城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設方案

霍亞楠

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

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城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設方案

霍亞楠

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

介紹國內(nèi)城市軌道交通線路視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設模式演變過程,從最初的標清方案演變?yōu)楦邩饲寤旌戏桨冈俚阶钚碌娜咔宸桨?，并對高清視頻系統(tǒng)的兩大技術流派(由廣播行業(yè)標準演進而來的HDTV非壓縮監(jiān)視技術和基于幀內(nèi)及幀間壓縮的HDTV監(jiān)視系統(tǒng))進行優(yōu)缺點分析，經(jīng)分析非壓縮方案的建設投資是最多的，但系統(tǒng)圖像質(zhì)量優(yōu)異，壓縮方案會導致圖像延遲和解碼后視頻不清晰，但造價便宜。進一步結(jié)合南京地鐵11號線北段和昆明地鐵6號線實際工程中視頻監(jiān)視系統(tǒng)的建設情況,分析并研究最新軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)所采用的運營和公安共享一套平臺的高清視頻解決方案，以期達到優(yōu)化視頻資源配置，節(jié)省投資的目的。

城市軌道交通；視頻監(jiān)視系統(tǒng)；運營；公安；南京；昆明

城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)是軌道交通運營及管理現(xiàn)代化的配套設備，是維護城市軌道交通運行和保證運輸安全的重要輔助手段。它能夠為控制中心的調(diào)度員、各車站運營值班員、公安值班員、列車司機等提供有關列車運行、防災救災、乘客疏導、變電所設備室設備運行情況以及社會治安等方面的視覺信息，是提高行車指揮透明度的輔助通信工具。當車站發(fā)生災情時，視頻監(jiān)視系統(tǒng)亦可作為防災調(diào)度員指揮搶險的工具[1]。

地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)由運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)和公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)兩部分組成，由于運營和公安視頻監(jiān)視的需求不同，地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)從發(fā)展至今經(jīng)歷了不同的建設模式，由最初的標清方案發(fā)展為高標清混合方案再到最新的全高清方案。早期運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)幾乎全是標清監(jiān)視方案，其結(jié)構簡單，成本低廉，但提供的視頻信號清晰度無法達到公安系統(tǒng)的要求。為了安全因素及打擊犯罪的需求，公安系統(tǒng)需要另建一套高清的平臺，因此出現(xiàn)了地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)高標清混合的建設方案。隨著高清設備的普及及成本的不斷降低，運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)開始大量采用高清設備，這些設備可以滿足公安系統(tǒng)對清晰度的需求。為了節(jié)省投資，實現(xiàn)資源共享及系統(tǒng)配置合理化的目的，后期地鐵線路運營和公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)開始進行融合，出現(xiàn)了公專合一建設的全高清建設方案[2-3]。

1 國內(nèi)地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設模式的演進

國內(nèi)地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)自發(fā)展以來主要經(jīng)歷了3種建設模式。

1.1 早期的標清方案

早期地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)受制于技術的發(fā)展，采用的都是標清方案。所謂標清，是指分辨率在400線左右，一般指達到D1(704×576，720×576)及以下[4]。標清視頻技術沿用了很多年，經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，方案成熟，成本易于控制，因此早期地鐵建設時多采用這一方案。

地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)標清方案采用模擬設備先進行圖像采集，再進行數(shù)字信號傳輸及處理的方式，前端各個模擬攝像機視頻信號經(jīng)視頻同軸電纜傳至機房分配器和標清編碼器，再由編碼器進行數(shù)字視頻信號編碼后，接入到車站交換機運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)，攝像機圖像經(jīng)分配器分配后提供給公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)。由于早期公安部門對視頻監(jiān)視技術指標要求不高，因此這種方案能在一定程度上滿足當時的需求。例如南京地鐵1、2號線，武漢地鐵1、2號線等。

