轨道交通车厢智能监控系统解决方案

为防范城市轨道交通突发事件的产生，贯彻科学发展观和以人为本的理念，确保人民群众乘车安全，积极发展城市轨道交通列车视频监控系统，是当前十分紧迫而重要的任务之一。

　　前言

　　随着技术的发展和进步，视频监控技术已成为社会公共安全防范技术的重要组成部分，而且已被广泛地应用于金融、文博、酒店、交通管理、交通运输、商业、医院、工厂、学校、住宅小区等各种安防应用领域。城市轨道交通系统作为流动的、人员高度集中的公共场所，特别需要运用视频监控技术对系统内的公共安全进行监控。

　　目前，我国各大城市的城市轨道交通车站内都安装了CCTV闭路电视监控系统，实现了对站内的安防监控；而对列车车厢内的安防监控则刚刚起步。为防范城市轨道交通突发事件的产生，贯彻科学发展观和以人为本的理念，确保人民群众乘车安全，积极发展城市轨道交通列车视频监控系统，是当前十分紧迫而重要的任务之一。

　　需求分析

　　目前国内的轨道交通在车站站厅、站台、出入口及变电所等位置安装了较多数量的摄像机，基本能够满足安防的需求。但作为乘客最主要的活动场所——地铁车厢内目前还没有安装摄像机，随着突发事件的频发及治安反恐的深入，地铁车辆作为乘客的公共密集区，给安防带来较大的威胁。同时司机由于一人驾驶，在列车运行过程中，有没有按照标准操作，有无不遵章守纪的情况，基本都无法掌控、无从查证。因此，车辆安装车载视频监控系统十分必要、迫在眉睫。司机和地面控制中心调度要了解车厢里乘客状况，是否有非法活动。在出现故障指挥乘客安全疏散转移等。现状是司机和地面控制中心调度不知道车厢情况，有叫卖、乞讨、偷盗等行为，影响服务质量。

　　从功能上而言，监控基本能覆盖整个车厢并有所重点，目的发现记录现场图像。列车上的摄像机图像均应能集中在司机室的视频控制器上显示，图像上应该具有相应的字符，字符内容至少应有摄像机编号、日期时间等。每路图像均应进行录像，录像的时间至少保存7天，录像应该可以方便地进行检索及下载。在车站能够实时通过车-地无线网络的传输看到车上所有的视频图像并下载录像。

　　车载视频监控系统应该具有稳定性，这是系统设计首要考虑的问题。监控点设计应具有合理性、无盲区。由于车内布线的空间比较小，因此，必须布线合理。应采用对称性设计，利于以后各车重新调配编组的需要。系统的维护工作量应少，且方便维护人员的作业。

　　运营系统管理机构

　　视频监控系统应按照胶济线运营系统行政管理级别为依据，分为二级监控结构：路线运营监控中心为第一级；各个车站设置第二级监控中心，但是各个车站并不需要监看其辖区内沿线的视频图像，仅仅作为视频分布式存储和转发的平台。控制信息、巡检信息、报警信息和视频信息等，能够按照预先设定的流程在网络系统各级传输。

　　视频监控摄像机部署

　　根据国内各轨道交通车辆安装车载视频监控系统的情况及车厢所能安装位置等情况，列车每节车厢应配置2台以上摄像机，用来对车厢内的现场进行监控。列车两端的司机室应各配置1台摄像机及拾音器，用以对司机驾驶活动及话语的录像、录音。每个司机室配置1台视频控制器，供司机对车厢的摄像机图像进行观察及切换。

　　视频监控系统画面

　　视频画面实时传输，具备录像功能，视频图像存储时间为个1个月，以提供犯罪现场的视频图像证据，对于特殊的地方可以考虑云台摄像机，系统可以控制前端云台的运动和镜头的变焦。系统能够依据授权将网络用户发出的控制命令传送到前端监控设备，实现监控中心及授权用户对前端任意一路监控图像的调用和控制。图像质量满足主观评价指标体系一和主观评价指标体系二的4级要求。

　　智能分析需求

　　具有视频智能分析报警功能，目的自动判断威胁、预警，因为调度和司机不可能实时监控每个车厢里状况。并能在事后快速帮助分析找到犯罪嫌疑人。司机和地面站调度通过广播或旅客信息系统指导旅客行为，通过监控图像具体指导。

