鐵路綜合視頻監(jiān)控網(wǎng)中智能分析系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)的討論

洪 波

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著鐵路綜合視頻監(jiān)控業(yè)務的增長以及視頻技術、互聯(lián)網(wǎng)技術和智能分析技術的發(fā)展，既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為視頻監(jiān)控業(yè)務的基礎服務性網(wǎng)絡，雖然承載了鐵路大量的業(yè)務，但在智能化分析、管理和運營等方面已經(jīng)不太能滿足業(yè)務的實際需求，因圖像識別技術在視頻系統(tǒng)中的廣泛應用，且在各種視頻對象處理分析上均有較好的解決方案和技術實現(xiàn)，所以，如何在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠、靈活、高效的智能分析系統(tǒng)架構(gòu)，為今后鐵路綜合視頻監(jiān)控業(yè)務系統(tǒng)向一體化平臺及扁平化架構(gòu)的遷移提供彈性可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，充分支撐各專業(yè)的個性化智能分析應用，具有重要現(xiàn)實意義。

2 鐵路綜合視頻監(jiān)控業(yè)務網(wǎng)絡架構(gòu)簡介

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻節(jié)點（包括視頻核心節(jié)點、視頻區(qū)域節(jié)點、視頻接入節(jié)點）、視頻匯集點、視頻采集點、承載網(wǎng)絡和視頻終端（包括視頻管理終端、監(jiān)視終端）組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)接口包括A、B、C、D、E、F、H、Na接口，其中A、B、H是視頻監(jiān)控系統(tǒng)外部接口，C、D、E、F是視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部接口，Na是設備管理接口。主體架構(gòu)分為核心-區(qū)域-接入3層，視頻核心節(jié)點實現(xiàn)了總公司-路局、路局-路局之間的音視頻流轉(zhuǎn)發(fā)，視頻區(qū)域節(jié)點實現(xiàn)了路局管內(nèi)的音視頻流存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，視頻接入節(jié)點則負責視頻業(yè)務的接入。

目前正在構(gòu)建視頻監(jiān)控一體化平臺，提升智能化應用水平。架構(gòu)將由三級控制、三級存儲簡化為兩級控制、三級存儲，對部分視頻節(jié)點功能簡化，在共享視頻資源的前提下，智能分析系統(tǒng)也將按需配置至各級視頻節(jié)點。

3 智能視頻分析技術簡介

智能視頻分析技術涉及圖像處理、跟蹤技術、模式識別、人工智能、數(shù)字信號處理等多個領域。主要的智能分析有以下幾個類別。

1）診斷類智能分析是針對常見的攝像頭故障、視頻信號干擾、視頻質(zhì)量下降進行準確分析、判斷和報警，一般服務于智能化管理系統(tǒng)。

2）識別類智能分析主要是對靜態(tài)場景的分析處理，通過圖像識別、圖像比對及模式匹配等核心技術，實現(xiàn)對人、車、物等相關特征信息的提取與分析。

3）行為類智能分析對動態(tài)場景的分析處理，如旅客逆行、防區(qū)入侵檢測、圍欄翻越檢測、站臺穿越檢測、物品遺留、軌跡追蹤、人群聚集度檢測以及客流統(tǒng)計等。

目前主要的智能分析技術在不考慮綜合成本的前提下，大部分在前端設備和后端設備中均可實現(xiàn)。前端智能是將一些視頻分析算法移植到攝像機中，在攝像機中實現(xiàn)對實時視頻的分析和檢查，如人像識別攝像機通過移動偵測、視頻觸發(fā)可對來往行人進行識別。后端智能是指前端攝像機只負責采集視頻信息或僅做通用性分析的結(jié)構(gòu)化篩查，將原始碼流傳遞到后端服務器進行深入智能化視頻分析。

4 智能視頻分析應用需求及場景分析

鐵路綜合視頻監(jiān)控網(wǎng)作為路內(nèi)通用視頻監(jiān)控業(yè)務的服務性網(wǎng)絡，應為鐵路各專業(yè)視頻監(jiān)控的智能化服務需求提供條件。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已實現(xiàn)了對鐵路車站、區(qū)間線路、樞紐、關鍵卡口及相關環(huán)境場景下音視頻監(jiān)控信息業(yè)務的高效承載，但隨著高鐵建設規(guī)模的不斷擴大和視頻采集設備的高清、超清化以及各類新視頻應用系統(tǒng)的部署，滿足視頻用戶更便捷的使用需求、視頻資源的整體共享和系統(tǒng)的運營智能化是鐵路綜合視頻監(jiān)控網(wǎng)發(fā)展的方向。