1.2 過渡期的高標清混合方案

由于人流密集、人員復雜、空間相對封閉等因素，地鐵成為盜竊、恐怖襲擊等違法犯罪行為的高發(fā)場所。為了對地鐵各車站進行實時監(jiān)控以便及時發(fā)現(xiàn)、震懾和打擊違法犯罪行為，為緝查破案提供錄像取證，保障乘客的出行安全，公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)逐漸采用先進的高清技術，而這個時期運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)依然采用標清技術[5]。

高清視頻即HDTV，視頻分辨率規(guī)格為720 p(1 280×720)和1 080 p(1 920×1 080)，幀率為30 Hz或60 Hz。公安系統(tǒng)采用的高清技術和運營系統(tǒng)采用的標清技術無法兼容，因此建設了一套高標清混合平臺。在車站重要區(qū)域，運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)設置標清攝像機與公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)共享，在公安系統(tǒng)特殊需要地方補充設置高清公安前端攝像機。例如哈爾濱地鐵1號線，無錫地鐵1號線，鄭州地鐵1、2號線，為滿足公安系統(tǒng)要求，均采用高標清混合視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

1.3 目前的全高清方案

隨著視頻圖像技術的不斷改進和發(fā)展，高清技術得到了普及與推廣，設備成本不斷降低，運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)也開始采用高清技術，圖像清晰度和圖像管理功能完全滿足公安需要，無需單獨再建設一套高清的公安視頻監(jiān)視平臺，因此，視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用運營與公安共建視頻監(jiān)視系統(tǒng)方案。例如南京地鐵3號線、11號線和機場線的視頻監(jiān)視系統(tǒng)。南京地鐵3號線是最早采用全高清攝像機組網(wǎng)方案的地鐵線路，運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)設置高清IP攝像頭、高清視頻解碼器、視頻服務器、存儲、網(wǎng)絡視頻交換機等，公安不僅共享運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設的前端高清攝像機，還共享運營CCTV建設的后端設備(包括以太網(wǎng)交換機、各類服務器、網(wǎng)絡存儲設備等)，這一方案在后續(xù)線路中得到了更好的改進與提高，已成為一個較為成熟的視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設模式。

地鐵視頻監(jiān)視業(yè)務走向全高清之路是必然趨勢，不僅前端攝像機需要高清的，編解碼設備、存儲設備、顯示設備等都需要高清的。在整個系統(tǒng)中，任何一個環(huán)節(jié)不滿足高清需求，都會造成系統(tǒng)缺陷，達不到整體的高清質(zhì)量，因此高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)嚴格意義上講是一個系統(tǒng)工程。目前高清視頻系統(tǒng)有兩大技術流派。

圖1 HDTV非壓縮監(jiān)視系統(tǒng)

1) 由廣播行業(yè)標準演進而來的HDTV非壓縮監(jiān)視系統(tǒng)(見圖1)，主要使用HD-SDI(1.485Gbit/s)高清視頻信號作為高清攝像機、高清光端機、高清矩陣、高清顯示設備互聯(lián)的標準。與高質(zhì)量的圖像源相對應的是高傳輸碼流，傳輸非壓縮的1 080 p×60 f/s的高清圖像需要占用2.97 Gbit/s的帶寬。若以無損視頻格式降低高清數(shù)字視頻源碼流的方式來降低傳輸帶寬，那么碼流為2.97 Gbit/s的1 080 p高清視頻，采用12 bit的RVF格式，碼流雖可降為746.496 Mbit/s，但這在早期的視頻監(jiān)視系統(tǒng)中仍是很難實現(xiàn)的。隨著光纖技術的發(fā)展，帶寬限制已得到較好的解決，目前常用的高清視頻系統(tǒng)中，采用百萬高清數(shù)字攝像機，輸出12 bit、746.496 Mbit/s的1 080 p 非壓縮數(shù)字圖像，各個站點本地實時存儲本站點的8路高清視頻,這樣帶寬為8×746.496 Mbit=5.832 Gbit/s。例如昆明地鐵1、2號線是國內(nèi)首次采用高清數(shù)字非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的兩條線路，運營公安通過高清視頻矩陣查看圖像，運營通過高清編碼器融入數(shù)字平臺，公安運營共享存儲設備。此方案優(yōu)點突出，高清視頻從圖像采集到顯示無延時、無損壞，主要依靠傳輸和交換的高帶寬實現(xiàn)。系統(tǒng)圖像質(zhì)量優(yōu)異，圖像存儲方案與IP高清監(jiān)控系統(tǒng)混合形成完整的高清解決方案，但這一方案缺點也很明顯，即建設投資是所有高清方案中最多的[6]。

