鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)分析和應用研究

劉 倉

上海局集團有限公司上海通信段 上海 200000

隨著鐵路快速發(fā)展和通信技術的提升,綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路中應用也日益廣泛,能夠滿足鐵路系統(tǒng)中業(yè)務種類多、需求差異大、部門場所多樣的特點,同時能夠實現(xiàn)對鐵路沿線大規(guī)模覆蓋,在運輸安全中發(fā)揮著重要作用。本文以連鹽鐵路綜合視頻監(jiān)控為例,對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用進行討論分析。

1 系統(tǒng)概況

連鹽鐵路全長234公里,是“八縱八橫”高速鐵路網中“沿海通道”的重要組成部分。北起連云港南至鹽城,對構建南北鐵路運輸通道、密切沿海城市間聯(lián)系具有重要作用,同時結束了沿線連云港、鹽城兩地不通動車的歷史。為了保障鐵路運輸安全,連鹽鐵路規(guī)劃了鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)覆蓋了從連云港至鹽城的11個車站及區(qū)間節(jié)點,設置前端攝像頭設備進行視頻監(jiān)控。

連鹽鐵路綜合視頻監(jiān)控在設計初期的方案采用標清攝像頭,按照《中國鐵路總公司關于發(fā)布設計時速200公里及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設置有關補充標準的通知》(鐵總建設[2016]18號)要求,變更為高清攝像機,同時在基站和區(qū)間增設獨立鐵塔,實時對線路路基、橋梁進行監(jiān)控,優(yōu)化視頻采集點利用光纖接入到鄰近通信傳輸節(jié)點[1]。

2 系統(tǒng)組網結構

連鹽鐵路綜合視頻監(jiān)視系統(tǒng)由視頻核心節(jié)點、視頻區(qū)域節(jié)點、視頻接入節(jié)點和視頻采集點四部分組成。其中視頻核心節(jié)點設在鐵路總公司,連鹽鐵路接入到上海局視頻區(qū)域節(jié)點,本線設置視頻接入節(jié)點、視頻采集點設備和網管設備。(見圖1)

2.1 視頻接入節(jié)點 視頻接入節(jié)點分為Ⅰ類和Ⅱ類視頻接入節(jié)點兩類。I類接入節(jié)點用于實現(xiàn)視頻的接入、分發(fā)/轉發(fā),可實現(xiàn)視頻內容分析和與其他系統(tǒng)的互聯(lián)等,并對其接入的所有視頻信息和告警信息進行存儲。沿線在連云港車站設置Ⅰ類視頻接入節(jié)點設備,包含存儲服務器、管理服務器、分發(fā)轉發(fā)服務器、SA 服務器、防病毒服務器、網絡交換機、磁盤陣列、視頻管理終端、機柜等。

II類接入節(jié)點實現(xiàn)對相對分散的采集點的視頻接入、匯聚上傳,根據(jù)需要,可實現(xiàn)視頻內容分析、存儲。在贛榆北、贛榆、海州、董集、楊集、響水、濱?？h、阜寧東、射陽、鹽城北站設置Ⅱ類視頻接入節(jié)點,包含存儲服務器、分發(fā)轉發(fā)服務器、網絡交換機、磁盤陣列、機柜等,實現(xiàn)視頻的接入、分發(fā)/轉發(fā)、視頻內容分析和與其他系統(tǒng)的互聯(lián)等,并對其接入的所有視頻信息進行存儲。

2.2 視頻采集點 視頻采集點按照安裝位置不同采用不同功能高清攝像機。一是室內部分,主要在運轉室室內、通信信號機房內、通信基站內、信息防災機房、牽引供電及電力機房等處,采用高清一體化球機實現(xiàn)對重點區(qū)域的實時監(jiān)控。二是通信、信號機房外、基站及區(qū)間視頻鐵塔、車站咽喉區(qū)、區(qū)間線路路基、路基和橋梁結合部以及長短6km 以上橋梁等區(qū)段,采用高清長、短變焦槍機；在橋梁疏散通道采用室外定焦槍機?，F(xiàn)對重點區(qū)域的進行晝夜監(jiān)視。