因此，應在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化建設中滿足以下功能需求。

4.1 視頻內(nèi)容分析功能

視頻內(nèi)容分析功能應符合越線檢測、人員逆流、物品遺留檢測、物品消失檢測、人群密度檢測、徘徊滯留檢測等一種或多種分析類型。

4.2 視頻智能分析功能

鐵路視頻智能分析功能主要針對區(qū)間和車站智能化需求來實現(xiàn)。

1）區(qū)間智能分析功能

a.入侵檢測

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于視頻圖像分析，當人或動物等物體入侵到鐵路沿線區(qū)域內(nèi)敏感區(qū)域時，產(chǎn)生告警信息。

b.列車追蹤

針對特定列車，在視頻終端能持續(xù)跟蹤顯示該列車運行畫面。

2）車站智能分析功能

a.人臉識別/人像抓拍功能

支持對人實時分析出來的人臉/人像圖片和特征入庫；支持對路人庫進行檢索，并對檢索出來的目標進行軌跡展示。

b.視頻結(jié)構(gòu)化功能

視頻結(jié)構(gòu)化是指通過對視頻信息進行解析，對一個或者多個視頻中的行人屬性進行分析歸類，從而可以快速、準確的從海量視頻中找到目標人群的一種能力。

視頻結(jié)構(gòu)化應支持提取視頻中行人的一些屬性類，包括但不限于性別、年齡段、衣著顏色紋理款式、面部特征發(fā)型特征及配戴（如眼鏡、口罩）、舉傘/傘色、體型（標準、胖、瘦）、手拎/持物、肩挎、背包、拉拽物、騎行自行車輛等。

c.視頻摘要功能

視頻摘要是通過對視頻進行時間和存儲空間上的壓縮處理，生成簡短的視頻片段，可以快速關聯(lián)顯示完整的視頻內(nèi)容，減少查閱視頻時間，提高查閱視頻效率。

d.視頻搜索功能

視頻搜索是指用戶可以通過空間、時間、行為、類型等搜索條件過濾掉視頻信息中的大部分信息，從而可以快速、準確的從海量視頻中獲取關鍵視頻。

4.3 專業(yè)智能分析接入功能

滿足其他各專業(yè)，根據(jù)自己業(yè)務特點定制智能化需求，并通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)相應接口，部署其他智能分析功能。

此外，視頻監(jiān)控智能分析還需要一些包括視頻圖像質(zhì)量診斷功能、云鏡控制功能以及視頻聯(lián)動功能。

由此可見，視頻監(jiān)控智能化應用的需求應著重解決3個問題，一是將視頻監(jiān)控操作人員從繁雜而枯燥的屏幕監(jiān)視、回看任務中解脫出來，由機器來完成這部分工作，而對異常情況能夠及時告警、處理等；二是在海量的視頻數(shù)據(jù)中快速搜索到想要找到目標圖像；三要為智能化運營和管理系統(tǒng)的建立提供基礎條件和輸入數(shù)據(jù)。

5 鐵路綜合視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)架構(gòu)應用策略討論

鐵路綜合視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)是構(gòu)架于鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)鐵路綜合視頻監(jiān)控業(yè)務網(wǎng)絡的智能分析接入?yún)⒖键c接入，通過獲取所需視頻媒體流實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通用或?qū)I(yè)智能分析應用。

5.1 視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)接入?yún)⒖键c的設置

視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)設置的邏輯接入?yún)⒖键c包括視頻采集點、視頻節(jié)點、視頻終端接入?yún)⒖键c以及與視頻外部接口相連的接入?yún)⒖键c。

1) 視頻采集點接入?yún)⒖键c：位于攝像機進行視頻采集后（一般為網(wǎng)絡攝像機）或數(shù)字/模擬攝像機經(jīng)匯聚/編碼器編碼IP化后的接口，屬于前端分析架構(gòu)。

2) 視頻節(jié)點接入?yún)⒖键c：位于視頻節(jié)點（包括視頻核心節(jié)點、視頻區(qū)域節(jié)點、視頻接入節(jié)點）后，屬于后端分析架構(gòu)。

3) 視頻終端接入?yún)⒖键c：位于視頻終端（包括視頻終端、視頻終端服務節(jié)點）后，屬于后端分析架構(gòu)。

4) 視頻外部接口接入?yún)⒖键c：位于鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)對外網(wǎng)提供視頻服務的互聯(lián)互通接口外側(cè)，屬于后端分析架構(gòu)。

因此，根據(jù)視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)接入不同參考點的設置，總體上可分為前端智能分析和后端智能分析兩種架構(gòu)應用策略。

