鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺實現(xiàn)方案

■ 羅志強

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺實現(xiàn)方案

■ 羅志強

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)是一種基于寬帶網(wǎng)絡(luò)為用戶提供圖像和各種報警信號遠程采集、傳輸、儲存、處理的一種全新業(yè)務(wù)。這是一個由前端、中間端、后端三部分組成的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。前端由鏡頭、攝像機、云臺、報警開關(guān)、視頻編解碼設(shè)備、主機控制設(shè)備和監(jiān)控軟件組成；中間端是中心服務(wù)平臺，中心服務(wù)平臺具有業(yè)務(wù)平臺的管理功能，并對傳送過來的圖像進行分發(fā)、存儲、行為分析、管理，對報警進行聯(lián)動處理；在后端用戶可在網(wǎng)絡(luò)的任何一個接入點，無論是監(jiān)控現(xiàn)場，監(jiān)控中心，或者是遠端，只要通過客戶端軟件，即可控制攝像機的角度、拉近拉遠鏡頭、控制遠端設(shè)備，并可接收報警信息。

1 系統(tǒng)基本原則

（1）統(tǒng)一性。統(tǒng)一框架體系結(jié)構(gòu)；多層多級設(shè)計，每層功能又相對獨立；采用分布設(shè)計和統(tǒng)一管理相結(jié)合；支持組件式服務(wù)接口，支持參數(shù)化配置；面向接口編程模式；支持與外部系統(tǒng)信息交互；支持不同廠商設(shè)備。

（2）先進性、成熟性。采用國際最新的科技成果，從而保證整個系統(tǒng)在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，系統(tǒng)建成后一段時間內(nèi)不會因技術(shù)落后而大規(guī)模調(diào)整，并能夠通過升級保持系統(tǒng)的先進性，延長其生命周期，同時又要保證先進的技術(shù)是穩(wěn)定的、成熟的。要求系統(tǒng)具備監(jiān)控領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，如行為分析技術(shù)、自動降幀動態(tài)調(diào)節(jié)等。

（3）實用性。充分考慮鐵路的特色需求，實現(xiàn)對鐵路客站、應(yīng)急現(xiàn)場、鐵路線路、生產(chǎn)作業(yè)管理、設(shè)備集中維護和重點區(qū)域的視頻監(jiān)視，滿足公安、工務(wù)、客運、電務(wù)、貨運、機務(wù)、車輛、運輸調(diào)度工作及安全監(jiān)視的需要，同時滿足日常預(yù)警和應(yīng)急指揮的需要，建成具有中國鐵路特色的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺。

（4）開放性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控各地區(qū)平臺要求節(jié)點功能靈活轉(zhuǎn)換，滿足平滑擴容的要求。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信接口，應(yīng)符合開放系統(tǒng)互聯(lián)標準和協(xié)議，以方便各級中心系統(tǒng)間的互聯(lián)。

（5）可擴展性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計應(yīng)采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，以達到設(shè)置修改靈活，擴充方便，適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。軟、硬件平臺應(yīng)具有良好的可擴展能力，能夠方便地進行系統(tǒng)升級和更新，以適應(yīng)各種不同業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展。

（6）互聯(lián)互通性。支持不同視頻系統(tǒng)之間互聯(lián)與視頻共享，支持多級結(jié)構(gòu)。

（7）安全性與可靠性。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)要能夠長時間不間斷工作。采用高可靠性的產(chǎn)品和技術(shù)，充分考慮整個系統(tǒng)運行的安全策略和機制。系統(tǒng)要具有較強的容錯能力和良好的恢復(fù)能力，主要設(shè)備采用雙機或鏡像備份工作方式，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

系統(tǒng)的總體框架見圖1。主要包括視頻前端、客戶端以及視頻中心服務(wù)平臺，各部分均接入 IP 承載網(wǎng)。

2.1.1 視頻前端

視頻前端設(shè)備主要包括攝像機（也可為IP攝像機）和編碼器，負責完成音視頻信息采集、編碼、發(fā)送，告警信息的采集、發(fā)送等功能，并可接受來自服務(wù)層的控制指令（音視頻參數(shù)設(shè)置、編碼器狀態(tài)設(shè)置、TTL信息輸出、PTZ指令等）。

2.1.2 視頻客戶端

視頻客戶端包括視頻客戶端軟件、配置客戶端軟件、解碼器及大屏（數(shù)字或模擬）。

視頻客戶端軟件負責為客戶呈現(xiàn)系統(tǒng)所提供的服務(wù)，包括實時音視頻解碼播放（軟解碼/硬解碼）、輪巡、分組調(diào)看、歷史錄像的解碼播放和播放控制、告警信息實時提示和告警錄像查看、視頻上大屏等功能。

配置客戶端軟件負責設(shè)備（編碼器、攝像機、解碼器、服務(wù)器等）管理（包括設(shè)備添加、刪除、修改等）以及用戶管理、權(quán)限配置管理等。

2.1.3 中心服務(wù)平臺

中心服務(wù)平臺由視頻管理服務(wù)（VMS）、PTZ控制服務(wù)（PTZS）、視頻存儲服務(wù)（VSS）、流媒體分發(fā)服務(wù)（SDS）、告警管理服務(wù)（AMS）、接口服務(wù)（SIS）等幾部分組成。

