城市軌道交通視頻監控系統的回顧與展望

陸海亭 郭 偉 鄭靈敏

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司 江蘇蘇州215002;2.金陵科技學院 南京211169)

城市軌道交通在引導和調整城市空間布局、節約土地資源、保護自然環境、節約能源、方便居民出行、促進經濟發展等方面具有非常明顯的優勢。近年來，隨著經濟的快速發展，我國城市化步伐加快，建設軌道交通已成為解決城市交通擁堵難題的首要選擇。

作為人員大量聚集、流動性強的公共場所，城市軌道交通迫切需要利用視頻監控系統來實現全過程、全方位的安全生產與安全防范。城市軌道交通視頻監控系統可分為專用視頻監控系統和警用視頻監控系統。專用視頻監控系統是供運營管理人員實時監視車站客流、列車出入站、乘客上下車及隧道口的情況和設備運行狀況，以加強軌道交通的運行組織管理，提高效率，確保列車安全正點地運送乘客。警用視頻監控系統則是公安部門維護軌道交通秩序的重要手段，是各級警務人員對公共區域實施監視以提高軌道交通治安水平、保障乘客生命財產安全和軌道交通安全運營的有效工具，也是公安機關為開展日常工作和及時發現、快速處置突發性事件的技術手段。

1 發展歷程

縱觀軌道交通視頻監控系統建設的發展歷程，大體上經歷了3個階段［2-5］:上世紀九十年代及以前的模擬監控階段、本世紀初出現的準數字監控階段以及近幾年剛興起的網絡監控階段。下面簡要介紹和總結各階段技術發展的特點。

1.1 模擬視頻監控系統

模擬監控系統的標準體系架構是以模擬標清視頻信號為基礎，大容量視頻矩陣為核心，并且由多畫面處理器與VCR(video cassette recorder，視頻磁帶錄像機)等組成。控制中心和各車站的典型組網方式見圖1。在模擬監控系統中，攝像頭和監視器之間傳輸的是模擬視頻信號，控制中心與各車站間視頻信號傳輸采用模擬方式。在車站，各攝像頭采集的視頻信號經視頻電纜連接到車站視頻矩陣，車站值班員通過鍵盤控制視頻矩陣的輸出，選擇所需監控點圖像進行監控。各車站與控制中心之間的視頻信號傳送采用點對點光端機和模擬光纖，傳輸視頻信號和控制信號的方式。

圖1 模擬監控系統典型組網

模擬監控系統的視頻信號采集、傳輸、顯示、存儲均為模擬方式，具有技術成熟、鍵盤控制響應速度快、圖像質量高等顯著特點。但是視頻合成、圖像選擇過程復雜，用戶控制權限無法設置，導致系統功能有限，組網的范圍和距離有限，設備繁多、系統的故障率高，進行遠程訪問困難;采用傳統的磁帶存儲，查詢困難，不能滿足軌道交通大規模監控存儲的分布性和冗余性需求;系統運營維護困難，擴容難度大，成本高;由于各系統獨立運行，相互之間的控制協議很難互通，聯動只能在有限的范圍內進行，大規模視頻源的控制與管理很難實現。目前，模擬視頻監控方案在國內城市軌道交通監控系統新線建設中基本被淘汰。

1.2 準數字視頻監控系統

準數字監控系統也被稱為數模混合監控系統，它僅僅對模擬監控系統做了局部升級，即控制中心內部、各車站內部的組網方式仍沿用模擬技術，但在硬盤錄像以及車站與控制中心的視頻傳輸中采用了數字技術。本系統中前端的攝像機保留了模擬標清的固定攝像機和PTZ(pan/tilt/zoom，云臺控制)球形攝像機，在視頻引入至機房后進行數字化編碼、壓縮。傳統的視頻矩陣被數字交換機取代，磁帶視頻錄像被DVR(digital video recorder，硬盤錄像機)取代，光端機被數字化的光傳輸平臺SDH(synchronous digital hierarchy，同步數字體系)或OTN(optical transport network，光傳送網)取代。準數字視頻監控系統實際上是以DVR為核心的監控系統，DVR不僅能將數字化視頻錄像記錄與多畫面圖像顯示功能和監視報警功能結合在一起，還具備簡單IP(internet protocol，網絡互連協議)網絡通信功能。控制中心和各車站的典型組網方式見圖2。

