城市軌道交通視頻監控技術研究

張亦然

摘 要：閉路電視監視系統是城市軌道交通維護和保證運輸安全的重要手段。本文分析了目前應用于軌道交通主流視頻監控技術，探討了不同系統架構、編碼方案、存儲方案的差異性，總結出適應于目前軌道交通發展的視頻監控技術方案。

關鍵詞：CCTV；系統架構；編碼；IP；SAN

0 引言

城市軌道交通的大運載量不僅解決了人們出行問題，對安全問題提出了更嚴格的考量。閉路電視監視系統是城市軌道交通維護和保證運輸安全的重要手段。它能夠為控制中心的調度員、各車站值班員、列車司機、車輛段供電值班室值班員等提供有關列車運行、電力供電專業的變電站開關設備、防災救災、旅客疏導以及社會治安等方面的視覺信息。如何讓這個系統更加可靠、穩定、有效率的運行，并且保證一定的技術前瞻性是需要充分分析的問題。

1 系統功能

城市軌道交通的閉路電視監控系統主要提供以下8大功能：

（1）監視功能

車站值班員監視本站站臺、站廳及自動扶梯、垂直電梯、出入口情況、旅客進出自動售檢票閘機情況、電力供電專業的變電站開關設備；

列車司機監視站臺和旅客上下車情況；

中心調度員可在各自的顯示終端或大屏幕上任意調看全線各車站、各列車任意攝像機的實時圖像；

（2）錄像功能

車站/車輛段/停車場對本地所有攝像機攝取的視頻信號進行實時不間斷錄像，并保存不低于7天；

控制中心調度員可根據時間、地點等信息對全線各車站任何一路圖像信號進行檢索及查詢，并可對所觀看圖像進行本地錄像，錄像資料應便于日后檢索及查詢。

（3）攝像范圍控制功能

各車站/車輛段/停車場值班員能夠在本地控制鏡頭焦距和云臺攝像機，并可設定優先級。

控制中心各調度員能夠遠程控制各車站云臺攝像機，并可設定優先級。

優先級順序暫定為：中心防災值班員、車站防災值班員、中心行車值班員、中心電力調度員、車站行車值班員。

預留公安視頻監控及其它共享視頻信息的優先級設置，并保證優先級隨時可調，且對不同的云臺可設置不同的優先級。

（4）字符疊加功能

系統應能將攝像機的號碼及位置、云臺當前控制使用者ID、攝像日期和時間等信息進行疊加，以便在監視器上顯示，且能隨時調整改動。

（5）圖像分析功能

關鍵部位（部分攝像機）的圖像應具有異常圖像分析功能，一旦發生異常情況，系統會自動切斷正常顯示在屏幕上的圖像，直接彈出異常畫面并伴隨聲光報警。包括但不限于非法闖入報警功能、可疑物品遺留報警功能、人員長期滯留報警功能、人員擁擠自動報警功能、自動客流統計功能等。

（6）系統聯動功能

圖像應與FAS（火災報警）專業具有聯動功能，發生火災報警時，系統應直接彈出異常位置畫面并伴隨聲光報警。

（7）遠程電源控制功能

控制中心各調度員在需要的情況下，應能控制各車站的攝像機、監視器的電源，列車停運后關閉，開始運營前開啟，以延長設備的使用時間。

（8）系統網絡管理功能

主要負責對視頻監控系統進行綜合的監視與管理，在必要時對系統數據及配置作及時的修改。

2 系統組網方案分析

閉路電視監視系統經歷了模擬視頻階段，數字和模擬混合應用階段并在逐漸向純數字系統過渡。

傳統模擬視頻系統方案的視頻傳輸利用成對的頻分復用視頻光端機實現點對點的模擬光通道。雖然該技術發展應用已非常成熟，但當系統較大時，因每站需要占用較多光纖資源，資源利用率低；車站與中心之間通道無保護；且系統一旦設定，擴容較困難等不足。