　　行政管理需求

　　为保证联网监控系统的正常运行，应对系统用户进行分类，并综合考虑各种因素制定合理的权限管理策略，实现对用户访问的控制。

　　二级车站监控中心、运营监控中心、其它运营机构的值班室要有摄像头，提供上级领导对其值班状态进行查看。系统可以实现上下级监控室之间的对讲功能。

　　建设、维护需求

　　此系统原则上由集团运营部门进行建设、维护，并能够保证长期使用。同时系统具有定时自动巡检和人工自动巡检两种方式进行远程设备巡查。人工自动巡检优先级别高于系统定时自动巡检，定时自动巡检功能和人工自动巡检功能由报警与监控系统各级监控中心实施。要求巡检结果和内容能够按机关管理要求以统计报表形式上报备案。通过系统平台能实时了解设备的运行状态和故障情况。

　　信息存储和备份需求

　　前端监控设备、各级监控中心，均应对巡检、报警、视音频、系统日志等信息予以存储。机关的相应部门应按照规定的格式，存储报警信息及与报警关联的视音频信息。存储和备份的报警、巡检等历史数据信息，可在网络系统中依据授权进行访问。

　　列车车载视频监控系统

　　列车视频监控系统车载部分要实现的最重要的功能是将各节车厢前端设备列车视频监控系统一车载部分(摄像机)所获取的视频数据实时地传输至列车司机室，通过监视器显示并存储在存储介质中。如果是在建筑物中构建这样的视频监控系统，可以采用数字视频监控系统方案，即将所有摄像机连接到一张图像采集卡，集中压缩存储并显示；或者采用更为先进的网络摄像机通过有线或无线网络传输到终端显示设备。

　　而列车与建筑物的最大不同在于列车是由几节车厢连接而成，车厢之间的电气连接要通过跨接电缆连接器(一般采用航空插头)实现。使用连接器实际上造成了传输线路的“断点”，考虑到“断点”给传输带来的损耗以及连接器本身空间的有限，在列车上构建通信和传输系统时通过连接器的线缆必须要尽可能少，事实上前面讲的列车总线干线电缆仅有两条双绞线通过车厢之间的连接器(其中有一条是备用的)。列车通信网络采用分层和节点结构也正是考虑了这一点。各节车厢的节点通过车辆总线与该节车厢的电子设备连接以接收数据和发送指令，对接收来的数据进行处理后上传至列车总线并通过总线实现节点间的互连，列车通信网络的这种分层和节点结构对于构建列车视频监控系统具有重要的借鉴作用。

有线传输网络

　　基于上面的分析和讨论，在列车上采用有线方式构建视频监控系统时，需要遵守“通过车厢之间电缆连接器的电缆尽可能少”的原则，因此可以基本上排除绪论中介绍的第一种方式(模拟CCTV方式)和第二种方式(数字视频监控方式)，因为这两种方式要求所有摄像机的输出信号电缆都要通过车厢间电缆连接器。以四节车厢编组的列车为例，给出这两种方式的结构示意图。

　　从图1可以看出，采用这种方案时，前端的摄像机传输电缆到末端司机室PC要经过三次连接器，也就是要产生三个“断点”，断点带来的损耗和噪声将对传输造成影响；而末端车辆前一个连接器要通过六条电缆，占用了很多的空间。因此这种方案在实际应用中是不可取的。

　　减少传输系统电缆数量的方法可以借鉴列车通信网络(TCN)的节点和分层结构。在每个车厢里设置“节点”与摄像机连接，“节点”之间通过简单的干线电缆连接以传输视频数据到列车两端司机室主计算机实现显示和存储等功能。这里“节点”所做的工作是对本节车厢里摄像机采集的视频数据进行压缩并打包以便于传输，同时还要能够转发其它“节点”的数据。按照这个思路，以四节车辆编组的列车为例，可以得到下图所示的车载视频监控系统模型结构图。

　　图2所示模型中“节点”的功能一方面是对本节车厢视频数据进行压缩编码和打包，另一方面是转发其它节点数据。因此，“节点”应由两部分组成，即网络视频服务器和交换机。带嵌入式操作系统的网络视频服务器(包括编码器)可实现视频压缩编码和打包的功能，交换机则可转发其它节点的数据。