圖2 準數字監控系統典型組網

準數字監控系統用于本地實時監控的音視頻信號為模擬形式，用于遠距離實時監控的音視頻信號為數字形式，硬盤錄像采用數字形式，解決了視頻圖像的長距離傳輸問題，大大提高了信息的查詢和處理能力，滿足了大范圍、遠距離監控以及視頻資源共享的需求，比較適合軌道交通行業對于視頻監控以本地監控和方便存儲為主，僅有少量網絡瀏覽的需求。但是，DVR不具備大規模的級聯能力，很難組成穩定的聯網系統;而且通信功能較弱，不能滿足大量訪問網絡客戶端的實時觀看和視頻回放的需求;此外，數據存儲存在可靠性差、硬盤無RAID(redundant arrays of independent disks，磁盤陣列)保護、存儲數據丟失無法恢復的缺陷;系統大規模建設成本和維護成本居高不下。由于準數字視頻監控系統出現時正值國內城市軌道交通建設高速發展時期，因此，它在城市軌道交通視頻監控系統中應用較廣。

1.3 網絡視頻監控系統

全數字視頻監控是相對準數字視頻監控而言，又被稱為網絡監控。網絡監控系統是以計算機通信平臺服務器實現統一管理與視頻壓縮技術為核心的監控系統。在高清數字視頻監控系統，即網絡監控系統中，控制中心與各車站的組網方式均采用類似于計算機局域網的方式。通過軌道交通專網所提供的分組(以太網或ATM(asynchronous transfer mode，異步傳輸模式))傳輸通道將各局域網互聯。帶有編碼功能的網絡攝像機、數字監視器、網絡視頻錄像設備、視頻轉發服務器以及視頻管理服務器，均接入控制中心、各車站的以太網或ATM局域網。控制中心和各車站網絡監控的典型組網方式如圖3所示。

圖3 網絡監控系統典型組網

網絡監控系統根據圖像質量和帶寬要求的不同，由編碼器提供多種編解碼方式，如MPEG(moving picture experts group，活動圖像專家組)-2、MPEG-4、H.264、JPEG(joint photographic experts group，聯合圖像專家組)等。由于IP網絡具有長距離傳輸低損耗的特點，因此數字圖像在IP網絡上可以進行長距離傳輸。傳輸到控制中心的數字信號可以直接顯示在視頻數字客戶端上。專用的視頻管理服務器統一管理調度員的訪問權限，可對用戶權限進行多級劃分，避免監控錄像被非法竊取和破壞。

網絡監控在準數字監控基礎之上解決了系統不易擴展、弱IP通信、存儲無分布性及無冗余等諸多問題，具有接入方式多樣、擴展靈活、可用任意地點的聯網計算機瀏覽監控圖像、圖像采集傳輸和存儲全部數字化、監控功能更加豐富完善等優點。另外，在建設投資性價比、技術先進性、組網靈活性和可擴展性等方面，網絡監控都明顯優于前兩類監控系統。網絡監控系統方興未艾，正在逐步成為城市軌道交通視頻監控系統新線建設的主導方案。

2 發展趨勢

計算機技術、網絡技術、圖像處理技術、存儲技術引領著視頻監控系統不斷向前演變發展，從視頻矩陣為核心的模擬監控系統，跨越到以硬盤錄像機為代表的準數字化監控系統，再發展到目前的以網絡視頻監控為代表的全數字監控系統。當前，城市軌道交通視頻監控系統正在朝著數字化、網絡化、全高清、智能化、直存化、集成化方向發展［6-12］，這些技術的發展也必將使得軌道交通視頻監控系統更加完善、高效。

2.1 數字化

視頻監控系統的數字化是將系統中的信息流(包括視頻、音頻、控制等)從模擬狀態轉為數字狀態，從根本上改變了傳統城市軌道交通視頻監控系統的信息采集、數據處理、傳輸、控制等方式和結構形式。數字化的優勢集中體現在系統的高效抗干擾性、聯網便利性和接口開放性。由此可見，數字化是網絡化的前提和基礎。

