分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路站前工程的應(yīng)用與研究

魯 帥，侯繼偉，高春風(fēng)，李 戈

（1. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308；2.天津市開發(fā)區(qū)振泰科技有限公司，天津 300457）

隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，對(duì)施工安全的管理需求也日益提高[1-3]。以往鐵路施工的安全管理集中在工點(diǎn)本地化管理，采用本地視頻監(jiān)控手段，建設(shè)單位和總承包單位采用定期或不定期的方式檢查施工現(xiàn)場。但是工點(diǎn)本地化管理無法實(shí)時(shí)有效地為建設(shè)單位和總承包單位提供統(tǒng)一的管理手段，同時(shí)，鐵路站前施工沿線長、交通惡劣、控制性工程分散，如何更加有效地保證施工安全，及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件，是建設(shè)單位和工程總承包單位必須要考慮和解決的問題。

分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用分布式架構(gòu)，能夠方便地?cái)U(kuò)容和部署，網(wǎng)絡(luò)可用的情況下能夠在任意地點(diǎn)快速構(gòu)建視頻監(jiān)控。在分布式網(wǎng)絡(luò)部署的方式下，系統(tǒng)還可以集成鐵路工程管理平臺(tái)、可以與報(bào)警聯(lián)動(dòng)等[4-6]。采用基于IPSec的虛擬專網(wǎng)（VPN）技術(shù)，能夠保證數(shù)據(jù)的安全及鏈路可靠性，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用[7]。

文獻(xiàn)[8]中提出了通過分布式云架構(gòu)技術(shù)解決鐵路客運(yùn)站應(yīng)急指揮一體化不足的問題。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中，從基本架構(gòu)、部署方案、業(yè)務(wù)運(yùn)行、高可用等方面提出了一套分布式的鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。目前，研究鐵路運(yùn)營后的鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)急指揮系統(tǒng)比較多，而在鐵路站前工程上的研究非常少，本文在總結(jié)了既有的研究基礎(chǔ)上，基于高速鐵路站前工程，對(duì)分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，分析了系統(tǒng)的架構(gòu)和施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控接入的部署方式，并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)，研究了與其他系統(tǒng)的集成與聯(lián)動(dòng)。

1 分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體分為項(xiàng)目部監(jiān)控終端、指揮部控制中心、標(biāo)段監(jiān)控終端和工點(diǎn)采集終端4部分。4個(gè)部分均可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的圖像進(jìn)行監(jiān)視和控制，監(jiān)視功能相互獨(dú)立。

（1）項(xiàng)目部配置終端設(shè)備，終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與指揮部服務(wù)器通信，獲取監(jiān)控視頻的碼流，監(jiān)視全線的圖像。

（2）指揮部監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心機(jī)房設(shè)置流媒體服務(wù)器、中心級(jí)視頻網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備（CVR），用于系統(tǒng)的調(diào)度、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理以及視頻圖像的存儲(chǔ)；在監(jiān)控室設(shè)置終端設(shè)備及大屏顯示設(shè)備，對(duì)全線系統(tǒng)內(nèi)的圖像進(jìn)行輪巡查看。

（3）標(biāo)段配置終端設(shè)備，終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與指揮部服務(wù)器通信，獲取監(jiān)控視頻的碼流，監(jiān)視本標(biāo)段的圖像。

（4）工點(diǎn)設(shè)置視頻采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像設(shè)備（NVR ）及監(jiān)控終端，采集在本地存儲(chǔ)監(jiān)控圖像，同時(shí)，通過互聯(lián)網(wǎng)將視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至指揮部監(jiān)控中心。

另外，可以通過手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與指揮部服務(wù)器通信，查看監(jiān)控視頻。系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 視頻顯示與控制

視頻顯示和控制是系統(tǒng)的核心功能，主要包括：單畫面和多畫面模式切換瀏覽，支持全屏、窗口切換瀏覽；多用戶同時(shí)監(jiān)控相同或不同的實(shí)時(shí)視頻；監(jiān)控人員可以控制視頻采集端的云臺(tái)；根據(jù)監(jiān)控場景不同配置采集分辨率不同的視頻；監(jiān)控視頻的輪巡播放；抓拍圖像；自動(dòng)彈出告警信息；對(duì)多人查看同一監(jiān)控視頻的性能優(yōu)化等。