2) 基于幀內(nèi)及幀間壓縮的HDTV解決方案(壓縮標準主要采用H.264)是以網(wǎng)絡高清攝像機、IP承載網(wǎng)、IP存儲為典型系統(tǒng)組成的高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)(見圖2)。高清視頻的前端編碼，傳輸和交換主要依靠網(wǎng)絡設備實現(xiàn)。采用壓縮方案時帶寬得到很大的壓縮，例如采用圖像編碼H.264方案時，1路視頻占傳輸帶寬一般為3 M(分辨率720 p)或6 M(分辨率1 080 p)。但采用有損壓縮會導致圖像延遲，且視頻清晰度降低等問題，因此在使用無損壓縮時會給出圖像壓縮率、延遲時間等指標要求，例如對地鐵軌道系統(tǒng)，無論系統(tǒng)規(guī)模多大，任意圖像的編解碼延時必須在300 ms以內(nèi)，車站、監(jiān)控中心顯示墻任意圖像調(diào)度與PC終端任意圖像調(diào)度時間要小于500 ms，視頻清晰度必須達到相應的要求標準等。

圖2 基于幀內(nèi)及幀間壓縮的HDTV解決方案

1.4 各期視頻監(jiān)視系統(tǒng)方案對比

模擬視頻監(jiān)視系統(tǒng)具有設備穩(wěn)定性好、兼容性強、調(diào)試方便等優(yōu)點，因此在軌道交通建設的早期全都采用模擬視頻監(jiān)視系統(tǒng)，但這個時期的運營和公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)都是單獨設立的，維護量大，兩個系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)困難。

在過渡期，運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用高標清混合解決方案，成本低，維護簡單，能利用標清成熟的解決方案。但由于標清技術已不能滿足公安系統(tǒng)對視頻技術的高清晰度需求，公安系統(tǒng)需要在車站內(nèi)布置大量的高清攝像機進行補盲，因此仍然存在部分資源重復利用、維護量大等缺點。

隨著視頻硬件系統(tǒng)的發(fā)展，高清設備成本也在不斷降低，組網(wǎng)越來越靈活，圖像質(zhì)量越來越清晰，全高清視頻技術在地鐵視頻建設中得到大力推廣與發(fā)展，地鐵運營系統(tǒng)已經(jīng)可以全部采用高清視頻解決方案，而高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)能完全滿足公安系統(tǒng)的監(jiān)視需求，因此公安和運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)開始共享一套視頻平臺，這一解決方案不僅具有清晰度高、故障節(jié)點少、維護量小、資源利用最大化等優(yōu)點，且具有易于擴容、與后期新技術銜接較易等優(yōu)勢。以下對3種方案的經(jīng)濟成本和技術特點進行對比，見表1。

表1 視頻監(jiān)視技術特點對比

在全高清的兩個方案中，HD-SDI非壓縮監(jiān)視系統(tǒng)與IP網(wǎng)絡壓縮監(jiān)視系統(tǒng)都可以滿足地鐵需求，前者實況圖像質(zhì)量優(yōu)質(zhì)且無延時，錄像質(zhì)量取決于編碼技術，適合地鐵高清建設，但建設投資高，擴容成本高，系統(tǒng)較復雜；后者使用H.264級別圖像編碼技術，實況、錄像圖像質(zhì)量好，低延時，投資較低，擴容簡單，成本低，廣泛適用于各大中城市地鐵高清建設(見表2)。隨著技術的發(fā)展以及地鐵的建設，新的技術不斷出現(xiàn)，比如光纖電纜的鋪設使得信息傳輸帶寬得以無限制拓寬，因此對于高清視頻無壓縮解決方案是一個很好的發(fā)展前景；IP網(wǎng)絡壓縮監(jiān)視系統(tǒng)中H.265圖像編碼技術也開始在地鐵上推廣和使用，可以進一步壓縮帶寬，這對于IP高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)方案也是一個發(fā)展機遇。