相對而言，數字視頻傳輸方式、充分利用專用通信系統的網絡資源，節約光纖，光端機等模擬傳輸設備；享有專用網絡傳輸通道的復用保護機制，安全性提高；傳輸通道網絡化，便于系統管理、維護和擴展；符合當前視頻監控技術網絡化，數字化的發展趨勢。

根據業務需求，目前有以下兩種數字視頻系統組網方案能滿足地鐵視頻監視系統需要：

2.1 方案一：車站模擬+數字傳輸方式

該方案車站級仍然是一種基于視頻切換矩陣的模擬視頻的解決方案，視頻信號從車站到控制中心的傳輸過程中采用了數字壓縮編碼技術。

在車站，從攝像機采集的視頻信號通過視頻電纜輸入到車站視頻矩陣，車站值班員通過控制視頻矩陣的輸出，選擇所需要的圖像進行監視。中心調度員需要調看的圖像，通過車站的視頻編碼設備轉換成數字信號后，由傳輸網絡傳至控制中心，控制中心調度員通過中心數字視頻控制設備選擇所需要的圖像進行監視。

2.2 方案二：全數字方式

控制中心及各車站設置以太網交換機，交換機間通過傳輸系統的光傳輸網互聯。車站攝像機采集的視頻圖像經過視頻編碼設備編碼后接入本站以太網交換機；控制中心調度員、車站值班員處的監視終端與本地交換機連接；圖像存儲設備、視頻服務器直接接入本地交換機，實現對圖像的存儲和控制。本方案由本地交換機，通信光纖傳輸網構成一個廣域數字視頻傳輸網絡，網絡中視頻信號交叉切換通過交換機由視頻服務器來完成，中心及車站對云臺控制的優先級通過視頻編碼和控制設備由軟件實現。

2.3 方案分析

方案一為半數字化方案，國內大部分2010年前開通的地鐵線路均采用此方案，優點是技術及應用都比較成熟可靠，經過矩陣切換后再編碼，節省編碼設備。缺點是由于需要模擬、數字二次切換，控制軟件復雜，不便于網絡擴容及設備維護管理；沒有實現全數字化，不易建立通用的數字化圖像平臺。

方案二為全數字化方案，隨著數字化技術的發展，已經逐步在地鐵中應用，例如北京地鐵機場線工程等。該方案實現了全數字化的圖像平臺，不獨占光纖，且享有數據傳輸平臺的環網保護機制，具有多點觀看圖像、資源共享、擴容簡單、等優點；只需增加編解碼板即可擴容，易維護。。

兩種方案的技術比較表，如表1所示。

從靈活調用，技術先行性，系統構成，擴展性等方面綜合考慮，新建的地鐵線路宜采用全數字方案進行系統構建。

3 圖像數字編碼方案選擇

結合目前技術發展及國內地鐵使用情況，符合閉路電視監視系統圖像質量要求的編碼標準主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四種。

四種編碼方式中，M-JPEG占用帶寬最高，但延時<80ms；其他三種延時相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三種技術都非常成熟，H.264技術也已在眾多監控領域投入使用。

考慮到系統采用全數字方案后，從監控終端到中心大屏幕、到車站控制室、到公安派出所以及到存儲設備四方向編碼的一致性和設備的統一性，可以考慮主要采用H.264的編碼技術，也可以根據工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264雙編碼器。

4 圖像存儲設備選擇

目前，存儲技術主要包括DAS（直接式存儲）技術，NAS（網絡接入存儲）技術，SAN（存儲區域網絡）技術，隨著計算機的高速發展，網絡化的SAN、NAS技術逐漸取代了DAS技術成為市場主流。對比這兩種技術，NAS主要側重于用戶共享數據。SAN主要側重于磁盤、磁帶以及連接它們的可靠的基礎結構。就地鐵實際需求而言，更適合SAN技術。SAN技術又包含IP SAN設備和FC SAN設備。

