鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試與分析

■ 張文垚 錢偉勇

張文垚：中國鐵路通信信號上海電信測試中心，高級工程師，上海，200436

錢偉勇：中國鐵路通信信號上海電信測試中心，高級工程師，上海，200436

2008年11月，鐵道部運輸局發(fā)布《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范（試行）》（以下簡稱技術規(guī)范），并于2009年初針對技術規(guī)范組織開展技術驗證測試專項科研項目。項目組分別對視頻編碼產(chǎn)品測試、智能分析測試、系統(tǒng)功能與性能測試、系統(tǒng)互聯(lián)互通測試、視頻工程驗收測試等方面進行研究和測試驗證，并對京津高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、合寧高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣鐵集團綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、青藏鐵路線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程進行現(xiàn)場評估與測試驗證。

通過多次討論方案與摸底測試，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試項目與方法基本覆蓋技術規(guī)范涉及的關鍵技術和指標要求，并逐步完善和成熟。2009年10月中旬，測試組對鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)幾個主流廠商的產(chǎn)品進行了驗證測試。

1 測試環(huán)境

依據(jù)技術規(guī)范組網(wǎng)要求，搭建合理的測試環(huán)境是各類測試的前提條件，以確保測試方法具備可操作性，從而保證測試結果的準確性。

為確保測試的一致性和公正性，視頻系統(tǒng)測試環(huán)境所涉及的攝像機、服務器、數(shù)據(jù)交換設備、存儲設備、客戶端PC、顯示終端等均統(tǒng)一配置，所有設備技術指標完全滿足技術規(guī)范要求（見圖1）。被測視頻產(chǎn)品廠商在確認實驗室提供的設備硬件配置可滿足自身系統(tǒng)技術要求情況下，只需提供視頻編碼器和視頻系統(tǒng)軟件。如果實驗室提供的磁盤陣列存儲設備接口與廠商的系統(tǒng)無法兼容，則可自帶磁盤陣列設備。測試硬件配置情況見表1。

2 測試項目與測試方法

測試項目主要分為系統(tǒng)功能、系統(tǒng)性能、互聯(lián)互通及智能分析測試4個方面，重點進行前3項測試。

2.1 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試主要包括視頻圖像實時監(jiān)控、存儲、回放、分發(fā)與轉(zhuǎn)發(fā)、告警、網(wǎng)管等功能的測試。以下就幾項重點功能測試進行介紹。

（1）圖像實時監(jiān)控功能包括多畫面、圖像切換、字符、時間同步顯示、圖像快捷鍵功能與抓拍保存功能、PTZ與預置位恢復功能、雙碼流輸出功能、不同分辨率設置功能、自動減幀功能等。測試方法：利用客戶端工具，依據(jù)功能項目要求，進行一一驗證。其中自動減幀功能測試利用網(wǎng)絡性能仿真儀，對網(wǎng)絡帶寬進行限制后，使網(wǎng)絡帶寬小于實際應用帶寬，客戶端調(diào)用實時圖像實現(xiàn)減幀播放。利用專用碼流分析軟件對減幀保存的圖像文件進行壓縮編碼格式與每秒幀數(shù)的分析。

表1 測試硬件配置表

（2）存儲功能測試包括實時存儲與條件存儲、重要告警圖像備份、存儲策略設置、減幀存儲、外部觸發(fā)存儲等。測試方法：依據(jù)時間、地點、事件等條件對64路視頻輸入源進行4CIF分辨率下的存儲，并通過各類檢索條件對各路存儲歷史圖像進行檢索和調(diào)用驗證。

（3）告警功能測試包括各類告警輸出、告警信息提示、告警存儲、告警聯(lián)動等。測試方法：對視頻系統(tǒng)各類設備進行故障模擬，在網(wǎng)管或維護終端測試實時顯示的各類告警信息輸出。

2.2 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性能測試主要包括視頻網(wǎng)絡性能、響應時延、分發(fā)與轉(zhuǎn)發(fā)能力、穩(wěn)定性與可靠性、系統(tǒng)圖像質(zhì)量評估等方面的測試。

（1）視頻網(wǎng)絡性能測試包括不同分辨率下平均網(wǎng)絡帶寬要求、網(wǎng)絡傳輸特性（帶寬、時延、丟包、抖動等）對圖像質(zhì)量與操作的影響評估。測試方法：通過專用網(wǎng)絡仿真測試儀，依據(jù)技術規(guī)范中數(shù)據(jù)網(wǎng)相關時延、丟包、抖動指標要求加入測試網(wǎng)絡中，并對登錄認證時延、實時圖像調(diào)用時延、PTZ操作時延、歷史圖像檢索時延、圖像質(zhì)量效果等方面進行測試。

（2）響應時延測試包括視頻實時調(diào)用響應時延、云臺PTZ控制響應時延、圖像間切換響應時延（同級、不同級間）、系統(tǒng)間聯(lián)動響應時延、檢索響應時延、登錄認證時延、告警時延等內(nèi)容。測試方法：使用專用網(wǎng)絡協(xié)議分析操作信令流程，將發(fā)起操作動作信令消息至結果返回消息的時間差作為時延測試值。

（3）分發(fā)與轉(zhuǎn)發(fā)性能測試包括4CIF/CIF分辨率下同一路視頻分發(fā)能力、不同路視頻分發(fā)能力、滿負荷分發(fā)能力及三級轉(zhuǎn)發(fā)能力的測試。測試方法：通過100個仿真客戶端對分辨率4CIF（702×576）下的同一路視頻源或不同路視頻源，經(jīng)過三級轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)后的視頻流進行實時調(diào)用。