表2 兩種高清視頻解決方案對比

目前，在建和計劃建設的地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)大部分都采用全高清解決方案，這是未來視頻技術發(fā)展的趨勢，而運營建立的全高清平臺能夠滿足公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)對圖像清晰度、存儲時間等的要求，因此為了實現(xiàn)資源重復利用，縮減成本，就會采用運營系統(tǒng)組建高清視頻網(wǎng)絡，公安系統(tǒng)共享專用高清視頻平臺這一方案。

2 案例分析

以南京地鐵11號線北段和昆明地鐵6號線視頻監(jiān)視系統(tǒng)為例具體分析。

2.1 高清數(shù)字壓縮方案：南京地鐵11號線北段

2.1.1 工程概況

南京地鐵11號線北段南起大橋北路站，北至金牛湖高架站，并預留遠期延伸至安徽天長的條件。線路全長45.2 km，其中地下線約11 km，高架線約32.9 km，地面線約1.56 km。全線設17座車站，其中高架車站11座，地下車站6座，換乘站3座[7]。

2.1.2 方案設計

南京地鐵11號線北段視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用高清視頻壓縮建設方案[8]。運營監(jiān)視系統(tǒng)在控制中心和車站設置數(shù)字高清攝像機、彩色高清液晶監(jiān)視器、以太網(wǎng)交換機、高清視頻解碼器、高清畫面合成器、視頻存儲系統(tǒng)、視頻管理服務器、錄像服務器、視頻控制終端等。公安系統(tǒng)在警務站、派出所、公安分局設置視頻監(jiān)視主機、監(jiān)視器、交換機、公安圖像專網(wǎng)監(jiān)視操作終端等設備。公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)與地鐵運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)在車站共用前端攝像機和專網(wǎng)車站存儲設備，所有公安視頻圖像及錄像由設置在運營控制中心的視頻服務器經(jīng)公安視頻安全接入系統(tǒng)后轉(zhuǎn)發(fā)至公安視頻網(wǎng)絡，再分發(fā)至各車站警務室、重點站與派出所、公安分局[9]等。全網(wǎng)系統(tǒng)詳見圖3。

圖3 南京地鐵11號線北段視頻監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡

2.2 高清數(shù)字非壓縮方案：昆明地鐵6號線

2.2.1 工程概況

昆明地鐵6號線一期工程線路長18.018 km，設車站4座，其中高架站1座，地下站3座。

2.2.2 方案設計

昆明地鐵6號線是國內(nèi)首次采用高清數(shù)字非壓縮方案的三條地鐵監(jiān)控線路之一，約1 400多個監(jiān)控點，存儲容量近4 900 T 。其視頻監(jiān)視系統(tǒng)同樣采用運營系統(tǒng)建立高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)，而公安系統(tǒng)通過高清視頻矩陣查看圖像，運營通過高清編碼器融入數(shù)字平臺，公安運營共享存儲。昆明地鐵6號線和南京地鐵11號線都是基于高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)進行解決的。為了克服高清數(shù)字非壓縮方案中的一些缺點，例如帶寬要求高、信號傳輸短等，視頻監(jiān)視系統(tǒng)輔以大量的光纖網(wǎng)絡進行建設，在這一模式上有了較大發(fā)展。全網(wǎng)系統(tǒng)詳見圖4。