目前在軌道交通行業中，主要運用的由三種存儲方案，如表2所示：

方案一：采用IP SAN存儲方案

方案二：采用FC SAN存儲方案

方案三：采用數字硬盤錄像方案

數字硬盤錄像機因技術成熟、設備便宜、實施簡單，已經被廣泛應用于各種監控應用場合，成為主要的存儲設備。但是隨著軌道交通閉路電視監視系統的不斷發展，對視頻存儲的數量、質量及靈活性的要求越來越高，按數字硬盤錄像機的性能，需配置的數字硬盤錄像機數量不斷增長，給后期設備維護、管理帶來較大困難，且數據存儲不如SAN技術可靠。

相較數字硬盤錄像機，SAN技術具有存儲容量大、配置靈活、安全可靠等特點，考慮技術先進性及后期運營維護等多方面因素，因此軌道交通行業宜采用SAN存儲方案。

相比SAN技術下兩種設備，IP SAN即將FC SAN中光纖通道用以太網實現，在節省成本、維護簡單的基礎上，同樣充分滿足系統需求。因此，IP SAN存儲方案更具優勢。

5 列車司機監視方式

列車司機監視的目的是了解相應站臺的旅客上下車情況，監視器的設置方式主要有在站臺停車位側設置監視器方案以及在列車駕駛室內設置監視器兩種方案。

由表3比較可以看出，將監視器設于站臺停車位的方式簡單可靠且投資較低，已建的南京、北京、上海、廣州、深圳各線都是采用在站臺端設置監視器方案。

采用在駕駛室設監視器方案，可以改善監視效果，司機在駕駛座椅上就可清楚地知道乘客上下車的情況。但該方案需在所有駕駛室裝設監視器，不僅列車駕駛室的顯示屏尺寸和安裝位置受限，還存在機車的電磁干擾問題，監視圖像質量不如站臺上的監視器。此外，監視器與車站設備室的控制設備之間需采用無線方式傳送視頻信號，不僅投資費用較大、且頻點使用受限，涉及車輛、PIS、信號等多專業接口，系統較為復雜，目前國內地鐵較少采用此方案。

考慮到工程的可實施性，本工程推薦采用在站臺停車位側設置監視器方案。

6 結束語

經過以上分析，采用全數字的系統組成架構讓系統結構變得更加簡單，數據流更加歸一，在這全數字的基礎進行全數字的應用才得以實現。采用H.264的編碼和IP SAN的應用讓設備得到了統一，配置更加靈活。安全級別更高。考慮到日后調用需求增加或采用單終端多畫面調用方式，在系統中車站到中心的骨干上，再預留500M視頻傳輸帶寬即可滿足今后擴容的需要。

參考文獻：

[1]喬彩風. 數字視頻監控系統的設計與實現[J].計算機與現代化，2007（12）.

[2]元璐.數字視頻監控系統關鍵技術的研究[J].山東輕工業學院學報，2008，（22）：1.

[3]楊磊. 視頻監控領域的數字化技術[J].中國安防，2007（7）.

兩種方案的技術比較表，如表1所示。

從靈活調用，技術先行性，系統構成，擴展性等方面綜合考慮，新建的地鐵線路宜采用全數字方案進行系統構建。

3 圖像數字編碼方案選擇

結合目前技術發展及國內地鐵使用情況，符合閉路電視監視系統圖像質量要求的編碼標準主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四種。

四種編碼方式中，M-JPEG占用帶寬最高，但延時<80ms；其他三種延時相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三種技術都非常成熟，H.264技術也已在眾多監控領域投入使用。

考慮到系統采用全數字方案后，從監控終端到中心大屏幕、到車站控制室、到公安派出所以及到存儲設備四方向編碼的一致性和設備的統一性，可以考慮主要采用H.264的編碼技術，也可以根據工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264雙編碼器。