前端設備包括攝像機(含護罩、鏡頭、云臺)、立柱/支架及相關配件、防雷接地裝置、電源裝置等。攝像機具有夜視、低照度、變焦、自動降溫、防護罩、高精度云臺,分辨率為1080P,支持H.264/MJPEG/MPEG4視頻壓縮算法,具有丟包網絡環(huán)境下圖像效果良好無明顯掉幀功能。

2.3 視頻監(jiān)視終端 視頻監(jiān)控終端具有對采集點視頻的調用功能。根據(jù)授權不同,各客戶端可實現(xiàn)對管轄區(qū)內遠程攝像機控制功能。視頻應用軟件基于通用的流媒體協(xié)議(RTSP/RTP/RTCP/RSVP),支持MPEG-X 及H.264等多種編解碼格式的視頻流傳輸,并具有平臺無關性。

視頻應用軟件主要包括用戶管理、權限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。支持對各種視頻設備資源、設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視及維護,通過軟件對系統(tǒng)設備參數(shù)進行配置,對系統(tǒng)用戶的注冊、認證、刪除及權限分配進行管理等功能。具有日志管理功能,能夠通過操作日志對操作人員進入、退出系統(tǒng)的時間和主要操作情況進行記錄,支持日志信息查詢和報表制作等功能。

圖1 連鹽鐵路綜合視頻系統(tǒng)圖

3 視頻監(jiān)控接入方案

綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由IP數(shù)據(jù)網承載。系統(tǒng)由基礎網絡平臺和接入平臺兩部分組成。視頻匯聚點的視頻信息通過傳輸網接入到所屬視頻接入節(jié)點；Ⅱ類視頻接入節(jié)點通過數(shù)據(jù)網接入到所屬I類視頻接入節(jié)點；Ⅰ類視頻接入節(jié)點通過數(shù)據(jù)網接入到視頻區(qū)域節(jié)點；視頻區(qū)域節(jié)點通過數(shù)據(jù)網接入到視頻核心節(jié)點。

各機房視頻采集點前端設備采用超五類非屏蔽雙絞線或光線加交換機方式接入各視頻匯聚點或接入節(jié)點；車站咽喉區(qū)、站臺、獨立立桿的橋梁救援疏散通道等處的視頻前端采集設備采用光纖直連方式就近接入視頻匯聚點或接入節(jié)點。區(qū)間視頻鐵塔處視頻前端采集設備采用光纖加交換機的方式就近接入視頻匯聚點或接入節(jié)點。

圖2 連鹽鐵路綜合視頻接入示意圖

4 系統(tǒng)功能和業(yè)務應用

4.1 系統(tǒng)功能 連鹽綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路中的應用,主要功能有以下幾種：1)監(jiān)控系統(tǒng)平臺支持B/S 或者C/S 的訪問。對系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)進行自動檢測。網管系統(tǒng)可以對圖像進行自動巡檢,發(fā)現(xiàn)視頻障礙會在告警信息欄中提示。2)支持NTP 時鐘同步協(xié)議,實現(xiàn)統(tǒng)一的時間校對。3)權限管理功能,對于各個操作人員來說,可以在自己的權限之內對圖像進行調用,也可以對系統(tǒng)中的相關參數(shù)進行修改。4)行為和移動偵測功能的分析。對于公跨鐵力較強和車站兩側來說,在物體外形檢測的基礎上,可以對檢測目標的運動、路線等進行跟蹤和告警。5)具有PTZ 控制功能,通過視頻客戶端能夠對云臺的旋轉方向進行控制,改變攝像機的大小、加熱開關、變倍程度、聚焦程度等等。6)環(huán)境適應性：采用防爆、防腐、防塵、防水工業(yè)化前端設備,滿足易爆、高溫、腐蝕等惡劣應用環(huán)境。7)高清數(shù)字化：全面實現(xiàn)高清圖像的應用,從前端采集、編碼傳輸、錄像存儲、解碼回放等各環(huán)節(jié)均實現(xiàn)高清化處理；采用全數(shù)字化架構方案,易部署、易管理、易維護；8)聯(lián)動功能,實現(xiàn)視頻與動環(huán)的聯(lián)動,同時可以控制機房內照明的開關[2]。