2.2 網絡化

網絡化是軌道交通視頻監控發展的必然趨勢，主要體現在2個方面:一是架構基于全網絡化，二是各條線路監控系統要實現大聯網。網絡視頻監控在部署、管理、應用等各個方面都擁有傳統監控無可比擬的優勢。對于軌道交通而言，其監控攝像頭的安裝位置涉及全線車站、車輛段、列車內、停車場、主變電所、管理用房、出入口、票務室等各個環節，要實現這些監控點的靈活部署，并便捷地接入到控制中心，網絡化架構方案最佳，而且網絡化同時還是系統集成化的基礎。

目前，我國各大城市的軌道交通視頻監控系統基本上是每條線單獨監控，而且大多數線路采用的仍是模擬數字混合視頻監控系統。隨著城市軌道交通建設的發展，多條軌道交通線路必將形成線網，需要一個統一的調度和控制中心對整個線網進行統籌運營與管理，即大聯網。要充分實現便捷的大聯網，并實現大聯網后的高效、統一管理，也必須依賴網絡化視頻監控。另外，在網絡化基礎之上將專用視頻監控系統和警用視頻監控系統進行融合建設、資源共享也是大勢所趨。

2.3 高清化

隨著網絡視頻監控的普及，視頻監控的高清化趨勢也非常明顯。早期視頻監控系統建設以標清為主，標清的圖像分辨率只有CIF(common intermediate format，標準化圖像格式)至D1(水平480線，隔行掃描)，圖像解析度低，細節表現能力差，圖像質量無法滿足運營和公安人員的使用需求。為了更好地滿足實際業務需要，1080P(水平1080線，逐行掃描)分辨率的高清方案受到廣泛的關注，并逐步應用到城市軌道交通視頻監控系統建設當中。與標清相比，高清能夠明顯改善視頻清晰度和流暢度，但是要求系統的每一個環節包括前端圖像采集、圖像傳輸、存儲、顯示、系統管理及控制等均做到對高清的支持。

對于城市軌道交通安防而言，采用高清監控實現更精確、更高效的視頻應用，顯然是非常必要的。這不僅僅是要實現高清的實時監控與圖像存儲，同時也是智能化監控的必然需求，因為圖像越清晰，智能化分析應用的準確性及效率也就越高。

2.4 智能化

智能分析技術屬于數據挖掘技術的范疇，在視頻監控系統中的應用主要是依靠計算機對視頻圖像進行處理、自動分析并提取視頻源中的關鍵信息。高清技術的應用及高清圖像的獲得為智能分析技術的應用奠定了基礎并創造了條件。視頻智能分析大致可分為兩類，即以背景模型建立為基礎的行為分析技術和以模式識別為基礎的特征識別技術。

隨著各大城市軌道交通建設線路的增加，城市軌道交通視頻監控系統建設規模也在不斷擴大，視頻監控點的快速增長和有限的人力及視頻處理能力之間產生了巨大的矛盾。傳統視頻監控一直面臨兩大難題:一是安防人員難以實時、有效地監視和發現突發或有威脅的安防事件，導致大量視頻監控系統只能通過調閱存儲錄像，起到事后取證的作用;二是當事件發生后進行調查取證時，難以快速、準確地在海量存儲視頻中搜尋事件的相關信息，需要耗費大量的時間和精力。因此，傳統的監控系統起不到事先預警和及時處理的作用，迫切需要一種智能的手段協助安防管理人員進行圖像資源的綜合處理和應用，而視頻智能分析技術恰恰就是滿足此需求的一種手段。除了實時防范，智能分析技術對提升錄像檢索的效率同樣可以起到十分重要的作用。基于智能分析，視頻監控的錄像資料中可以自動添加各種分析數據，包括各類智能報警事件、人臉識別信息、人物形態信息等，基于這些數據，監視人員可以根據各種事件和信息高效便捷地檢索到相關視頻，從而從海量的存儲數據中解脫出來，提升檢索效率。智能分析在城市軌道交通中主要有以下應用:安全區域智能檢測(周界入侵檢測、逆行檢測、物體遺留檢測)、視頻質量監控(信號丟失、清晰度異常、亮點異常、視頻干擾)、人數統計、客流密度檢測、面部識別和人員行為分析等。