4 圖像存儲設備選擇

目前，存儲技術主要包括DAS（直接式存儲）技術，NAS（網絡接入存儲）技術，SAN（存儲區域網絡）技術，隨著計算機的高速發展，網絡化的SAN、NAS技術逐漸取代了DAS技術成為市場主流。對比這兩種技術，NAS主要側重于用戶共享數據。SAN主要側重于磁盤、磁帶以及連接它們的可靠的基礎結構。就地鐵實際需求而言，更適合SAN技術。SAN技術又包含IP SAN設備和FC SAN設備。

目前在軌道交通行業中，主要運用的由三種存儲方案，如表2所示：

方案一：采用IP SAN存儲方案

方案二：采用FC SAN存儲方案

方案三：采用數字硬盤錄像方案

數字硬盤錄像機因技術成熟、設備便宜、實施簡單，已經被廣泛應用于各種監控應用場合，成為主要的存儲設備。但是隨著軌道交通閉路電視監視系統的不斷發展，對視頻存儲的數量、質量及靈活性的要求越來越高，按數字硬盤錄像機的性能，需配置的數字硬盤錄像機數量不斷增長，給后期設備維護、管理帶來較大困難，且數據存儲不如SAN技術可靠。

相較數字硬盤錄像機，SAN技術具有存儲容量大、配置靈活、安全可靠等特點，考慮技術先進性及后期運營維護等多方面因素，因此軌道交通行業宜采用SAN存儲方案。

相比SAN技術下兩種設備，IP SAN即將FC SAN中光纖通道用以太網實現，在節省成本、維護簡單的基礎上，同樣充分滿足系統需求。因此，IP SAN存儲方案更具優勢。

5 列車司機監視方式

列車司機監視的目的是了解相應站臺的旅客上下車情況，監視器的設置方式主要有在站臺停車位側設置監視器方案以及在列車駕駛室內設置監視器兩種方案。

由表3比較可以看出，將監視器設于站臺停車位的方式簡單可靠且投資較低，已建的南京、北京、上海、廣州、深圳各線都是采用在站臺端設置監視器方案。

采用在駕駛室設監視器方案，可以改善監視效果，司機在駕駛座椅上就可清楚地知道乘客上下車的情況。但該方案需在所有駕駛室裝設監視器，不僅列車駕駛室的顯示屏尺寸和安裝位置受限，還存在機車的電磁干擾問題，監視圖像質量不如站臺上的監視器。此外，監視器與車站設備室的控制設備之間需采用無線方式傳送視頻信號，不僅投資費用較大、且頻點使用受限，涉及車輛、PIS、信號等多專業接口，系統較為復雜，目前國內地鐵較少采用此方案。

考慮到工程的可實施性，本工程推薦采用在站臺停車位側設置監視器方案。

6 結束語

經過以上分析，采用全數字的系統組成架構讓系統結構變得更加簡單，數據流更加歸一，在這全數字的基礎進行全數字的應用才得以實現。采用H.264的編碼和IP SAN的應用讓設備得到了統一，配置更加靈活。安全級別更高。考慮到日后調用需求增加或采用單終端多畫面調用方式，在系統中車站到中心的骨干上，再預留500M視頻傳輸帶寬即可滿足今后擴容的需要。

參考文獻：

[1]喬彩風. 數字視頻監控系統的設計與實現[J].計算機與現代化，2007（12）.

[2]元璐.數字視頻監控系統關鍵技術的研究[J].山東輕工業學院學報，2008，（22）：1.

[3]楊磊. 視頻監控領域的數字化技術[J].中國安防，2007（7）.