4.2 視頻監(jiān)控的業(yè)務應用 連鹽綜合視頻監(jiān)控為鐵路各部門提供視頻業(yè)務服務,能夠對現(xiàn)場圖像信息的共享,視頻監(jiān)控的業(yè)務使用部門主要有：1)調度部門。在路局調度中心為行車值班員、助理調度值班員配置了用戶監(jiān)視終端,可以對連鹽全線的車站行車室、咽喉區(qū)、公跨鐵立交橋等監(jiān)控點進行實時監(jiān)控,對異物或人員侵入等主動 發(fā)出報警信息,防止安全事故的發(fā)生。2)車務部門。在鐵路車站行車室設置視頻監(jiān)控終端,能夠實施查詢車站咽喉區(qū)列車到發(fā)及?？空厩闆r,保障行車安全。同時滿足車務對行車室內作業(yè)人員進行監(jiān)控。3)客運部門。通過用戶終端查詢,滿足客運部門對車站、站臺、檢票口、候車室等進行實時監(jiān)視和圖像調用。4)電務部門。在電務段、通信段設置用戶監(jiān)視終端,對通信/信號機房、基站機房、信號中繼站和正線線路巡視等進行實時監(jiān)視和圖像調用。5)工務部門。對正線線路、隧道口、車站咽喉區(qū)、救援疏散通道 等進行實時監(jiān)視和圖像調用,還可為工務部門提供公跨鐵立 交橋提供實時監(jiān)視落物情況。6)供電部門。在路局電調臺及沿線電力維護部門設置用戶監(jiān)視終端,對各電牽/電力節(jié)點、正線線路、隧 道口、車站咽喉區(qū)、公跨鐵立交橋等進行實時監(jiān)視和圖像調用。7)公安部門。為沿線公安派出所設置了用戶監(jiān)視終端,可對全線各監(jiān)控點進行實時監(jiān)視和圖像調用。

5 關鍵技術分析

5.1 視頻編碼技術 鐵路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛的應用得益于視頻編碼技術的提升。高清攝像頭的視頻數(shù)據(jù)沒有經過壓縮海量的,無法進行實時上傳和存儲。目前典型的視頻編碼壓縮標準MPEG-4和H.264能夠徹底解決此類問題。MPEG-4標準基于優(yōu)化的思想進行設計的,將先前標準中的某些技術加以改進。MPEG-4標準不僅僅給出了具體壓縮算法,它是針對數(shù)字電視、交互式多媒體應用、視頻監(jiān)控等整合及壓縮技術的需要而制定的。H.264,同時也是MPEG-4標準的第十部分,是由ITU-T 視頻編碼專家組提出的高壓縮率視頻編碼標準,比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標準最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比,在同等圖像質量的前提條件下,H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。如原始文件為88GB,MPEG-2壓縮結果為3.5GB,壓縮比為25∶1；而H.264壓縮結果為879MB,壓縮比102∶1。H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像。有利于對誤碼和丟包的處理,以滿足不同速率、不同解析度以及不同網絡傳輸、存儲場合的需求。連鹽鐵路視頻采用H.264編解碼技術。

5.2 頻存儲應用技術 存儲的部署應該是靈活的,可以選擇報警觸發(fā)存儲、預置時間表存儲、手動啟停存儲等；存儲的架構應該是主流架構如DAS、NAS、SAN 等,一般采用RAID5冗余方式。存儲的需求一般是正常錄像和報警錄像分開并設置不同周期,例如正常錄像15天,報警錄像30天。存儲系統(tǒng)的規(guī)劃設計應該根據(jù)項目需求情況、網絡情況進行部署。DAS和SAN 技術主要是進行“塊”存儲,更適合于視頻信息存儲,而DAS是以服務器為中心的存儲結構,采用存儲設備直接和服務器連接,資源利用率較低；SAN 是以網絡為中心的存儲結構,主要采用光纖通道或TCP/IP 網絡將存儲系統(tǒng)網絡化,資源利用率高,可靠性較高。因此,連鹽視頻系統(tǒng)選擇采用了IP SAN 的存儲技術。