　　这样，图3中整列车的监控设备构成了一个小型局域网，主机和视频服务器都通过交换机连入该局域网内，形成了基于网络传输的视频监控系统。

　　局域网(LAN)的具体组织形式有以太网(Ethemet)、令牌总线、令牌环网、光纤分布式数据接口(FDDI)等。选择局域网的具体形式时要考虑下面几个因素保证能够实现传输视频监控图像，组网简单而且通信协议成熟可靠，经济实用。

　　与上述几种网络相比，以太网由于其协议简单实用(CSMA/CD)、组网方便等特点，目前几乎渗透到了所有的LAN，而且经过几十年的改进和发展已经从最初的10M以太网发展到100M、1000M以太网。尽管以太网在传输多媒体业务时存在一定的缺陷，即当在以太网上混合有对时间敏感业务和一般数据业务时，没有对时间敏感业务提供优先处理的机制。但是我们构建的列车视频监控系统仅仅传输视频监控图像，而且视频监控系统传输的业务与第三类业务基本相符，即视频信息传输用于实时使用。因此不存在与其它业务混合的问题。鉴于以太网简单方便以及其应用的普遍性，我们确定列车视频监控系统车载部分的传输网络具体形式为以太网(100Base-T)。

　　系统总体结构和具体配置

　　确定了列车视频监控系统车载部分采用100Base-T以太网作为传输网络后，就可以确定系统的总体结构和具体配置。

　　总体结构

　　列车视频监控系统车载部分从总体上可以分为三部分：前端摄像、编码部分，网络传输部分，终端显示、存储部分。总体结构的模型示意图如图4所示。

　　具体配置

　　每节车厢配置两台彩色固定式摄像机，两台摄像机安装在车厢两端，具体的安装位置应该保证摄像机的视角能完全覆盖整节车厢(包括贯通通道)，没有视频盲点。摄像机的水平分辨率应不低于PAL制520TV线，保证实现较好的监控效果。

　　每台摄像机通过视频同轴电缆(如前所述，距离较近时采用视频同轴电缆传输模拟视频信号)与一台单路视频服务器连接。

　　单路视频服务器应包括编码器、控制器、存储器等。编码器首先对输入的模拟视频信号进行采样、量化，将其转化为数字信号，然后按照一定的视频压缩标准对数字视频信号进行编码。编码的标准可选取MPEG-4，也可以选取H.264，因为这两种压缩标准均可产生适宜于IP网络传输的压缩视频码流。

　　网络传输部分

　　每节车厢配置一台以太网交换机(具有100MbpsRJ-45端口)，车厢内的两台单路视频服务器均通过以太网线(双绞线)与交换机连接，相邻车厢的交换机也通过以太网线连接，两端带司机室车厢的交换机与视频监控系统终端主机连接，这样构成了列车视频监控系统车载部分的以太网传输网络。考虑到列车运行中带来的震动和冲击，交换机应采用工业等级的工业以太网交换机；另外，考虑到前述城轨列车的特殊供电方式，以及开关元器件的频繁启停，造成了车内复杂恶劣的电磁环境，以太网线应采用具有一定抗干扰能力的屏蔽双绞线来降低干扰。

　　终端显示、存储部分

　　城轨列车的两端都带有司机室，因此每个司机室内配置一台主机和一台显示器，两台主机一台为主控一台为备用，主控和备用之间可以通过切换程序切换。

　　两台主机均通过交换机接入车载以太传输网络。主机通过网络接收来自各车厢视频服务器的视频码流，一方面以视频文件的形式存储在主机的硬盘里，另一方面经过解压缩实时显示到显示器上。

　　考虑到列车运行时的震动和冲击环境，主机应采用坚固化设计的工控机。主机由CPU、主板、电子硬盘(主机自身使用)、数据硬盘(存储压缩视频文件)、网卡、电源等部分构成，主板上应配置VGA输出接口、USB接口、RS232或RS485接口等。为方便列车司机对列车视频监控系统的控制和操作，显示器采用带触摸屏的LCD显示器。主机通过VGA输出接口与显示器连接传输视频图像，通过RS232或RS485接口传输来自触摸屏的操作指令，显示器的电源通过主机电源供给。