2.5 直存化

視頻監控系統所采用的存儲技術直接影響到整個系統的運行。視頻監控系統實現預警、瀏覽、回放等功能的好壞，關鍵在于存儲技術。目前視頻監控系統主要包括本地存儲和網絡存儲兩種存儲模式，除DVR硬盤存儲為本地存儲模式外，DAS(direct attached storage，直連式存儲)、NAS(network attached storage，網絡附屬存儲)、SAN(storage area network，存儲區域網絡)等均為網絡存儲模式。對高清圖像的海量存儲要求視頻監控存儲必須高效、可靠、實用。存儲陣列技術和SAN技術解決了視頻監控系統中海量視頻安全可靠的存儲問題，但是由于一般的SAN存儲設備需要配備服務器，所以成本相對較高，而且對交換機的綜合性能要求很高，其存儲的吞吐量受服務器的制約較大。

NVR(network video recorder，網絡視頻錄像機)具有錄像穩定可靠、檢索高效快捷、回放穩定高效、兼容性和開放性強等特點，可實現錄像實時預覽、檢索與回放、報警管理等豐富的應用功能。只需將NVR與IPC(IP Camera，IP攝像機)通過網絡連通，無需用戶多余操作，系統自動發現設備、自動構建播放布局、自動實時播放、自動錄像，且能通過主流瀏覽器進行視頻訪問，并支持無線終端訪問。另外，只要通過視頻監控平臺將分布在IP網絡上的所有NVR統一進行管理，形成NVR存儲云，固定云用戶或移動云用戶登錄云后，根據平臺所分配的權限獲取存儲云資源。NVR視頻云存儲的優勢在于方便用戶調取錄像、視頻存儲性價比高、海量視頻存儲的可靠性和安全性好。因此，融合了存儲陣列技術、存儲管理技術、內嵌視頻監控管理軟件的高性價比視頻直存式網絡視頻存儲設備(NVR)將逐漸推廣應用。

2.6 集成化

軌道交通中應用的安防系統除了視頻監控，還有門禁、電子圍墻以及緊急報警等其他子系統。目前，這些子系統大多是獨立運行、獨立管理的，相互之間沒有多少關聯，而從提升管理效率、最大化發揮預警聯防的角度來看，這些系統應采用統一的管理，并實現相互系統之間的整合聯動。

視頻監控系統集成則是在數字化和網絡化的基礎上，為了更有效地保證監控效果，將監控、門禁、緊急報警、電子圍墻等與安防相關的多個子系統進行集成，充分利用軟件技術，通過開放式的協議，使視頻監控系統與其他各安防子系統之間實現無縫連接，并在操作平臺上實現集中、統一的監控和管理，以及軟硬件資源和數據信息的充分共享。通過集成化管理，安防人員在同一個平臺上即可管理和查看各子系統的業務，從而大大提升管理的集中性、便捷性以及工作效率;另一方面，通過對監控、報警、門禁等安防子系統的整合，可以協助運營和公安人員更直觀、更高效地處理各類應急事件，從而提升安防能力。

3 結語

目前，視頻監控系統在我國各大城市的軌道交通運營中發揮了重要作用，實現了對站、段、場、車的監控，但就其在我國軌道交通中的應用廣度和深度而言，還有很長的路要走。今后，隨著計算機技術、網絡技術、圖像處理技術、GIS(geographic information system，地理信息系統)技術、存儲技術、聯動技術在視頻監控系統中更加深入的應用，城市軌道交通視頻監控系統必將從單一的視頻圖像監視、錄像、回放，向關聯視頻圖像同步監視、錄像、回放的方向發展，從視頻圖像的簡單監視、錄像、回放，向視頻圖像智能化分析處理的方向發展，從基于多媒體電子地圖的應用向具有矢量概念GIS平臺整合的方向發展，從單一系統向多系統集成與聯動的方向發展，從基于DAS/NAS的圖像存儲向基于SAN等技術的圖像網絡直存方向發展，從基于流媒體技術的圖像分發向基于IP全交換技術的圖像、組播方向發展，從固定監控向移動監控方向發展(從有線向無線發展)，從被動監控向主動監控的方向發展等。

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