城市軌道交通CCTV系統發展及演變

□ 文/吳 平

城市軌道交通CCTV系統發展及演變

□ 文/吳 平

有三個時間，它們是城市軌道交通發展的里程碑，值得我們銘記在心：第一個是1843年，查爾斯·皮爾遜律師向英國議會提出建設“大都市鐵道”的建議；第二個是1863年，世界第一條地鐵線在倫敦開通；第三個是1965年，中國第一條地鐵線在北京開建，由此北京開始了“地鐵上城市”的發展。回顧歷史，地鐵從不可實現的設想到今天世界最高效的城市交通工具，一百多年來它的發展史無時無刻不伴隨著科學技術的推陳出新。正如地鐵列車由蒸汽機車發展到電力機車；又如地鐵信號系統從模擬信號系統到數字化信號系統；地鐵中的視頻監控系統也從模擬轉向數字最終走向IP智能監控。

城市軌道交通組成一個龐大的路網系統，承載的客流量不斷攀升，比如：北京地鐵的日客運量已超過千萬人次，城軌的安全運營極為重要。近些年，東京地鐵沙林毒氣慘案、倫敦地鐵爆炸慘案、馬德里地鐵爆炸慘案等恐怖惡性事件向各國地鐵運營者敲響警鐘。一旦發生城軌襲擊，政府就面臨受傷人員數量巨大、災難引起源難定位、引起國家損失慘重的特點，城軌成為恐怖主義襲擊的重要目標；同時，城軌車站一旦出現治安事件、刑事事件或其他應急事件，均容易引起人群恐慌性行為；因此，城軌的運營者對閉路電視視頻監控系統提出更高的要求。城軌中的閉路電視監控系統（CCTV）不僅提供行車調度人員對站臺人流、列車開關門情況和站廳出入口等重要區域的圖像進行實時觀察、監視和控制，還應該能夠智能分析圖像、提取敏感事件并聯動告警，各站圖像除由本站行車值班員和警用人員監視外，還要傳送到幾十公里之外的控制中心，供OCC(控制中心) 調度人員、派出所和分局警員監視，從而實現圖像的遠程監控。

下面，讓我們結合視頻監控技術的發展，來了解城軌CCTV系統的發展史（以專用系統為例）、系統特點并展望未來。

城軌CCTV系統基本架構

城市軌道交通CCTV系統分為兩部分：專用CCTV系統和警用CCTV系統。專用CCTV的調度員需要實時監視車站、車內客流以及乘客上下車等情況，以確保運營安全、快捷、準時；在發生緊急情況(如火災、反恐、自然災害等) 時，為相關人員提供事發現場實時圖像，方便指揮現場救援及乘客疏導。警用CCTV的值班員負責對全線各車站的出入、人流擁擠的區域進行監視，維護日常治安并且處理突發犯罪。運營監控和公安監控都需要為事后分析原因及查明責任進行錄像。

▲城軌CCTV系統架構

城軌CCTV系統發展及演變

階段一 模擬監控系統

城軌CCTV系統初期只實現了車站的系統建設，為典型的以矩陣為核心的模擬標清監控系統，系統主要由標清模擬攝像機、光端機、視頻分配器、DVR（硬盤錄像機）及模擬矩陣組成。

▲車站模擬CCTV系統

前端模擬攝像機通過同軸電纜（超距離通過一對光端機）接入到設備室，由視頻分配器進行分配，分別給DVR、矩陣以及警用系統。矩陣及控制鍵盤實現本地實時圖像的切換調看，DVR實現視頻的錄像存儲及回放。

矩陣設備是模擬監控系統的核心，圖像信號通過同軸電纜或光端機傳送到視頻矩陣設備。這種模擬信號傳輸過程中，視頻信號對傳輸距離和轉換環節的增加十分敏感，當傳輸距離大時，信號易產生衰耗、畸變、群延時，易受干擾和噪聲積累而使接收端圖像質量下降。但城軌CCTV系統中車站數量多、圖像傳輸距離長，且必須保證將車站圖像信號不失真地傳輸至控制中心。模擬視頻信號的傳輸介質主要是同軸電纜，而同軸電纜傳輸模擬視頻信號的距離不大于1Km，這就決定了模擬監控只適合于單個大樓、小的居民區以及其它小范圍的場所，難以滿足軌道交通長距離傳輸的要求。

模擬監控系統存儲空間有限，不具備冗余功能，錄像訪問性能差。模擬監控系統采用傳統的硬盤錄像機進行音視頻存儲，不支持RAID硬盤冗余保護功能，難以擴展，因此模擬監控存儲不能滿足大規模監控存儲的可分布性和冗余性。

