高铁网络视频监控系统中的关键技术解析

    高速铁路不同于一般的铁路系统，高铁本身即是一个系统化、集成化的大型工程，仅通信部门就涉及到10多个子系统，包括有线、数据、传输、调度、应急通信、视频监控等等。高铁与普通铁路或地铁区别很大，例如地铁通常时速在60公里左右，列车间隔约在3分钟，而高铁时速可能达到300公里，但时间间隔可能与地铁差不多，这就对高铁的通信指挥系统提出了很高的要求，同时，作为一个重要的辅助设施，视频监控系统的要求也相应的非常高。

　　1.高铁视频监控系统特点

　　高铁的视频监控系统，要求采用先进的视频监控技术，基于铁路系统的IP网络，构建数字化、智能化、分布式的网络视频监控系统，满足公安、安监、客运、调度、车务、机务、工务、电务、车辆、供电等业务部门及防灾监控、救援抢险和应急管理等多种需求，实现视频网络资源和信息资源共享。高铁视频监控系统一般基于网络架构，实现视频的采集、编码压缩存储、转发及虚拟矩阵的功能。摄像机采集到视频信号通过同轴电缆连接到DVR或编码器，实现视频的采集、编码压缩和传输，PTZ摄像机的控制信号通过RS485进行传输；编码器将视频流通过网络发送到NVR进行集中存储备份；存储服务器可以将DVR或NVR的视频资料进行重点备份；流媒体服务器可以在多个用户访问时进行集中视频转发而减少网络及前端设备的压力；解码器与电视墙连接，实现视频的集中大屏幕显示还原。

　　2.视频分析技术

　　高铁的特点是系统跨度大、地理分布广，视频分析的环境复杂，风霜雨雪雾、摄像机抖动、火车灯光、城市灯光、昆虫、云影等现象均是视频分析可能会遇到的问题，良好的VCA系统应该能够很好地平衡漏报与误报之间的问题。铁路不同于实验室，对摄像机的任何角度、焦距等调整均需要一定的人力、物力，视频分析对场景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不断调整确。因此，不难理解多数视频监控系统的视频分析摄像机采用的也是PTZ摄像机而不是固定摄像机了。分析模式固定后，摄像机FOV调整好，需要进入分析设置，通常，一路摄像机视频只能进行一个模式。在铁路应用中，主要有两种VCA模式，一种是在重要区段及咽喉区设置入侵探测，用来识别人或动物入侵到高铁路轨(高铁沿线多半封闭或栅栏保护等物理方式，但还是有可能有入侵进入)；公跨铁区域设置高空落物分析，防止高空落物对列车运行产生影响。目前这两个视频分析应用模式在铁路视频监控中均有一定应用并表现良好。

　　目前视频分析技术主要有两种架构方式，一种是基于后端服务器的方式，另外一种是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式，即分布式智能分析架构下，视频分析单元一般位于视频采集设备附近，这样可以有选择地设置系统，让系统只有在报警发生的时候才传输视频到控制中心或存储中心，相对于服务器方式，可节省网络负担及存储空间。视频分析是复杂的过程，需要占用大量的系统计算资源，因此服务器方式可以同时进行视频分析的路数非常有限。基于以上原因，目前市场上主流视频分析技术多采用DSP方式，基于摄像机或编码器。需要注意的是，基于前端DSP方式的视频分析设备，一旦需要调整视频分析点位，如增加或取消视频分析功能，则通常需要更换DVS或IPC，而基于后端分析的模式则客运直接在机房或控制中心调整完成，无需更换前端硬件。通常更换DVS或IPC方式，在铁路项目中的成本非常高。

　　3.冗余技术(可靠性)

　　高铁视频监控系统需要具有高可靠性，以实现对不同部门的运营、安全、维护等各个需求支持。对于网络视频监控系统，可以采用不同的冗余方式来增强稳定性，从前端编码器、传输网络到转发服务器、管理服务器及存储系统，均可实现冗余技术。

　　·编码器

　　编码器可以采用双电源、双网卡方式增强稳定性；或者采用“N+1”冗余方式增强可靠性，以保证单机故障或更换设备时系统可以连续运行。

　　·NVR

　　NVR可采用“N+1”冗余增强可靠性，以保证单机故障或更换设备时系统连续运行。

　　·CMS

　　CMS可以采用“双机冗余热备”方式增强稳定性，以保证系统无停机运行。

　　·存储

　　存储系统可以采用磁盘阵列的RAID技术实现高可靠数据存储。

　　完全冗余的网络视频监控系统架构所示，从前端设备IPC、DVS、传输网络、NVR、存储设备NVR、核心管理平台CMS都实现了冗余功能，保证了系统24小时高可靠运行，减少了因为网络、电源、硬件、存储、软件等故障而导致的系统停机或数据丢失。

