地鐵全I(xiàn)P高清電視監(jiān)控解決方案

文│華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 劉燕平

地鐵全I(xiàn)P高清電視監(jiān)控解決方案

文│華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 劉燕平

1 前言

當(dāng)前很多城市都在轟轟烈烈建設(shè)地鐵，然而地鐵從運(yùn)營(yíng)管理、治安管理都需要高清監(jiān)控圖像，但現(xiàn)在地鐵電視監(jiān)控基本上還是模擬監(jiān)控，看不清細(xì)節(jié)。而高清電視監(jiān)控技術(shù)已日益成熟，高清監(jiān)控設(shè)備的成本也在逐漸下降，高清監(jiān)控尤其適合在地鐵人流密集的地方，既能看清宏觀又能看清細(xì)節(jié)，將在今后的地鐵監(jiān)控中廣泛應(yīng)用。

2 高清電視監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在安全防范的高清電視監(jiān)控參考我國(guó)廣播電視標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定清晰度電視（SDTV）的分辨率為720×576像素（D1分辨率），而高清晰度電視（HDTV）的分辨率為1920×1080像素，準(zhǔn)高清1280×720像素。

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)多以模擬攝像機(jī)及監(jiān)視器的可分辨線數(shù)（TV Line）來(lái)表示，水平分辨率為480線、540線或580線的攝像機(jī)就宣稱為高清，它是指攝像機(jī)在拍攝垂直黑白線條時(shí)，在水平方向相應(yīng)垂直屏高的區(qū)間內(nèi)所能分辨出的黑白線條數(shù)，在傳統(tǒng)數(shù)模結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)里，模擬圖像經(jīng)數(shù)字編碼CIF分辨率352×288=10.14萬(wàn)像素，4CIF分辨率704×576=40.55萬(wàn)像素，D1分辨率720×576=41.47萬(wàn)像素。

高清晰度電視（HDTV）的分辨率為1920×1080=207.36萬(wàn)像素，準(zhǔn)高清1280×720=92.16萬(wàn)像素。

從上述可以看出，如果是100多萬(wàn)像素的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是準(zhǔn)高清，如果200多萬(wàn)像素的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，那么一臺(tái)準(zhǔn)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)相當(dāng)于兩臺(tái)模擬標(biāo)清攝像機(jī)，一臺(tái)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)就相當(dāng)于五臺(tái)模擬標(biāo)清攝像機(jī)。

能達(dá)到200萬(wàn)像素的攝像機(jī)，配套以1080p分辨率的顯示設(shè)備及相應(yīng)的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的電視監(jiān)控系統(tǒng)。

3 地鐵高清電視監(jiān)控架構(gòu)

地鐵電視監(jiān)控特點(diǎn)：每個(gè)車站平均配置有60臺(tái)左右監(jiān)控?cái)z像機(jī)，運(yùn)營(yíng)車站綜合控制室和公安值班室由于空間小，運(yùn)營(yíng)控制室一般配置兩臺(tái)監(jiān)視器，一臺(tái)監(jiān)控終端，公安值班室一般配置四臺(tái)監(jiān)視器，一臺(tái)監(jiān)控終端。每條地鐵線路控制中心有12塊左右大屏拼接電視墻，但常用顯示監(jiān)控圖像有4塊左右，剩余監(jiān)視器顯示其他信號(hào)，有3臺(tái)監(jiān)控終端，線路派出所12塊監(jiān)視器基本上顯示監(jiān)控圖像，有3臺(tái)監(jiān)控終端。在每個(gè)車站進(jìn)行圖像存儲(chǔ)，而運(yùn)營(yíng)控制室和公安值班人員也不是時(shí)時(shí)刻刻盯著監(jiān)視器監(jiān)控圖像，還要做其他工作，所以監(jiān)控圖像主要起到的作用是事后調(diào)看監(jiān)控錄像，因此基本不需要無(wú)延時(shí)的監(jiān)控圖像，而且圖像傳輸和控制延遲約200ms～300ms，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)和公安電視監(jiān)控功能沒(méi)有影響。但面對(duì)恐怖襲擊，需要高清監(jiān)控錄像，系統(tǒng)有高可靠性、可用性、可維護(hù)性。監(jiān)控終端通過(guò)軟解碼調(diào)看監(jiān)控圖像和錄像回放，錄像需要采用H.264編碼壓縮。所以面對(duì)上述特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)采用全I(xiàn)P監(jiān)控方案是性價(jià)比最高的。如圖1所示。

4 高清攝像機(jī)