2.3 高清視頻系統(tǒng)建設方案

南京地鐵11號線和昆明地鐵6號線的運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)都采用全數(shù)字高清方案，在圖像清晰度、圖像管理功能方面完全能夠滿足公安需要，無需單獨再建設一套高清的公安視頻監(jiān)視平臺，采用運營與公安視頻共建視頻監(jiān)視系統(tǒng)，共享前端攝像機、后端設備(包括以太網(wǎng)交換機、各類服務器、網(wǎng)絡存儲設備等)。運營視頻監(jiān)視系統(tǒng)為這兩條線路的公安視頻監(jiān)視系統(tǒng)提供相應的操作軟件，這種組網(wǎng)模式既滿足了兩個系統(tǒng)的功能需求，又節(jié)省了投資，而且大大節(jié)省了維護成本。

在實際建設過程中又出現(xiàn)了HDTV非壓縮視頻監(jiān)視系統(tǒng)方案和基于幀內(nèi)及幀間壓縮的HDTV解決方案，其中，非壓縮視頻監(jiān)視方案基于光纖通信網(wǎng)絡的引入，得到了很好的發(fā)展，而基于幀內(nèi)及幀間壓縮的HDTV解決方案在視頻編碼技術的發(fā)展下也得到了長足進展，因此后期地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)的建設應根據(jù)實際情況進行選擇使用。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通發(fā)展速度的加快，國內(nèi)各大城市的地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)都將使用高清數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)，其中運營監(jiān)視系統(tǒng)建立高清 視 頻 監(jiān) 視網(wǎng)絡，而公 安 系統(tǒng)通過節(jié)點連入網(wǎng)絡進行資源調(diào)用。在實際細節(jié)中會存在一定不同，例如信號傳輸是否采用壓縮機制，但這一方案總體來看可以大大節(jié)省投資和維護成本，方便運營，更適合城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)的戰(zhàn)略發(fā)展。

圖4 昆明地鐵6號線視頻監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡

[1] 李偉章，徐幼銘，林瑜筠，等.城市軌道交通通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 蔡海燕.基于高清技術的地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用分析[J].科技視界，2012(26)：84-87.

[3] 陳明華，李蘇雯，馬強.城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)整合方案的設計與應用[J].鐵路計算機應用，2012(4):61-63.

[4] 陳禮云.地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清攝像機接入方案[J].中國新技術新產(chǎn)品,2015(2):17.

[5] 地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[6] 朱小兵.非壓縮高、標清混合視頻監(jiān)控解決方案[J].中國交通信息化，2012(5)：80-81.

[7] 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司.寧天城際一期工程可行性研究報告[R].南京，2011.

[8] 南京市交通規(guī)劃研究所有限責任公司.南京軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃[R].2009版.南京，2010.

[9] 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司.南京市軌道交通寧天城際一期工程(大橋北路站—金牛湖站)通信系統(tǒng)招標文件[G].南京，2013.

(編輯：王艷菊)

Analysis on the Image Monitoring System Construction of Urban Rail Transit

Huo Yanan

(Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The evolution process of domestic urban rail transit line video monitoring system construction mode is introduced; from the initial SD solutions, HD solution, mixed solutions to the latest full HD, the two technical schools of high-definition video system (compression monitoring system based HDTV developed from the broadcasting industry standard and frame and inter-frame compression based HDTV solution) are compared. The paper shows that the compression scheme construction investment costs most, but the system image quality is excellent. Image compression scheme leads to delays and decoded video is not clear, but the cost is cheap.In view of a number of domestic construction mode of urban rail transit image monitoring Systems and the construction mode of the referring to operation and metro police's image monitoring system for Nanjing Subway Line 11 and Kunming Subway Line 6, the paper recommend metro operation and metro police share the same one platform of image monitoring systemto achieve the purpose of resources allocation and saving capitad.

urban rail transit; image monitoring system; operation; public security system; Nanjing; Kunming

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.023

2015-09-29

2015-10-27

霍亞楠，女，助理工程師，從事城市軌道交通通信系統(tǒng)的設計和研究，huoyanan1986@126.com

U231.7

A

1672-6073(2016)04-0102-05