模擬系統維護與擴展非常復雜。根據矩陣設備不同，對輸入視頻信號路數有不同限制，當輸入視頻信號路數超出單臺視頻矩陣輸入限制，則需要增加視頻矩陣形成復雜的近距離矩陣網絡，系統的擴展能力差。對于已經建好的模擬系統，如要增加新的監控點，往往是牽一發而動全身。此外，矩陣系統的報警聯動只能采用硬聯動，對于大規模的報警系統聯動接線復雜繁瑣，工程上幾乎無法實施。在模擬監控系統中，由于各部分獨立運作，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。因此大規模視頻源的控制與管理基本不可實現。

由以上分析來看，模擬監控通常更適合于小范圍的區域監控，對于跨區域、長距離、點數規模大、存儲量大的視頻監控系統。模擬監控系統已捉襟見肘，力不從心了。

部分圖像編碼上傳OCC

控制中心OCC需要調看全線各車站、車輛段、停車場的實時視頻圖像和回放錄像。為了滿足OCC遠程圖像調看需求，部分城市采用了車站/段/場部分圖像編碼上傳的方案。

▲部分圖像編碼上傳

在每座車站/段/場部署8～16路數字編碼器，由矩陣輸出模擬視頻到編碼器，編碼器數字編碼后，上傳OCC，實現OCC的遠程實時圖像調看；OCC的管理平臺通過站級部署的協議轉換器，實現矩陣視頻輸出的選擇以及球機云臺PTZ操作；OCC的工作站從車站的DVR回放錄像；OCC部署的IPSAN實現全線路重要錄像的長期存儲。

此系統管理復雜、應用不便、維護困難，但是實現了站級視頻圖像的一定數量選擇上傳OCC，解決了模擬圖像遠程傳輸的問題，一定程度上滿足OCC遠程監控的需求，是當時技術條件下的一種好的選擇。

階段二 IP數字智能監控系統

DVR硬盤錄像機采用數字記錄技術，將數字化視頻圖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，逐步取代傳統模擬視頻矩陣和模擬錄像機。DVR具備簡單IP網絡通訊功能，可處理的網絡訪問有限。因此，DVR數字監控系統非常適合以本地監控存儲為主，僅有少數網絡瀏覽需求的監控環境。

DVR最大的優點在于它將模擬視頻信號轉化成數字視頻數據，但自身的不足使它更像是模擬監控邁向IP監控的過渡產品。首先DVR不具備大規模的級聯能力。單臺DVR由于集成編碼功能、存儲功能和IP通信功能于一體，可處理的視頻輸入數目有限，通常為16路，而軌道交通閉路電視監控系統的規模一般在上千臺攝像頭，數字監控系統應該需要幾十臺DVR級聯，由于DVR單機集成工作的業務模式，多臺DVR級聯系統缺少安全性和穩定性，隨著監控規模擴大，幾十臺或上百臺DVR很難組成穩定的聯網系統；其次，DVR的IP通信功能較弱。不能滿足大量訪問網絡客戶端的視頻回看和實時觀看需求，不具備QoS業務流質量服務。最后，數字監控系統沒有解決模擬監控存儲無分布性和冗余的問題，數據存儲仍存在可靠性差，硬盤無RAID保護、存儲數據丟失無法恢復的嚴重缺陷。

因此城軌CCTV系統采用IP數字智能監控系統，用IPSAN磁盤陣列代替了DVR存儲，通過編碼器將車站/段/場的模擬視頻全部數字編碼，通過站級--OCC級的平臺級聯管理，實現全線實時視頻的統一管理上傳和統一的錄像回放。

▲IP智能監控+矩陣過渡系統

隨著數字編/解碼技術的快速發展，端到端的編解碼延時下降到300ms內，已可滿足站級的實時圖像低延時需求，而矩陣的存在，使系統復雜、維護難和擴容難，因此，城軌CCTV系統快速摒棄了模擬矩陣系統，由視頻平臺的數字矩陣技術實現站級實時圖像的切換調看、球機云臺控制，通過解碼器還原模擬圖像，上屏顯示實時視頻和視頻錄像。城軌CCTV系統從此時起，基本實現了系統的數字化（除了攝像機仍然采用標清模擬攝像機）。

