圖像質(zhì)量。

（6）車載視頻錄像機(jī)可以在列車啟動(dòng)后自動(dòng)開(kāi)始錄像，在車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后自動(dòng)停止錄像。車載視頻編碼器直接發(fā)送高碼流速率的視頻流到車頭車尾的視頻錄像機(jī)，錄像存儲(chǔ)時(shí)間可以達(dá)到100 h。

（7）車載錄像可以在車輛運(yùn)行時(shí)通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用（需占用車地?zé)o線系統(tǒng)帶寬），也可以在車輛非運(yùn)營(yíng)時(shí)通過(guò)實(shí)地更換內(nèi)置的錄像硬盤而實(shí)現(xiàn)。

（8）車載CCTV系統(tǒng)可以通過(guò)車載服務(wù)器與車載TMS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，如調(diào)用車頭車尾的圖像時(shí)可以將相關(guān)互動(dòng)信息發(fā)送給車載服務(wù)器，由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給TMS系統(tǒng)并打開(kāi)相關(guān)電燈。車載TMS同時(shí)可以將一些命令通過(guò)車載服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給車載CCTV系統(tǒng)，如視頻切換、設(shè)置、傳輸甚至緊急剎車觸發(fā)的TMS命令，并可以同時(shí)觸發(fā)車載CCTV系統(tǒng)以便將覆蓋相關(guān)區(qū)域的圖像實(shí)時(shí)發(fā)送到OCC。

（9）車載CCTV系統(tǒng)基于車載工業(yè)級(jí)以太環(huán)網(wǎng)，以太環(huán)網(wǎng)具備環(huán)網(wǎng)自愈功能，能夠在傳輸介質(zhì)發(fā)生斷裂時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，不影響整體系統(tǒng)的任何功能。

（10）車載CCTV系統(tǒng)采用雙視頻服務(wù)器和錄像機(jī)結(jié)構(gòu)，兩端的視頻服務(wù)器和錄像機(jī)對(duì)所有圖像進(jìn)行同時(shí)錄像，實(shí)現(xiàn)圖像的備份。但是對(duì)OCC實(shí)時(shí)圖像的調(diào)用采用一主一熱備的工作方式，如果無(wú)線系統(tǒng)支持路由功能，兩端的視頻服務(wù)器和錄像機(jī)可以同時(shí)工作，同時(shí)支持OCC對(duì)車載圖像的實(shí)時(shí)調(diào)用。

（11）車載CCTV系統(tǒng)具備全部設(shè)備的自檢及日志功能，所有設(shè)備的自檢信息同時(shí)發(fā)送給兩端的視頻服務(wù)器，兩端的視頻服務(wù)器將此信息和自身的自檢信息發(fā)送給TISCS服務(wù)器，也將相關(guān)日志發(fā)送給其他子系統(tǒng)。

（12）車載CCTV系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)報(bào)警功能，發(fā)生任何故障都可以實(shí)時(shí)將CCTV系統(tǒng)信息通過(guò)車載服務(wù)器主動(dòng)匯報(bào)給TMS。

（13）車載圖像一旦到達(dá)OCC后，會(huì)通過(guò)數(shù)字視頻編碼轉(zhuǎn)換器在數(shù)字領(lǐng)域無(wú)損轉(zhuǎn)換為符合要求的編碼格式，最大限度上保證實(shí)時(shí)調(diào)用的車載圖像質(zhì)量。

（14）車載CCTV系統(tǒng)符合上海軌道交通上層網(wǎng)《指導(dǎo)意見(jiàn)》所規(guī)定的協(xié)議規(guī)范，只需要通過(guò)數(shù)字視頻編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換其視頻編碼格式就可被本線和上層網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)調(diào)用。

（15）OCC通過(guò)改變車載視頻編碼器與視頻編碼轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)車載圖像的實(shí)時(shí)調(diào)用。

（16）車載圖像的共享全部在OCC通過(guò)數(shù)字視頻編碼轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。

（17）能夠通過(guò)與OCC所獲得的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬容量信息及目前調(diào)用的車載圖像路數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)互動(dòng)，最大限度地利用無(wú)線網(wǎng)的帶寬資源為監(jiān)控中心提供高質(zhì)量的圖像。