5.2 視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)架構(gòu)的應用策略

視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)架構(gòu)的應用有兩種方式，即基于采用前端分析設備或模塊的前端架構(gòu)方式和基于后端通用或?qū)I(yè)應用服務器的后端架構(gòu)方式。

前端視頻分析是將智能視頻分析算法集成在前端攝像機處理器中，以目前產(chǎn)業(yè)的集成化能力，一臺攝像機即可以實現(xiàn)大部分單視頻的智能分析?；诤蠖朔掌鞯闹悄芤曨l分析是指將智能算法軟件安裝在通用或?qū)I(yè)應用服務器系統(tǒng)中，在視頻媒體流轉(zhuǎn)入服務器后對視頻流進行圖像分析和處理。

兩類經(jīng)智能分析接入?yún)⒖键c部署智能視頻分析架構(gòu)的實現(xiàn)可以說是各有千秋，但是筆者認為在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，采用后端智能分析應用服務的架構(gòu)相對優(yōu)于前端采集設備應用的架構(gòu)，原因主要表現(xiàn)在以下幾點。

1) 在部署前端智能攝像機以取代傳統(tǒng)模擬攝像機之時，會涉及到大量增量資金的投入，且鐵路區(qū)間和車站大多數(shù)為相對單一的監(jiān)控場景，智能化需求差異明顯，在后端服務器進行智能化升級則更具優(yōu)勢。

2) 在安裝運維中，后端部署的方式雖然對于網(wǎng)絡帶寬和網(wǎng)絡管理提出了較高要求，但結(jié)合目前鐵路視頻監(jiān)控網(wǎng)絡以視頻節(jié)點為視頻數(shù)據(jù)存儲中心的集中存儲方式，反而為基于后端視頻智能分析架構(gòu)的應用提供了可行條件。

3) 以現(xiàn)有的技術發(fā)展速度，智能攝像機會不斷被新出現(xiàn)的具有更多智能化功能設備所取代，而升級后端服務和硬件系統(tǒng)比升級前端冗余處理能力相對有限的固件和網(wǎng)絡攝像機要簡單很多。

4）全國鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設各有先后，視頻采集設備新舊狀態(tài)會分布在較長的時間范圍內(nèi)，為控制項目的投資規(guī)模，有效利用現(xiàn)有生產(chǎn)能力，一般在設備壽命周期內(nèi)不會進行大面積設備更新。因此，對于已建非智能高清/標清攝像機，使用后端智能分析系統(tǒng)可更好的控制投入，同時也是快速實現(xiàn)系統(tǒng)智能化技術升級的有效手段。

5) 除了將原始視頻流與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)一并上傳的人像抓拍等智能攝像機外，一般的智能攝像機會按設定參數(shù)收集視頻數(shù)據(jù)信息，甚至把一部分經(jīng)智能分析后的無關視頻數(shù)據(jù)丟棄，以達到節(jié)省帶寬的目的，但如果用戶存在進一步智能化分析的需求時，帶寬占用則會恢復，在改變了前端原有的智能化策略，增加了系統(tǒng)控制、設置復雜度的同時，也對業(yè)務操作和實時監(jiān)控提出了更高的技術要求，在一定意義上導致了系統(tǒng)故障率的增加。

因此，鐵路綜合視頻監(jiān)控智能分析系統(tǒng)架構(gòu)應用策略應根據(jù)鐵路行業(yè)自身的特點，盡量使用通用低成本的前端視頻采集設備，配以必須使用的標準化智能視頻采集設備和定制化視頻前端，通過配備通用和專業(yè)的智能分析應用服務系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級，并支撐鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)運營和管理的智能化建設。

6 結(jié)束語

簡單地對前端視頻采集設備做智能化更替并不能使系統(tǒng)升級為具有智能化功能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對于智能化的一致性、可用性，僅有智能前端是不夠的，更需要完整的智能化解決方案才能發(fā)揮智能分析系統(tǒng)的功能和作用。與前端單點智能化分析處理相比，擁有從前端到后端整體智能解決方案才能真正稱之為綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化實現(xiàn)。在高清數(shù)字化、大數(shù)據(jù)化的大背景下，未來鐵路綜合視頻智能化的格局將會更清晰，用戶需求的細化、技術標準的提升、信息數(shù)據(jù)的豐富和高鐵建設的需要，推動著鐵路視頻監(jiān)控智能化的發(fā)展，但真正的視頻監(jiān)控智能化剛剛拉開帷幕，每一次技術的進步，需求的完善，系統(tǒng)的優(yōu)化，都在為鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)人工智能時代的到來做著準備。