▲IP數字智能監控系統

編碼器將模擬視頻信號轉換成數字視頻信號，根據圖像質量和帶寬要求不同，由編碼器提供多種編解碼方式，例如：MPEG II、MPEG IV、H.264、 JPEG等。由于IP網絡長距離傳輸無損耗的特點，數字圖像在IP網絡上可以進行幾千公里的長距離傳送。傳輸到OCC控制中心的數字信號可直接顯示在視頻數字客戶端，也可以通過解碼器顯示在模擬視頻終端上。調度員的訪問權限可以由專用的視頻管理服務器統一管理。現有的IP智能監控用戶管理系統可對用戶進行60級劃分，細化用戶權限，避免監控錄像非法竊取和破壞系統行為。IP智能監控系統在繼承了數字監控系統諸多功能外，它解決了不易擴展、弱IP通信和存儲無冗余等諸多監控領域的棘手問題。例如：IP數字智能監控無性能瓶頸--首先一個理想的監控系統在局部區域內是多設備分工協作，避免單個設備完成所有功能而存在瓶頸效應。IP智能監控中的模擬視頻信號數字化編碼由編碼器單獨完成，視頻數據的存儲由單獨的存儲服務器完成，客戶端用戶的視頻訪問由單獨的視頻管理服務完成。由此實現多個設備協同工作，提高系統性能，防止像DVR一樣單個設備的系統瓶頸。其次，IP數字智能監控對于可訪問網絡的用戶數目沒有限制--只要網絡可達，只要用戶有訪問權限就可以訪問IP智能監控系統，讓視頻共享及綜合利用變得簡單靈活。再次，IP數字智能監控解決了存儲的無分布性，無冗余的缺點--IP智能監控系統通過專有設備進行存儲管理，具有專業的存儲管理能力：IP監控解決方案采用專業的IP SAN存儲系統，不同于傳統監控采用的硬盤儲存。IP SAN存儲系統在分布式部署、集中管理、可擴展性、數據共享等方面擁有獨特的優勢，使之尤其適合于大規模監控應用。視頻信息存儲可采用塊寫入方式操作，既減少了系統資源開銷，又提高了穩定性。最后，IP數字智能監控提供多種數據存儲保護措施--如可實現Active-Active模式的故障保護，主用切換到備用時，切換過程對編碼器、IPC、IP SAN等其他監控設備透明。支持存儲資源的整機冗余保護，當系統中的一臺存儲設備發生故障時，可以手動把數據切換到備用存儲設備上等。再后，IP數字智能監控提具備靈活高效的管理機制--提供多種自動化的存儲管理機制，如可為每個監控接入設備制定存儲計劃，使之可以根據策略實現自動存儲；可制定存儲備份計劃，實現數據自動備份等。

IP數字智能監控實現視頻編碼、傳輸、控制、顯示的全數字化，提供數字化的控制、視頻接口，為后續的視頻智能分析技術部署提供了條件。

階段三 IP高清智能監控系統

隨著監控行業進入高清時代，在全國城軌行業，武漢地鐵4號線首先實現了IP全高清智能CCTV系統設計和成功開通運營；近幾年，各城市的新建城軌CCTV系統開始全面采用IP高清智能監控系統；城軌CCTV系統從此時起，全面進入全面IP數字化、高清化時代。

▲IP高清智能監控系統

IP高清系統的最大變化為：標清40萬像素的模擬攝像機（通常稱為D1畫質）替換為高清200萬像素的網絡攝像機（通常稱為1080P畫質），有效解決了標清圖像常見的“看得見，而看不清”的問題；高清網絡攝像機自己輸出IP視頻信號，不再需要編碼器，系統更為簡化，并且攝像機可網管，增強了CCTV系統的可維護性。

模擬攝像機采用同軸線纜傳輸視頻信號，傳輸距離遠，基本可滿足車站大部分攝像機的傳輸需求，部分距離遠的攝像機可通過一對光端機進行傳輸。高清網絡攝像機標配采用網線傳輸，受限于90米傳輸距離，大量的遠距離攝像機需要考慮可靠傳輸問題，如果大量采用光纖收發器，會帶來故障點多的風險，不便于維護，因此高清網絡攝像機內置光口，通過光纖接入設備室交換機是一個非常好的方式。

高清監控的另外一個變化是攝像機輸出碼流由標清的實況4M、存儲2M變為實況6M、存儲6M，另外攝像機的點位密度要求更高，因此對系統的壓力急劇上升，要求整個系統、IPSAN存儲具有更高性能、更高的可靠性。

系統建設模式的變化：

在標清CCTV系統時代，一般專用和警用分為2個系統進行建設，由視頻分配器將共享的模擬視頻分別提供給專用CCTV系統和警用CCTV系統，2個系統間網絡物理隔離；2個系統的設備組成基本一致，只是專用系統由站級--OCC兩級組成，警用系統由站級--派出所--地鐵分局三級組成。

▲標清模擬視頻的共享

在IP高清系統時代，前端IPC攝像機的輸出接口為網絡接口，因此需要采用其它的技術或系統建設方案來進行專用CCTV系統和警用CCTV系統建設。經過這幾年的探討和實踐，基本形成以下2類基礎的系統建設方案：