　　列车视频监控系统

　　要实现城市轨道交通控制中心对运行中的列车车厢内的实时监控，即将行驶中列车车厢内的视频监控图像实时传输至控制中心，必须采用无线传输方式来实现。前面第二章中介绍模拟和数字视频传输方式时提到了采用射频及微波介质的情况，但是显然那种单路视频占用一个无线信道的模拟传输方式不能满足有众多列车运行的城市轨道交通系统。再考虑到列车视频监控系统车载部分采用了网络传输方式，车载主机已经对车内各路监控图像进行了汇集，为了更好地利用车载主机，实现系统的承接性，应该构建车地无线网络来实现视频图像的传输。

　　无线网络技术

　　同有线网络一样，无线网络也可分为电路交换和共享带宽两种。典型的电路交换无线网络如GMS蜂窝移动通信系统，共享带宽网络有无线局域网(WLAN)、无线宽带网络、蓝牙技术等。对于长时间传输高分辨率的视频图像来说，电路交换的移动通信系统的带宽是不够的，而蓝牙技术传输的距离非常短，适用于像房间这样的环境中的终端设备通过无线接入固定网络。近年来不断发展和改进的无线局域网无论从带宽还是覆盖范围方面都适合在城轨这种区域性系统中完成视频传输的工作。无线网络在设计和选择物理层传输方式时要考虑采取一定的措施来避免或减少其对传输性能的影响。

　　列车视频监控无线传输系统

　　现阶段，比较成熟且已经实现商用的高速无线接入系统主要采用基于IEEE802.11系列标准的无线局域网技术。通过比较，车地无线传输系统建议采用基于802.119标准的无线局域网系统，可对其技术和设备进行二次开发和改造，以满足城轨列车高速运行情况下视频传输的要求，以及城轨线路较差的使用环境。

　　城市轨道交通线路由车站和区间组成，一条线路一般有15-40座车站，线路长度在15-50Km之间。显然，在如此长的路径上配置纯粹的无线局域网是不现实的。因为目前802.11g标准的无线接入设备(秒)的信号覆盖范围仅为200rn左右(弯道时距离更短)，因此基本上一个区间就要设置几个AP点，这就决定了无线局域网络配置时要采用PCF模式(DCF模式一个AP对应一台终端设备)。采用PCF模式在每个车站设置一个“基站”，每个“基站”管理一个区间的所有AP设备，“基站”之间通过有线传输网络连接起来，构成整条线路的无线传输系统。因此，车地无线传输系统应该包括两部分：有线骨干传输网络和车地无线传输平台。

　　有线骨干传输网络

　　有线骨干传输网络为控制中心和车站之间提供视频监控图像的传输通道，并作为车地无线传输系统的骨干传输路由。骨干传输网络在各车站为车地无线传输平台提供接入端口，同时与控制中心和车站的闭路电视监控系统切换矩阵互联，使得列车内视频监控图像经车地无线传输平台后通过骨干网络传输至车站及控制中心的监视设备实时显示。

　　城轨在建设时一般会为后续的通信系统建设敷设冗余的光纤，配置骨干传输网络时可以使用这些预留的光纤，并在控制中心和各车站设置局域网交换机，通过光纤连接成为局域网。网络形式可以定为百兆以太网，也可以定为千兆以太网考虑到以后系统功能增加或改进的需求，骨干传输网络建议采用千兆以太网的形式。为增强网络的容错性和可靠性，连接网络时可采用单环冗余或者双环冗余。

　　车地无线传输平台

　　车地无线传输平台采用基于IEEE802.119标准的无线局域网技术产品，主要由中心无线网络交换机、车站无线接入交换机、光电转换器(或波分复用设备)、无线接入点(AP)和车载AP等设备构成。中心交换机设置于城市轨道交通控制中心，按双机互为备份模式工作，在其中一台出现故障时，所有AP的控制管理能自动切换到另一台交换机上。无线接入点(AP)使用单模光纤和光电转换器(或波分复用设备)在各车站通过车站无线网络交换机与骨干传输网络连接构成覆盖全线区间和车站的无线传输系统。车地无线传输平台的总体结构如图5所示。

　　结束语

　　安防已经变成了服务的网络，视频智能分析管理的行业化、定制化将给厂商带来新机会，从发展趋势来看，未来的视频监控技术的主流发展方向仍然是网络化、高清化、智能化和行业化，顺应这个发展趋势，必定能进一步开拓更加丰富的视频监控技术，为城市轨道交通安全服务。

　　作者单位：渤海石油通讯有限责任公司