　　IPC是单体设备，提高稳定性的办法是在网络短暂中断时进行本地存储；对于大路数DVS，可以采用“N+1”方式进行冗余，防止单体设备软硬体失效；对于 NVR，可以采用“N+1”方式进行备份，防止单体设备软硬体失效；对于存储设备，可采用成熟的RAID技术实现冗余保护；对于网络，可以采用“双网络” 实现高可靠性数据传输；对于CMS，采用双机热备方式，双机共享RAID磁盘阵列，实现冗余。[page]

      视频编码压缩是网络视频监控的前提和基础，没有经过压缩的视频数据是海量的。目前典型的视频编码压缩标准是MPEG-4和H.264。MPEG-4标准采用的仍然是类似以前标准(H.261/3和MPEG-1/2)的基本编码框架，即典型的三步：预测编码、变换量化和熵编码。新的压缩编码标准都是基于优化的思想进行设计的，将先前标准中的某些技术加以改进。例如在原来的基础上提出1/4和1/8像素精度的运动补偿技术，使得预测编码的性能大大提高。MPEG-4标准不仅仅给出了具体压缩算法，它是针对数字电视、交互式多媒体应用、视频监控等整合及压缩技术的需要而制定的。MPEG-4将多种多媒体应用集成在一个完整的框架里，为不同的应用提供了相应的类别(Profile)和档次(Level)。H.264，同时也是MPEG-4标准的第十部分，是由ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)联合组成的联合视频组(JVT，JointVideoTeam)提出的高压缩率视频编码标准。和以前的标准一样，H.264也是采用预测编码加变换编码的混合编码模式，它集中了以往各个编码标准的优点，并吸收了标准制定过程中积累的经验，获得了比以往其他编码方式好得多的压缩性能。H.264标准最大的优势是具有很高的数据压缩比，在同等图像质量的前提条件下，H.264编码的压缩比是 MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理，以满足不同速率、不同解析度以及不同网络传输、存储场合的需求。

　　在网络视频监控系统中，产品间的互编互解能力是非常重要的，可以降低系统的集成难度，便于扩展并保护成本。目前，不同厂商设备互编互解情况并不理想，也就是说兼容性不好。主要原因是不同厂家采用的编码的标准规范(profile)及等级(level)不同，另外数据封装格式不兼容，其次是加入的私有信息 (在基本码流/包)。

　　4.视频存储应用技术

　　存储的部署应该是灵活的，可以选择报警触发存储、预置时间表存储、手动启停存储等；存储的架构应该是主流架构如DAS、NAS、SAN等，一般采用 RAID5冗余方式。存储的需求一般是正常录像和报警录像分开并设置不同周期，例如正常录像7天，报警录像30天。存储系统的规划设计应该根据项目需求情况、网络情况进行部署。

　　应支持对视频图像信息的手动备份存储；视频信息的录像存储、事件触发存储和计划存储功能；系统应支持用户根据时间、地点、事件等多种条件进行检索和回放；系统应支持多用户同时调用检索视频图像；DVR、NVR可以工作在多种存储归档模式下；系统应支持下载到本地回放录像和远程直接回放录像的方式。

　　视频归档存储服务(二级存储、告警存储)具有如下特点：

　　·存储架构是完全独立的二级架构；

　　·归档服务器(Archive Server)通常分“重要视频归档”及“报警视频归档”；

　　·归档服务器(Archive Server)可以在网络的任何位置部署；

　　·一个归档服务器(Archive Server)可以对多个DVR或NVR进行归档；

　　·用户无需指定从DVR或NVR或Archive Server回放录像，系统会自动索引；

　　·可以选择对一个DVR或NVR的某部分通道进行归档。

　　5.综合视频平台

　　系统软件平台包括核心数据部分和客户端工作站，核心数据服务器包含系统数据库及核心软件，而工作站系统应包括用户管理、权限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平台应支持对各种视频设备资源、设备的运行状态进行监视及维护，通过软件对系统设备参数进行配置，对系统用户的注册、认证、删除及权限分配进行管理等功能。系统应具有日志管理功能，能够通过操作日志对操作人员进入、退出系统的时间和主要操作情况进行记录，支持日志信息查询和报表制作等功能。

　　数据管理：全线所有设备的类型、版本、数量、编号的集中“登记注册”于数据库；监视功能：对全线所有监控网点可通过网络进行实时图像调用，为领导应急指挥和决策调度时显示提供参考；网管功能：对全线所有监控系统的网元设备运行情况进行监控和管理，实时显示各种设备的运行数据和告警信息；告警管理：记录并显示设备、系统和通信部分的告警，记录告警处理情况，可以导出；控制功能：对全线所有监控网点的PTZ控制及继电器输出节点控制；语音对讲：对前端安装语音设备的监控点，实现实时语音对讲，单向“喊话”功能；数据存储：支持视频的本地存储和中心备份，具有多种自动、手动存储方式。