1.2.2 視頻儲(chǔ)存與回放

視頻的存儲(chǔ)采用工點(diǎn)存儲(chǔ)與指揮部存儲(chǔ)相結(jié)合的方式，工點(diǎn)的視頻在前端NVR存儲(chǔ)30天的數(shù)據(jù)，指揮部將所有工點(diǎn)的視頻在服務(wù)器存儲(chǔ)10天的數(shù)據(jù)。前端NVR的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主要是給本地工點(diǎn)回放視頻使用。標(biāo)段、指揮部及項(xiàng)目部回放的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在指揮部的視頻數(shù)據(jù)，用戶根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)、事件等多種條件進(jìn)行檢索和回放，播放抓拍，快照檢索，多用戶同時(shí)調(diào)用和檢索歷史視頻等。

1.2.3 用戶和權(quán)限管理

為保證標(biāo)段及工點(diǎn)只能查看本區(qū)域的監(jiān)控視頻，對(duì)所有的用戶進(jìn)行統(tǒng)一的、唯一的標(biāo)識(shí), 管理用戶負(fù)責(zé)為每個(gè)合法用戶分配相應(yīng)的權(quán)限；不同級(jí)別的權(quán)限之間采用級(jí)別優(yōu)先的操作原則，同級(jí)權(quán)限之間的操作采用時(shí)間優(yōu)先原則對(duì)視頻進(jìn)行查看和控制；按照區(qū)域劃分管理群組，用戶通過分組和管理權(quán)限實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視區(qū)域的監(jiān)視等。

1.2.4 分布式視頻監(jiān)控

系統(tǒng)采用分布式的結(jié)構(gòu)，施工工點(diǎn)的本地監(jiān)控不受網(wǎng)絡(luò)條件的影響，即本地監(jiān)控是自治的，監(jiān)控視頻會(huì)在本地存儲(chǔ)，是事后取證的主要信息來源。施工工點(diǎn)的視頻監(jiān)控通過網(wǎng)絡(luò)與指揮部監(jiān)控中心連接，施工工點(diǎn)會(huì)受到指揮部的統(tǒng)一監(jiān)控與管理，指揮部存儲(chǔ)近期的全線監(jiān)控工點(diǎn)的視頻信息。個(gè)別工點(diǎn)系統(tǒng)如果發(fā)生故障，不會(huì)影響該系統(tǒng)的正常服務(wù)，待故障排除后能夠很快接入到統(tǒng)一監(jiān)控中。施工標(biāo)段與項(xiàng)目部通過互聯(lián)網(wǎng)接入部署在指揮部的流媒體服務(wù)器查看工點(diǎn)的監(jiān)控視頻。

1.2.5 與其它系統(tǒng)的集成

鐵路站前工程會(huì)涉及到很多應(yīng)用系統(tǒng)，而該系統(tǒng)非封閉性的系統(tǒng)，可以與其它系統(tǒng)集成。如將視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成到鐵路建設(shè)工程管理平臺(tái)中、與施工現(xiàn)場報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、與隧道人員定位系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等。

1.3 前端部署

考慮到前端工點(diǎn)現(xiàn)場環(huán)境的特殊性和多樣性，將前端點(diǎn)位場景分為3類，隧道口、梁場，車站、路基、大橋，隧道掌子面。

（1）隧道口、梁場

選用200萬像素一體化球機(jī)。采用5 m立桿進(jìn)行攝像機(jī)安裝。攝像機(jī)支持23倍電動(dòng)變焦。

（2）車站、路基、大橋

選用大變倍的200萬像素一體化球機(jī)。采用5 m立桿進(jìn)行攝像機(jī)安裝。攝像機(jī)支持30倍電動(dòng)變焦。支持透霧和電子防抖。

（3）隧道掌子面

由于隧道內(nèi)粉塵、濕度較大、亮度低的情況，且存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，因此選用防爆一體化球機(jī)。隧道掌子面屬于動(dòng)態(tài)作業(yè)面，隨隧道不斷掘進(jìn)，作業(yè)面逐漸深入，攝像機(jī)安裝時(shí)必須采用移動(dòng)式點(diǎn)位。本方案將攝像機(jī)安裝在掌子面臺(tái)車上，臺(tái)車隨隧道掘進(jìn)不斷向前推進(jìn)，且距離爆破面有一定保護(hù)距離。現(xiàn)場一般有2～3個(gè)臺(tái)車，第1個(gè)臺(tái)車主要起防護(hù)作用，上方架設(shè)防護(hù)網(wǎng)主要阻擋定向爆破產(chǎn)生的飛石保護(hù)后方的各類管線，第2、第3個(gè)臺(tái)車主要起到架設(shè)管道、電纜、照明器具等作用。因此選擇將攝像機(jī)安裝于第2個(gè)臺(tái)車上既可以隨臺(tái)車跟隨作業(yè)面不斷推進(jìn)起到監(jiān)視到施工作業(yè)面的作用，又可以從照明供電上取得穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