連鹽鐵路視頻存儲采用在每個車站設置II類節(jié)點視頻存儲服務器和磁盤陣列。視頻監(jiān)控節(jié)點的存儲容量計算公式為：容量=視頻路數(shù)*碼流/8*監(jiān)控天數(shù)*24小時*3600秒。公式為：T(TB)=N*S/8*D*24*3600/1024/1024。其中：T 為存儲容量；N 為攝像頭個數(shù)；S為視頻圖象碼流(6Mbit/s)；D 為存儲天數(shù)。按每個視頻監(jiān)控節(jié)點50個攝像頭,攝像每路存儲時間15天考慮,所需要視頻存儲為46.3TB,考慮20%冗余備份,視頻節(jié)點存儲容量平均容量60TB考慮。

5.3 行為分析技術 鐵路的特點是系統(tǒng)跨度大、地理分布廣,視頻監(jiān)控是對圖象顯示內容的監(jiān)控。需要對監(jiān)控設定區(qū)域,對目標進入、離開時在網管監(jiān)控側進行報警。鐵路運用需求主要有：對目標穿越鐵路行為進行跟蹤；可根據(jù)現(xiàn)場需要靈活設定預報警區(qū)和報警區(qū)；對違反設定的通行規(guī)則逆向通行報警。

目前視頻分析技術主要有兩種架構方式,一種是基于后端服務器的方式,另外一種是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式,即分布式智能分析架構下,視頻分析單元一般位于視頻采集設備附近,這樣可以有選擇地設置系統(tǒng),讓系統(tǒng)只有在報警發(fā)生的時候才傳輸視頻到控制中心或存儲中心,相對于服務器方式,可節(jié)省網絡負擔及存儲空間。視頻分析是復雜的過程,需要占用大量的系統(tǒng)計算資源,因此服務器方式可以同時進行視頻分析的路數(shù)非常有限?；谝陨显?目前市場上主流視頻分析技術多采用DSP方式,基于攝像機或編碼器。需要注意的是,基于前端DSP方式的視頻分析設備,一旦需要調整視頻分析點位,如增加或取消視頻分析功能,則通常需要更換DVS或IPC,而基于后端分析的模式則客運直接在機房或控制中心調整完成,無需更換前端硬件。結合鐵路視頻的視頻分析需求,連鹽視頻系統(tǒng)選擇采用前端視頻分析技術。

5.4 冗余可靠性技術 高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具有高可靠性,以實現(xiàn)對不同部門的運營、安全、維護等各個需求支持。對于網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng),可以采用不同的冗余方式來增強穩(wěn)定性,從前端編碼器、傳輸網絡到轉發(fā)服務器、管理服務器及存儲系統(tǒng),均可實現(xiàn)冗余技術。同時提供高安全性,系統(tǒng)提供用戶接入認證、前端設備接入認證,完備的分級權限管理；視頻錄像引入數(shù)字簽名處理,防止數(shù)據(jù)篡改。高數(shù)據(jù)安全性,監(jiān)控中心配置的存儲設備支持RAID 0、1、5等多種安全冗余格式,數(shù)據(jù)存儲容量大,存儲時間長,若硬盤壞掉后可直接啟用熱備盤,不會丟失錄像數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)安全性高,真正實現(xiàn)7*24無間斷工作。

6 結語

隨著信息技術的迅速發(fā)展,視頻監(jiān)控在鐵路的運用會日益廣泛,發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能還需不斷提高,解決好視頻監(jiān)控對運輸安全的保障是需要堅持不懈的探索。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用是系統(tǒng)工程,逐步在向智能化發(fā)展,充分利用監(jiān)控系統(tǒng)和鐵路各維護管理部門相互聯(lián)動,完善視頻行為分析告警功能,用科技手段解決運維的問題,將會把視頻監(jiān)控的運用范圍將逐步擴大、功能也將發(fā)揮越強。