視頻管理服務(wù)，負責平臺的視頻管理。包括編碼器、客戶端、其他服務(wù)器的狀態(tài)管理、信令轉(zhuǎn)發(fā)（PTZ和告警除外）、數(shù)據(jù)更新、視頻請求管理等；VMS的數(shù)據(jù)更新功能使得整體平臺具有在線更新升級能力；管理服務(wù)器支持分布式應(yīng)用。

PTZ控制服務(wù)，負責將客戶端PTZ指令轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的前端編碼器，達到控制云臺運動的目的。PTZS同時負責對指令進行優(yōu)先級別判斷、鎖定、解鎖等。

流媒體分發(fā)服務(wù)，負責音視頻請求、接收、分發(fā)。并可實現(xiàn)多級級聯(lián)和分布式部署。

視頻存儲服務(wù)，負責視頻存儲、快速檢索回放。系統(tǒng)支持計劃存儲、告警存儲等多種靈活存儲方式。

告警服務(wù)，負責告警信息（視頻分析告警、觸發(fā)信息告警、其他系統(tǒng)告警等）獲取、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

接口服務(wù)，負責和外部系統(tǒng)的交互，包括外部信息的接入和信息輸出兩部分。

2.2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體上分成3級（見圖2）。

核心節(jié)點主要包括VMS，PTZS，DB SERVER，VSS，AMS，SDS，SIS，以及為主管領(lǐng)導和相關(guān)業(yè)務(wù)部門配備的監(jiān)視終端（CU），進行重要視頻數(shù)據(jù)的存儲和備份。核心節(jié)點負責全部視頻的綜合調(diào)度，通過鐵路視頻專網(wǎng)接入各中心節(jié)點的視頻業(yè)務(wù)。不同中心節(jié)點需要業(yè)務(wù)互通時，也需要將請求提交核心節(jié)點，由核心節(jié)點負責進行權(quán)限判斷和聯(lián)通。

中心節(jié)點主要由VMS，PTZS，VSS，AMS，SDS，SIS以及其他相關(guān)的配套設(shè)備組成。中心節(jié)點負責本級所有視頻業(yè)務(wù)的調(diào)度和管理，通過視頻專網(wǎng)接入各站/段視頻業(yè)務(wù)，為整個鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心平臺，對站段視頻數(shù)據(jù)進行集中存儲和備份。

接入節(jié)點負責本站/段視頻業(yè)務(wù)接入，并將現(xiàn)場視頻信息上傳給相應(yīng)中心節(jié)點。站/段負責本地視頻存儲。

現(xiàn)場前端子系統(tǒng)，包括音頻采集設(shè)備、視頻采集設(shè)備、報警輸入輸出設(shè)備、云臺設(shè)備、云臺解碼器設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)視頻編碼設(shè)備等。主要實現(xiàn)音視頻信息、報警信息的采集，網(wǎng)絡(luò)傳輸以及輔助設(shè)備（如云臺、矩陣等）的控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 統(tǒng)一的編碼器接入接口

在實際的工程應(yīng)用中，要求監(jiān)控系統(tǒng)支持不同的編碼器設(shè)備，而各編碼器設(shè)備的外部開發(fā)接口千差萬別，對監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范性、穩(wěn)定性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺通過統(tǒng)一的編碼器接入接口，實現(xiàn)了平臺功能與不同設(shè)備接口的有效隔離，保證了平臺主要功能的設(shè)備無關(guān)性，接入新的編碼器設(shè)備，只需要開發(fā)符合統(tǒng)一接入接口規(guī)范的設(shè)備接口代理組件，就可以在基本不更改平臺軟件的情況下完成新設(shè)備的接入。編碼器接入接口邏輯示意圖見圖3。

3.2 流媒體數(shù)據(jù)塊存儲技術(shù)

視頻圖像的存儲是海量存儲，鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺采用流媒體數(shù)據(jù)塊存儲技術(shù)，以保證存儲系統(tǒng)的長期穩(wěn)定高效運行。

流媒體數(shù)據(jù)塊存儲技術(shù)將磁盤空間劃分為固定大小的數(shù)據(jù)塊空間，在存儲視頻圖像時將流媒體數(shù)據(jù)寫入預(yù)先分配的數(shù)據(jù)塊空間，并根據(jù)存儲覆蓋策略進行數(shù)據(jù)塊空間的回收再分配，從根本上避免了視頻存儲空間的磁盤碎片的產(chǎn)生，提高了存儲性能，降低了磁盤損耗。

3.3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)技術(shù)

鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺采用了RTP/ RTCP協(xié)議進行視頻數(shù)據(jù)發(fā)送，通過統(tǒng)計丟包率，對分發(fā)幀率進行自動調(diào)整以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況。

丟包率是通過計算接收包數(shù)量和發(fā)送包數(shù)量的比率得到的，丟包率獲得的整個流程是：發(fā)送方每間隔一定時間讀取每個發(fā)送通道的發(fā)包數(shù)量和數(shù)據(jù)長度，組成一個此通道的RTCP報文發(fā)送給接收方，同時將發(fā)送數(shù)據(jù)包計數(shù)清零；接收方收到RTCP包后，讀取接收通道接收到的包數(shù)量，并計算出丟包率，通過一個RTCP接收匯報包發(fā)送給發(fā)送方，同時對接收數(shù)據(jù)包計數(shù)清零。

責任編輯王小紅

羅志強：北京國鐵華晨通信信息技術(shù)有限公司，副總工程師，北京，100070