兩種方案的技術比較表，如表1所示。

從靈活調用，技術先行性，系統構成，擴展性等方面綜合考慮，新建的地鐵線路宜采用全數字方案進行系統構建。

3 圖像數字編碼方案選擇

結合目前技術發展及國內地鐵使用情況，符合閉路電視監視系統圖像質量要求的編碼標準主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四種。

四種編碼方式中，M-JPEG占用帶寬最高，但延時<80ms；其他三種延時相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三種技術都非常成熟，H.264技術也已在眾多監控領域投入使用。

考慮到系統采用全數字方案后，從監控終端到中心大屏幕、到車站控制室、到公安派出所以及到存儲設備四方向編碼的一致性和設備的統一性，可以考慮主要采用H.264的編碼技術，也可以根據工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264雙編碼器。

4 圖像存儲設備選擇

目前，存儲技術主要包括DAS（直接式存儲）技術，NAS（網絡接入存儲）技術，SAN（存儲區域網絡）技術，隨著計算機的高速發展，網絡化的SAN、NAS技術逐漸取代了DAS技術成為市場主流。對比這兩種技術，NAS主要側重于用戶共享數據。SAN主要側重于磁盤、磁帶以及連接它們的可靠的基礎結構。就地鐵實際需求而言，更適合SAN技術。SAN技術又包含IP SAN設備和FC SAN設備。

目前在軌道交通行業中，主要運用的由三種存儲方案，如表2所示：

方案一：采用IP SAN存儲方案

方案二：采用FC SAN存儲方案

方案三：采用數字硬盤錄像方案

數字硬盤錄像機因技術成熟、設備便宜、實施簡單，已經被廣泛應用于各種監控應用場合，成為主要的存儲設備。但是隨著軌道交通閉路電視監視系統的不斷發展，對視頻存儲的數量、質量及靈活性的要求越來越高，按數字硬盤錄像機的性能，需配置的數字硬盤錄像機數量不斷增長，給后期設備維護、管理帶來較大困難，且數據存儲不如SAN技術可靠。

相較數字硬盤錄像機，SAN技術具有存儲容量大、配置靈活、安全可靠等特點，考慮技術先進性及后期運營維護等多方面因素，因此軌道交通行業宜采用SAN存儲方案。

相比SAN技術下兩種設備，IP SAN即將FC SAN中光纖通道用以太網實現，在節省成本、維護簡單的基礎上，同樣充分滿足系統需求。因此，IP SAN存儲方案更具優勢。

5 列車司機監視方式

列車司機監視的目的是了解相應站臺的旅客上下車情況，監視器的設置方式主要有在站臺停車位側設置監視器方案以及在列車駕駛室內設置監視器兩種方案。

由表3比較可以看出，將監視器設于站臺停車位的方式簡單可靠且投資較低，已建的南京、北京、上海、廣州、深圳各線都是采用在站臺端設置監視器方案。

采用在駕駛室設監視器方案，可以改善監視效果，司機在駕駛座椅上就可清楚地知道乘客上下車的情況。但該方案需在所有駕駛室裝設監視器，不僅列車駕駛室的顯示屏尺寸和安裝位置受限，還存在機車的電磁干擾問題，監視圖像質量不如站臺上的監視器。此外，監視器與車站設備室的控制設備之間需采用無線方式傳送視頻信號，不僅投資費用較大、且頻點使用受限，涉及車輛、PIS、信號等多專業接口，系統較為復雜，目前國內地鐵較少采用此方案。

考慮到工程的可實施性，本工程推薦采用在站臺停車位側設置監視器方案。

6 結束語

經過以上分析，采用全數字的系統組成架構讓系統結構變得更加簡單，數據流更加歸一，在這全數字的基礎進行全數字的應用才得以實現。采用H.264的編碼和IP SAN的應用讓設備得到了統一，配置更加靈活。安全級別更高。考慮到日后調用需求增加或采用單終端多畫面調用方式，在系統中車站到中心的骨干上，再預留500M視頻傳輸帶寬即可滿足今后擴容的需要。

參考文獻：

[1]喬彩風. 數字視頻監控系統的設計與實現[J].計算機與現代化，2007（12）.

[2]元璐.數字視頻監控系統關鍵技術的研究[J].山東輕工業學院學報，2008，（22）：1.

[3]楊磊. 視頻監控領域的數字化技術[J].中國安防，2007（7）.