現(xiàn)在前端數(shù)字?jǐn)z像機(jī)有兩種，一種是采用HD-SDI高清攝像機(jī)；另一種是IP高清攝像機(jī)，SDI接口是一種“數(shù)字分量串行接口”，而HD-SDI接口是一種廣播級(jí)的高清數(shù)字輸入和輸出端口。其中HD表示高清信號(hào)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)分辨率為1080p，幀率為25或者30，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量為1.485Gbps。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換后不經(jīng)過(guò)壓縮的原始數(shù)據(jù)量是很大的，如果不經(jīng)過(guò)壓縮，如此大的數(shù)據(jù)量是IP網(wǎng)絡(luò)根本無(wú)法承載的，同時(shí)如果直接存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量十分驚人。HD-SDI接口采用同軸電纜，以BNC接口作為線攬標(biāo)準(zhǔn)，有效距離為100m，但需要高級(jí)別的同軸電纜和BNC頭才能基本保證視頻效果。

IP就是網(wǎng)際協(xié)議，IP高清攝像機(jī)除了具備一般傳統(tǒng)攝像機(jī)所有的圖像捕捉功能外，機(jī)內(nèi)還內(nèi)置了數(shù)字化H.264壓縮控制器和基于Web的操作系統(tǒng)，通過(guò)局域網(wǎng)、Internet或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送至終端用戶，IP高清攝像機(jī)只需一根網(wǎng)線便可以直接接入到TCP/IP的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行視頻和音頻的傳輸，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)開(kāi)放性好，擴(kuò)容方便，但圖像和控制延遲約200ms～300ms，更為經(jīng)濟(jì)。而HD-SDI高清攝像機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性好，本地電視墻和監(jiān)視器圖像清晰度高，但組網(wǎng)稍微復(fù)雜，成本稍高。

5 IP高清傳輸

IP高清攝像機(jī)視頻流到交換機(jī)，交換機(jī)到控制終端，交換機(jī)到視頻解碼器，傳輸接口為RJ45，滿足100M的以太網(wǎng)傳輸，IP高清攝像機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)POE供電，所有的連接線纜只要一根超5類4對(duì)UTP即可，但超過(guò)100m需要配置光纖收發(fā)器。交換機(jī)到IP SAN存儲(chǔ)采用RJ45接口，滿足1000M以太網(wǎng)傳輸。

高清視頻解碼器接口輸出支持HDMI、DVI、高清監(jiān)視器帶有HDMI/DVI的接口。

HDMI/DVI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，HDMI/DVI線最遠(yuǎn)可傳輸15m。超過(guò)15m采用帶有HDMI/DVI接口光端機(jī)通過(guò)光纖傳輸。

DVI接口：全稱Digital Visual Interface，即數(shù)字視頻接口，目前常見(jiàn)的DVI接口有兩種，分別是DVI-Digital（DVI-D）與DVIIntegrated（DVI-I）。DVI-D 只能接收數(shù)字信號(hào)，而DVI-I可以同時(shí)兼容模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，也就是說(shuō)DVI-I的兼容性更強(qiáng)。通常我們?cè)陲@卡的接口部分，看到的是DVI-I接口，在顯示器處看到的則是DVI-D接口。

HDMI接口：是“High Definition Multimedia Interface”的縮寫，意思是高清晰度多媒體接口。它是一種全數(shù)位化影像和聲音傳送接口，可以傳送無(wú)壓縮的音頻信號(hào)及視頻信號(hào)，最新的HDMI1.3規(guī)定最高帶寬可以達(dá)到4.95Gbps，實(shí)際視頻信號(hào)傳輸帶寬接近4Gbps，而現(xiàn)在最高規(guī)格的高清視頻格式1080p所需的帶寬僅僅為2.2Gbps，HDMI源于DVI接口技術(shù)，這是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過(guò)轉(zhuǎn)接頭相互轉(zhuǎn)換的原因，與DVI相比，HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號(hào)，HDMI完全向下兼容DVI，它只需要一條HDMI線，HDMI最遠(yuǎn)可傳輸15m。

6 高清圖像存儲(chǔ)

車站采用IP SAN存儲(chǔ)陣列，配置一臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，采用iSCSI協(xié)議，直接對(duì)IP SAN進(jìn)行數(shù)據(jù)塊寫入操作，從而實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)文件的集中存儲(chǔ)和管理，通過(guò)iSCSI塊存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急事件的即時(shí)回放，大大提高了事件的應(yīng)急響應(yīng)能力，通過(guò)交換機(jī)的組播技術(shù)來(lái)滿足大量用戶同時(shí)觀看視頻流的需求。