公專合一系統方案：專用在車站統一部署前端IPC，一套管理平臺和IPSAN存儲；車站警用只設置工作站、解碼器及監視器，共享IPC、平臺和IPSAN；通過防火墻、工作站串口控制、封閉工作站多余端口等方式實現網絡隔離控制；站級警用設備由專用的平臺管理；站級平臺實現專用、警用IPC訪問權限分配，同時受上級OCC平臺、派出所平臺的管理、控制。

▲公專合建站級CCTV系統示意

公專分建系統方案：專用在車站統一部署前端IPC，一套管理平臺和IPSAN存儲；車站警用共享IPC，部署自己的平臺和IPSAN；2個系統間通過防火墻進行進行網絡隔離；前端IPC的圖像在專用IPSAN和警用IPSAN同時存儲，警用存儲時間長于專用；站級專用平臺和警用平臺實現2個系統的對接，并實現專用、警用IPC訪問權限分配。也有一些城市，對于只有公安關注的公共區域，由警用系統補點部署警用的IPC。

▲公專分建站級CCTV系統示意

階段四 城軌CCTV系統發展趨勢

城市軌道交通作為最為重要的公共區域，人群密集，CCTV系統肩負運營公司的調度疏導，公安部門治安管理、查案乃至反恐的重要職責。現在，全國城軌CCTV系統均已陸續開始高清系統建設，建設模式成熟，后續系統建設將著重考慮以下需求：每座站部署的攝像機一般為100臺～200臺，全線攝像機數量數千臺，存儲的錄像數千TB～上萬TB，如此多的攝像機圖像如何快速調看，如何在應急指揮工作人員間傳遞指揮信息，如何從海量視頻中快速檢索所需要的錄像，如何形成人員在路網中的出行視頻軌跡，如何識別乘客的身份信息等等；宇視科技基于多年參與地鐵CCTV系統建設的經驗，認為應從以下幾個方面進行考慮：

1.基于城軌路網特點，構建路網、車站、站內的電子地圖，基于電子地圖實現圖像的快速調用，如框選攝像機調用、線選攝像機調用、基于坐標信息的點擊調用、網格化視頻追蹤等；

▲基于地圖快速調看圖像

2.即時、豐富的錄像回放：即時回放當前時刻之前的攝像機錄像，長時間錄像的切片查找，同步回放某個場景的多路視頻，幀預覽查找目標錄像位置而不影響錄像正常回放；

▲即時回放

▲切片查找

3.用戶間通信：應急指揮時，向一個或者多個用戶發送實時信息，信息中可以包含文字、圖片、視頻點位、錄像、地理位置等信息，便于快速傳遞視頻信息；

▲用戶間通信

4.視頻智能分析：人群密度檢測及人流計數為運營公司提供調度、疏導數據；人臉識別為公安提供管控人員的識別信息；

▲人群密度

▲人臉識別

5.目標特征信息提取：提取人員的挎包、拉桿箱、口罩、眼鏡、性別、身高等特征信息，構建特征信息庫并關聯原始視頻，從全線路的重要位置攝像機基于特征信息進行快速檢索、排序，提高篩查效率；

6.以圖搜圖：輸入人員照片信息，從全線路的重要位置攝像機進行以圖搜圖比對檢索；

7.人員軌跡視頻鏈：基于目標特征信息、以圖搜圖等技術，輔以人工確認，快速形成人員在路網中的軌跡視頻鏈；

8.物聯網技術：如采用具有WIFI探測功能的攝像機，主動采集出行人員手機信息，識別人員身份；

宇視科技積極參與并推動了地鐵CCTV系統的數字化、高清化歷程，為全國城軌CCTV系統標志性線路提供了系統解決方案和產品：

全國第一條全高清地鐵線路---武漢地鐵4號線專用CCTV及警用監控;

全國的三條高清數字非壓縮地鐵線路---昆明地鐵1/2/6號線專用CCTV及警用監控；

全國最大規模的地鐵高清線路---北京地鐵16號線專用CCTV及警用監控；

標準化建設的地鐵線網中心---武漢地鐵線網中心；

宇視科技的解決方案從多個維度保障城軌CCTV系統運行的可靠性，確保整個系統不存在單一故障點，滿足日常業務和應急事情處理，為維護人員提供豐富的運維手段，致力于新技術的創新和落地應用，產品高品質、并切合地鐵站級工程布局和環境設計。截至2016年3月，已服務于30個城市，近70條城軌正線線路、近90個專用或警用CCTV項目

作者單位：浙江宇視科技有限公司