（18）能夠保證視頻流和控制命令在傳輸、存儲(chǔ)、交換過(guò)程中的機(jī)密性、完整性和正確性。車載視頻系統(tǒng)及視頻服務(wù)器要求能夠提供多種方式以確保視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全，如所有控制及設(shè)置命令具備確認(rèn)功能，防止誤操作，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤指令，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷或出現(xiàn)黑屏；具備完善的人員管理機(jī)制，確保移動(dòng)介質(zhì)在非授權(quán)狀況下不可植入系統(tǒng)；數(shù)字視頻傳輸及控制系統(tǒng)中所有的控制命令可以通過(guò)加密方式在傳輸系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行傳輸，確?？刂泼畹耐暾裕痪W(wǎng)絡(luò)控制器、視頻管理臺(tái)、視頻編解碼器在建立連接時(shí)使用權(quán)限及身份認(rèn)證機(jī)制，具備完全的握手協(xié)議，防止連接盜用；視頻編碼器可以發(fā)送經(jīng)過(guò)加密的數(shù)字視頻流，使其無(wú)法篡改或模仿；所有的用戶名和密碼經(jīng)過(guò)加密后存貯在系統(tǒng)中，防止非授權(quán)的盜用；具備將系統(tǒng)全部信息自動(dòng)備份功能，能夠在最短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

（19）車載圖像通過(guò)無(wú)線方式傳輸，并接入傳輸系統(tǒng)后轉(zhuǎn)換成MPEG 2，由OCC的視頻解碼器還原并顯示在監(jiān)視器或大屏上。車載的視頻編碼器采用一體化H.264視頻編碼器，每個(gè)編碼器通過(guò)同軸電纜與攝像機(jī)連接一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)編碼器通過(guò)其自身獨(dú)立的10/100 M以太網(wǎng)口與傳輸設(shè)備上的100 M以太網(wǎng)端口一一連接。

（20）車載數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大用戶，必須具備網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的防止及抑制機(jī)制。車載視頻編碼器及視頻管理臺(tái)能夠提供多種方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴進(jìn)行防止及抑制，如果發(fā)現(xiàn)視頻編碼器無(wú)法與對(duì)應(yīng)的視頻解碼器進(jìn)行通訊，則停止發(fā)送數(shù)字視頻流。一旦網(wǎng)絡(luò)或視頻解碼器恢復(fù)正常狀態(tài)，視頻編碼器自動(dòng)重新啟動(dòng)數(shù)字視頻流的發(fā)送。這種機(jī)制確保車載視頻能夠最安全地使用車地之間的無(wú)線通道。

3 結(jié)論

總之，CCTV系統(tǒng)為地鐵運(yùn)營(yíng)管理者提供一個(gè)直觀、實(shí)時(shí)、真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)圖像畫(huà)面，是地鐵運(yùn)營(yíng)管理中一種極為有效的安全防范工具，也是公安部門在治安防范中事前預(yù)防、事中發(fā)現(xiàn)、事后處置的有效手段。對(duì)達(dá)到有效組織、指揮列車運(yùn)營(yíng)、提高軌道交通運(yùn)營(yíng)能力、保障運(yùn)營(yíng)安全和加強(qiáng)車站治安管理都具有重要意義。根據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，可以明確以下幾點(diǎn)。

（1）城市軌道交通重要部位安全技術(shù)防范的要求和標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。

（2）車載CCTV系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)管理中所起作用越來(lái)越大。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全性是CCTV系統(tǒng)永恒考慮的課題。

（4）基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)必須具備網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的防止及抑制機(jī)制，以免影響相關(guān)業(yè)務(wù)。

[1] 涂杰， 郭曉輝， 盤細(xì)平，等．MPEG-4在數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004(2)：22-23.

[2] 姜敏，施?。谇度胧絎EB服務(wù)器的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)時(shí)代，2001(7)：32-33.

[3] 鐘玉琢．流媒體和視頻服務(wù)器[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 楊磊，李峰，田艷聲．閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004(2).