在控制中心備份一套IP SAN存儲(chǔ)陣列，當(dāng)某個(gè)車站的IP SAN存儲(chǔ)陣列癱瘓，由控制中心IP SAN存儲(chǔ)陣列接管或儲(chǔ)存報(bào)警。

控制中心和車站配置一臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制中心和車站IP SAN存儲(chǔ)陣列的管理，有效地解決了因大規(guī)模監(jiān)控所面臨的視頻海量存儲(chǔ)管理問(wèn)題，完成存儲(chǔ)計(jì)劃管理，可對(duì)所有監(jiān)控點(diǎn)制定存儲(chǔ)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)前端監(jiān)控點(diǎn)視頻存儲(chǔ)的自動(dòng)管理。完成存儲(chǔ)策略管理，可針對(duì)不同的監(jiān)控區(qū)域采用不同的管理策略，包括存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)、RAID等級(jí)、是否支持快照等，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)空間的運(yùn)營(yíng)。完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理，支持視頻數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)、檢索、下載、重要信息的歸檔備份等功能。

獨(dú)立磁盤冗余陣列：RAID5是一種存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全和存儲(chǔ)成本兼顧的存儲(chǔ)解決方案，通過(guò)奇偶校驗(yàn)信息提供冗余的存儲(chǔ)能力。它不對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，而是把數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)到RAID5的各個(gè)磁盤上。當(dāng)RAID5的一個(gè)磁盤數(shù)據(jù)發(fā)生損壞后，利用剩下的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息去恢復(fù)被損壞的數(shù)據(jù)。

在地鐵線路控制中心中，一般是音視頻圖像由交換機(jī)和高清音視頻解碼器通過(guò)大屏幕圖像拼接處理器上電視墻，高清音視頻解碼器可以帶HDMI/DVI輸出接口，大屏幕圖像拼接處理器可以帶HDMI、DVI輸入輸出接口，全高清LED液晶電視輸入接口有HDMI、DVI，交換機(jī)到高清音視頻解碼器采用超5類線纜，高清音視頻解碼器到大屏幕圖像拼接處理器采用HDMI/DVI線纜，不超過(guò)15m，如果超過(guò)15m，采用帶有HDMI、DVI接口的高清光端機(jī)。

7 視頻綜合平臺(tái)設(shè)計(jì)

視頻綜合平臺(tái)集IP高清攝像機(jī)、存儲(chǔ)管理服務(wù)器、交換機(jī)、監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控從采集、編碼、傳輸、切換控制到顯示應(yīng)用。采用IP矩陣，所謂IP矩陣是指控制終端控制軟件根據(jù)IP高清攝像機(jī)和視頻編解碼器及儲(chǔ)存服務(wù)器的IP地址節(jié)點(diǎn)顯示矩陣內(nèi)容，調(diào)用、切換視頻監(jiān)控圖像，由于矩陣類型選擇的是IP，所以矩陣中的節(jié)點(diǎn)全是IP地址節(jié)點(diǎn)，即顯示的是IP地址之間的通信。IP攝像機(jī)對(duì)高清實(shí)時(shí)音視頻信號(hào)進(jìn)行H.264編碼壓縮，支持高清視頻格式1920×1080p@25fps和1920×1080p@30fps，并封裝為IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送到指定的目的地址。車站交換機(jī)和中心流媒體服務(wù)器支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單播和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的組播傳輸方式。

8 車站客戶端設(shè)計(jì)

車站運(yùn)營(yíng)一般配置一臺(tái)PC監(jiān)控控制終端，至少兩臺(tái)監(jiān)視器，高清標(biāo)準(zhǔn)要求電視屏幕比例為16：9，而不是傳統(tǒng)電視4：3的比例，這樣增加了觀看者的臨場(chǎng)感，更符合人眼觀看的習(xí)慣。車站公安值班室一般配置一臺(tái)PC監(jiān)控控制終端和至少四臺(tái)監(jiān)視器，采用高清監(jiān)視器1920×1080p，具有HD-SDI、HDMI、DVI-D、Y/Pb/Pr高清視頻輸入接口。如果系統(tǒng)采用全I(xiàn)P視頻監(jiān)控，高清監(jiān)視器通過(guò)HDMI或DVI-D接口與視頻解碼器相連，通過(guò)客戶端軟件界面和網(wǎng)絡(luò)視頻控制鍵盤，靈活地調(diào)用、切換、控制多路監(jiān)控視頻圖像到高清監(jiān)視器，PC監(jiān)控控制終端內(nèi)置軟件解碼，支持多路視音頻信號(hào)的軟解碼，使用戶可以直接在PC上對(duì)監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、控制或歷史回放監(jiān)控圖像，實(shí)現(xiàn)了IP矩陣功能。