（4）穩(wěn)定性與可靠性測試包括24 h壓力狀態(tài)下系統(tǒng)穩(wěn)定性測試、冗余設備倒換與恢復。測試方法：64路4CIF視頻源在100個客戶端通過三級轉(zhuǎn)發(fā)后進行實時調(diào)用，同時存儲服務器進行實時存儲，每個客戶端調(diào)用不小于4路，實時調(diào)用4CIF視頻流達到300路左右。分發(fā)服務器帶寬達到600 Mb/s，存儲服務器帶寬達到130 Mb/s以上，測試周期大于24 h。在上述測試壓力流量下，考察視頻系統(tǒng)內(nèi)各類軟硬件設備的穩(wěn)定性。冗余設備倒換與恢復測試，是檢驗視頻系統(tǒng)內(nèi)各類冗余服務器、磁盤陣列的可靠性，人為進行故障操作，如網(wǎng)絡中斷、電源中斷時故障設備倒換至備用設備的情況。

（5）系統(tǒng)圖像質(zhì)量評估主要依據(jù)技術規(guī)范中規(guī)定的主觀MOS（Mean Opinion Score）評估法進行評估。測試方法：在圖案發(fā)生器中，測試圖案是標準高清視頻質(zhì)量評估視頻源，包括色彩與分辨率測試圖像、邊鋸與邊緣測試圖像、細節(jié)處理測試圖像、高速移動物體測試圖像、字體顯示測試圖像。由10人組成圖像質(zhì)量評估組，其中包括視頻專家和普通技術人員。通過人眼觀測視頻系統(tǒng)處理后的輸出圖像與原始圖像，根據(jù)測試圖案進行逐一比對測試，并按5分制進行打分，取平均值。

2.3 智能分析測試

由于測試樣本、測試方法、評估體系有待進一步研究，目前還不具備規(guī)范的智能分析測試條件。在此，根據(jù)工程進度要求，在總結現(xiàn)場運用前提下，對基于前端編碼的分析與基于后端服務器的智能分析功能進行比對測試。由于條件限制，智能分析內(nèi)容僅選擇入侵告警分析功能（見圖2）。分別選擇多種基準測試源，每個基準測試源完整測試100次，分別記錄每次的觸發(fā)告警時間、觸發(fā)目標物的大?。ㄓ|發(fā)靈敏度）、全部過程誤報次數(shù)和漏報次數(shù)，并統(tǒng)計誤報率和漏報率。前端分析與后端分析分別進行測試，同一測試基準源的報警錄像進行同時播放，驗證兩者之間的差異性，包括第一觸發(fā)告警時間、觸發(fā)靈敏度、誤報率、漏報率等指標。

2.4 互聯(lián)互通測試

現(xiàn)階段鐵路綜合視頻監(jiān)控產(chǎn)品并不兼容，系統(tǒng)內(nèi)視頻壓縮協(xié)議、信令控制與交互訪問協(xié)議各不相同，在實際運用中，同一區(qū)域節(jié)點往往存在不同廠商產(chǎn)品。為實現(xiàn)資源共享與集中維護，必須實現(xiàn)系統(tǒng)間互通。技術規(guī)范已明確規(guī)定視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議，如果各廠商獨自開發(fā)，不僅存在一個周期問題，而且可能因技術細節(jié)理解偏差造成錯誤。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)科研項目中，需開發(fā)一套統(tǒng)一的符合技術規(guī)范要求的視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通網(wǎng)關（見圖3）。其中，AA，AGU，SCU是技術規(guī)范中視頻節(jié)點規(guī)定的功能單元，DSU，DDU和SA是根據(jù)視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通需要增加的功能單元?；ヂ?lián)互通測試主要指各廠商視頻監(jiān)控系統(tǒng)與視頻網(wǎng)關系統(tǒng)間的互聯(lián)互通測試。功能測試內(nèi)容包括視頻系統(tǒng)內(nèi)部資源上報、網(wǎng)關系統(tǒng)內(nèi)目錄資源生成、用戶登錄與認證、實時視頻圖像調(diào)用、PTZ遠程控制、歷史圖像檢索、調(diào)用與下載、用戶優(yōu)先級等功能驗證，并對上述操作動作的SIP通信協(xié)議和流程進行分析。性能測試包括登錄認證、實時調(diào)用、檢索、目錄更新等各類操作響應時延的測試。

3 測試結果分析

通過大量測試數(shù)據(jù)，初步得到以下結果：

（1）各廠商視頻系統(tǒng)的基本功能與性能可以實現(xiàn)和滿足技術規(guī)范要求，但網(wǎng)管故障管理、各類設備告警信息等功能尚不完善，也不便于維護。

（2）沒有實現(xiàn)基于視頻內(nèi)容的自動減幀存儲功能，基于條件的存儲策略可選內(nèi)容少。

（3）所選廠商中，只有一家可實現(xiàn)在網(wǎng)絡性能受限情況下，實時調(diào)用的圖像，具備自動減幀功能。

（4）客戶端登錄認證與管理服務器認證信息過多，造成登錄時間長，并受網(wǎng)絡時延影響明顯。

（5）基于文件存儲方式的圖像存儲技術，檢索精度差。

（6）視頻編碼器質(zhì)量是影響視頻系統(tǒng)實時圖像與歷史錄像圖像質(zhì)量的關鍵因素之一。

（7）由于圖像客觀評估的測試工具受條件限制較多，圖像質(zhì)量評估應以主觀評估為主、客觀評估為輔，以保證圖像質(zhì)量評估的真實有效性。

4 結束語

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的檢測技術應隨著數(shù)字視頻技術發(fā)展和鐵路各系統(tǒng)的實際需求變化而不斷更新，使綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)對保障鐵路安全運營，提升服務質(zhì)量發(fā)揮重要作用。