前端視頻監(jiān)控部署架構(gòu)，如圖2所示。

1.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

1.4.1 建設(shè)方案

傳輸共分為2個(gè)部分：攝像機(jī)至工點(diǎn)的接入層傳輸；工點(diǎn)、標(biāo)段、指揮部、項(xiàng)目部間的級(jí)聯(lián)傳輸。

（1）攝像機(jī)至工點(diǎn)的接入層傳輸

現(xiàn)場具備線纜直連，距離100 m以內(nèi)，通過網(wǎng)線直接接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；

現(xiàn)場具備線纜直連，距離超出100 m，通過敷設(shè)光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸；

現(xiàn)場不具備線纜直連，干擾源相對(duì)可控，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線網(wǎng)橋接入方式。

（2）工點(diǎn)、標(biāo)段、指揮部、項(xiàng)目部間的級(jí)聯(lián)傳輸

鐵路站前工程的工點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)搭建條件是非常惡劣的，所以工點(diǎn)應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況采用多種互聯(lián)網(wǎng)接入方式。工點(diǎn)可以采用無線網(wǎng)橋+專線、無線網(wǎng)橋+ADSL、4G等多種方案，連接當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)資源，經(jīng)虛擬專用網(wǎng)（VPN）加密傳送數(shù)據(jù)至指揮部。

指揮部采用固定IP接入方式，接入VPN，經(jīng)由邊界防火墻進(jìn)行路由設(shè)定和病毒防護(hù)，再接入整個(gè)系統(tǒng)的核心交換層。

1.4.2 視頻傳輸方式優(yōu)化

（1）視頻編解碼

目前，視頻編解碼的主流標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-4和H.264。本方案采用最新的H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.265與H.264相比提升了壓縮效率、魯棒性及錯(cuò)誤恢復(fù)能力，降低了實(shí)時(shí)遲延、信道獲取時(shí)間、隨機(jī)接入遲延、復(fù)雜度等，旨在“在帶寬有限的環(huán)境下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻”，H.265只需要H.264的一半帶寬即可傳輸質(zhì)量近乎相同的視頻。

（2）雙碼流

采用一路高碼率的碼流用于本地高清存儲(chǔ)，保證本地圖像的質(zhì)量，同時(shí)采用一路低碼率的碼流用于4G傳輸。這樣既能保證不損失本地視頻的質(zhì)量，同時(shí)也保證了指揮部視頻的流暢性。

（3）降低幀頻率

由于指揮部更加關(guān)注監(jiān)控視頻的穩(wěn)定性和連續(xù)性，所以在4G傳輸下可以通過降低一定的幀頻率，減少傳輸數(shù)據(jù)，降低4G的流量使用從而節(jié)約投資，保證傳輸數(shù)據(jù)的效果。

1.4.3 掌子面的網(wǎng)絡(luò)傳輸

隧道掌子面的網(wǎng)絡(luò)傳輸如采用有線方式，則需要預(yù)留足夠長度的線纜，且隨掌子面推進(jìn)需要人為進(jìn)行線纜的延放，費(fèi)工費(fèi)料。本方案采用了抗干擾無線網(wǎng)橋很好地解決了這一問題，在隧道口安裝網(wǎng)橋接收端，在臺(tái)車攝像機(jī)安裝位置后方安裝網(wǎng)橋發(fā)射端。如隧道過長或開挖中有一定的角度彎曲，會(huì)對(duì)無線網(wǎng)橋的信號(hào)傳輸產(chǎn)生一定的影響，采用在一定距離或者隧道彎曲點(diǎn)安裝無線中繼器，可起到信號(hào)加強(qiáng)和中轉(zhuǎn)的作用。

1.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心建設(shè)和部署在指揮部，是系統(tǒng)的核心與大腦，指揮部的安全質(zhì)量部門在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控各控制工程的施工現(xiàn)場情況。監(jiān)控中心系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