在控制中心配置視頻管理服務(wù)器，其功能是監(jiān)控平臺(tái)的管理中心和控制中心，授權(quán)用戶可以在任意一臺(tái)PC管理終端上完成全網(wǎng)的設(shè)備管理、資源調(diào)度、云臺(tái)控制和硬解碼輸出控制，所有的控制指令由視頻管理服務(wù)器集中處理和發(fā)送，而視頻流則可以不經(jīng)過(guò)視頻管理服務(wù)器單獨(dú)傳輸。把視頻管理服務(wù)器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理核心，所有監(jiān)控的控制流都由視頻管理服務(wù)器處理。

在站臺(tái)上下行首，為司機(jī)各配置一臺(tái)監(jiān)視器，監(jiān)控本側(cè)站臺(tái)2～4臺(tái)的攝像機(jī)合成監(jiān)控圖像，觀察上下旅客和安全門工作狀況。

9 線路控制中心終端設(shè)計(jì)

調(diào)度大廳設(shè)置12～16塊大屏監(jiān)視器組成拼接墻，通過(guò)大屏拼接器接入各個(gè)子系統(tǒng)信號(hào)，共用電視墻，上傳H.264編碼壓縮1920×1080p@30 fps監(jiān)控圖像通過(guò)視頻解碼器輸入大屏拼接器。

調(diào)度大廳設(shè)置3～6塊20寸左右的高清監(jiān)視器和三臺(tái)PC控制終端組成電視監(jiān)控分控。視頻解碼器接收網(wǎng)絡(luò)上的媒體流數(shù)據(jù)，并通過(guò)解碼轉(zhuǎn)換成視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)VGA或者HDMI接口輸出到電視墻和高清監(jiān)視器，通過(guò)客戶端軟件界面和視頻控制鍵盤調(diào)用、切換、控制多路監(jiān)控視頻圖像到高清監(jiān)視器，PC控制終端通過(guò)軟解碼，直接在PC上對(duì)監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、控制或歷史回放監(jiān)控圖像。

控制中心監(jiān)控終端稍多，還有其他系統(tǒng)終端可能同時(shí)調(diào)用同一路圖像，需配置流媒體服務(wù)器為本地或其他系統(tǒng)服務(wù)，本地或其他系統(tǒng)視頻調(diào)用由本地流媒體服務(wù)器進(jìn)行圖像獲取及轉(zhuǎn)發(fā)。

10 控制中心網(wǎng)管設(shè)計(jì)

一般小的監(jiān)控系統(tǒng)的維護(hù)缺乏智能化管理，如果出現(xiàn)了問(wèn)題，只能通過(guò)人工依次逐段去排查，但對(duì)于地鐵大規(guī)模的監(jiān)控系統(tǒng)，如果系統(tǒng)不具有系統(tǒng)智能管理手段則是不可行的，其中系統(tǒng)可維護(hù)性是不符合要求的。

可通過(guò)視頻管理服務(wù)器和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器構(gòu)成的管理平臺(tái)對(duì)所有監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，可管理帶網(wǎng)管功能的設(shè)備，如視頻編解碼器、光端機(jī)、交換機(jī)、服務(wù)器、IP SAN磁盤陣列等，支持對(duì)設(shè)備的配置、故障、性能、告警等多方面的管理。將視頻管理服務(wù)器和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器提供給標(biāo)準(zhǔn)接口和SDK開(kāi)發(fā)包，集成在網(wǎng)管服務(wù)器，通過(guò)一臺(tái)PC網(wǎng)管終端的友好軟件界面顯示全線設(shè)備運(yùn)行狀況。

網(wǎng)管服務(wù)器將電視監(jiān)控系統(tǒng)告警信息向線路集中告警服務(wù)器上報(bào)。網(wǎng)管服務(wù)器接收時(shí)鐘系統(tǒng)中心母鐘提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，校準(zhǔn)本系統(tǒng)內(nèi)所有需要時(shí)間信息的設(shè)備。系統(tǒng)針對(duì)不同的用戶可以采用域管理、用戶管理和云臺(tái)控制優(yōu)先級(jí)管理等。

11 結(jié)束語(yǔ)

地鐵的人流密集區(qū)域采用全I(xiàn)P高清攝像機(jī)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，使每個(gè)車站電視監(jiān)控相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性更有保障。