監(jiān)控中心是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)視頻圖像資源的匯聚，并對(duì)視頻圖像資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。其中，存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)視頻圖像資源的存儲(chǔ)及調(diào)用；監(jiān)控平臺(tái)完成視頻解碼上墻和圖像的拼接控制；大屏采用LCD拼接屏。監(jiān)控中心客戶端通過局域網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)集成與聯(lián)動(dòng)

2.1 與第三方應(yīng)用系統(tǒng)集成

鐵路站前工程會(huì)涉及到很多應(yīng)用系統(tǒng)，有時(shí)需要將視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成到第三方的應(yīng)用系統(tǒng)中，如中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工管中心要求將視頻監(jiān)控系統(tǒng)納入到鐵路建設(shè)工程管理平臺(tái)中，則需要視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供相應(yīng)的接口。接口調(diào)用的主要流程，如圖4所示。

其中，虛線框的流程是可選部分，不會(huì)影響其他流程和模塊的功能使用。按實(shí)現(xiàn)功能的不同可以分成5個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能時(shí)，初始化軟件開發(fā)工具包（SDK）、用戶注冊設(shè)備、注銷設(shè)備和釋放SDK資源這4個(gè)流程是必不可少的。

（1）初始化SDK（NET_DVR_Init）：對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)SDK系統(tǒng)的初始化，內(nèi)存預(yù)分配等操作。

（2）用戶注冊設(shè)備（NET_DVR_Login）：實(shí)現(xiàn)用戶的注冊功能，注冊成功后，返回的用戶ID作為其他功能操作的唯一標(biāo)識(shí)。

（3）預(yù)覽模塊：從設(shè)備獲取實(shí)時(shí)碼流，解碼顯示以及播放控制、抓圖等功能。

（4）回放和下載模塊：可以通過按時(shí)間和按文件名的方式遠(yuǎn)程回放或者下載設(shè)備的錄像文件，后續(xù)可以進(jìn)行解碼或者存儲(chǔ)。

（5）語音對(duì)講轉(zhuǎn)發(fā)模塊：實(shí)現(xiàn)和設(shè)備的語音數(shù)據(jù)對(duì)講和語音數(shù)據(jù)獲取，音頻編碼格式可以指定。

（6）報(bào)警模塊：處理設(shè)備上傳的各種報(bào)警信號(hào)。

（7）云臺(tái)控制模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的基本操作、預(yù)置點(diǎn)、巡航、軌跡和云臺(tái)的控制。

2.2 與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

報(bào)警信號(hào)由報(bào)警單元產(chǎn)生，報(bào)警單元主要指報(bào)警信號(hào)的發(fā)生設(shè)備，為監(jiān)控系統(tǒng)提供報(bào)警信息。通常報(bào)警設(shè)備有紅外、煙感、溫感和緊急按鈕等，報(bào)警設(shè)備提供開關(guān)量輸出，由前端編碼器接受開關(guān)量信號(hào)并將該信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)報(bào)警區(qū)域，在監(jiān)控終端自動(dòng)彈出相關(guān)視頻畫面，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)與報(bào)警聯(lián)動(dòng)。與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖，如圖5所示。

2.3 與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

在隧道內(nèi)部署定位基站，為施工人員佩戴定位標(biāo)簽。當(dāng)隧道施工人員進(jìn)入隧道后，在任何時(shí)間任意位置，定位基站都可以感應(yīng)到信號(hào)，并將信號(hào)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器，將位置信息實(shí)時(shí)在大屏顯示，并在服務(wù)器進(jìn)行備份。與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，如圖6所示。

3 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路站前工程有了更多提升管理水平的途徑和手段。本文研究的基于VPN的分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)已在某新開工點(diǎn)部署和搭建，試運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足建設(shè)單位和工程總承包單位的管理需求。

通過該系統(tǒng)，建設(shè)和總承包單位可以對(duì)隧道口、掌子面、車站、路基、大橋及梁場等施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地解決了現(xiàn)場檢查不便的問題，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除各種安全隱患，實(shí)時(shí)了解施工進(jìn)度和施工情況，為隧道施工多發(fā)的崩塌、突水涌砂、瓦斯爆炸等事故的分析提供錄像依據(jù)，為現(xiàn)場管理提供依據(jù)。本文為今后鐵路站前工程建設(shè)的施工安全管理提供了參考。