城市軌道交通視頻監視系統建設方案

霍亞楠

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

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城市軌道交通視頻監視系統建設方案

霍亞楠

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

介紹國內城市軌道交通線路視頻監視系統建設模式演變過程,從最初的標清方案演變為高標清混合方案再到最新的全高清方案，并對高清視頻系統的兩大技術流派(由廣播行業標準演進而來的HDTV非壓縮監視技術和基于幀內及幀間壓縮的HDTV監視系統)進行優缺點分析，經分析非壓縮方案的建設投資是最多的，但系統圖像質量優異，壓縮方案會導致圖像延遲和解碼后視頻不清晰，但造價便宜。進一步結合南京地鐵11號線北段和昆明地鐵6號線實際工程中視頻監視系統的建設情況,分析并研究最新軌道交通視頻監視系統所采用的運營和公安共享一套平臺的高清視頻解決方案，以期達到優化視頻資源配置，節省投資的目的。

城市軌道交通；視頻監視系統；運營；公安；南京；昆明

城市軌道交通視頻監視系統是軌道交通運營及管理現代化的配套設備，是維護城市軌道交通運行和保證運輸安全的重要輔助手段。它能夠為控制中心的調度員、各車站運營值班員、公安值班員、列車司機等提供有關列車運行、防災救災、乘客疏導、變電所設備室設備運行情況以及社會治安等方面的視覺信息，是提高行車指揮透明度的輔助通信工具。當車站發生災情時，視頻監視系統亦可作為防災調度員指揮搶險的工具[1]。

地鐵視頻監視系統由運營視頻監視系統和公安視頻監視系統兩部分組成，由于運營和公安視頻監視的需求不同，地鐵視頻監視系統從發展至今經歷了不同的建設模式，由最初的標清方案發展為高標清混合方案再到最新的全高清方案。早期運營視頻監視系統幾乎全是標清監視方案，其結構簡單，成本低廉，但提供的視頻信號清晰度無法達到公安系統的要求。為了安全因素及打擊犯罪的需求，公安系統需要另建一套高清的平臺，因此出現了地鐵視頻監視系統高標清混合的建設方案。隨著高清設備的普及及成本的不斷降低，運營視頻監視系統開始大量采用高清設備，這些設備可以滿足公安系統對清晰度的需求。為了節省投資，實現資源共享及系統配置合理化的目的，后期地鐵線路運營和公安視頻監視系統開始進行融合，出現了公專合一建設的全高清建設方案[2-3]。

1 國內地鐵視頻監視系統建設模式的演進

國內地鐵視頻監視系統自發展以來主要經歷了3種建設模式。

1.1 早期的標清方案

早期地鐵視頻監視系統受制于技術的發展，采用的都是標清方案。所謂標清，是指分辨率在400線左右，一般指達到D1(704×576，720×576)及以下[4]。標清視頻技術沿用了很多年，經過不斷改進和發展，方案成熟，成本易于控制，因此早期地鐵建設時多采用這一方案。

地鐵視頻監視系統標清方案采用模擬設備先進行圖像采集，再進行數字信號傳輸及處理的方式，前端各個模擬攝像機視頻信號經視頻同軸電纜傳至機房分配器和標清編碼器，再由編碼器進行數字視頻信號編碼后，接入到車站交換機運營視頻監視系統，攝像機圖像經分配器分配后提供給公安視頻監視系統。由于早期公安部門對視頻監視技術指標要求不高，因此這種方案能在一定程度上滿足當時的需求。例如南京地鐵1、2號線，武漢地鐵1、2號線等。

1.2 過渡期的高標清混合方案

由于人流密集、人員復雜、空間相對封閉等因素，地鐵成為盜竊、恐怖襲擊等違法犯罪行為的高發場所。為了對地鐵各車站進行實時監控以便及時發現、震懾和打擊違法犯罪行為，為緝查破案提供錄像取證，保障乘客的出行安全，公安視頻監視系統逐漸采用先進的高清技術，而這個時期運營視頻監視系統依然采用標清技術[5]。

高清視頻即HDTV，視頻分辨率規格為720 p(1 280×720)和1 080 p(1 920×1 080)，幀率為30 Hz或60 Hz。公安系統采用的高清技術和運營系統采用的標清技術無法兼容，因此建設了一套高標清混合平臺。在車站重要區域，運營視頻監視系統設置標清攝像機與公安視頻監視系統共享，在公安系統特殊需要地方補充設置高清公安前端攝像機。例如哈爾濱地鐵1號線，無錫地鐵1號線，鄭州地鐵1、2號線，為滿足公安系統要求，均采用高標清混合視頻監視系統。

1.3 目前的全高清方案

隨著視頻圖像技術的不斷改進和發展，高清技術得到了普及與推廣，設備成本不斷降低，運營視頻監視系統也開始采用高清技術，圖像清晰度和圖像管理功能完全滿足公安需要，無需單獨再建設一套高清的公安視頻監視平臺，因此，視頻監視系統采用運營與公安共建視頻監視系統方案。例如南京地鐵3號線、11號線和機場線的視頻監視系統。南京地鐵3號線是最早采用全高清攝像機組網方案的地鐵線路，運營視頻監視系統設置高清IP攝像頭、高清視頻解碼器、視頻服務器、存儲、網絡視頻交換機等，公安不僅共享運營視頻監視系統建設的前端高清攝像機，還共享運營CCTV建設的后端設備(包括以太網交換機、各類服務器、網絡存儲設備等)，這一方案在后續線路中得到了更好的改進與提高，已成為一個較為成熟的視頻監視系統建設模式。

地鐵視頻監視業務走向全高清之路是必然趨勢，不僅前端攝像機需要高清的，編解碼設備、存儲設備、顯示設備等都需要高清的。在整個系統中，任何一個環節不滿足高清需求，都會造成系統缺陷，達不到整體的高清質量，因此高清視頻監視系統嚴格意義上講是一個系統工程。目前高清視頻系統有兩大技術流派。

圖1 HDTV非壓縮監視系統

1) 由廣播行業標準演進而來的HDTV非壓縮監視系統(見圖1)，主要使用HD-SDI(1.485Gbit/s)高清視頻信號作為高清攝像機、高清光端機、高清矩陣、高清顯示設備互聯的標準。與高質量的圖像源相對應的是高傳輸碼流，傳輸非壓縮的1 080 p×60 f/s的高清圖像需要占用2.97 Gbit/s的帶寬。若以無損視頻格式降低高清數字視頻源碼流的方式來降低傳輸帶寬，那么碼流為2.97 Gbit/s的1 080 p高清視頻，采用12 bit的RVF格式，碼流雖可降為746.496 Mbit/s，但這在早期的視頻監視系統中仍是很難實現的。隨著光纖技術的發展，帶寬限制已得到較好的解決，目前常用的高清視頻系統中，采用百萬高清數字攝像機，輸出12 bit、746.496 Mbit/s的1 080 p 非壓縮數字圖像，各個站點本地實時存儲本站點的8路高清視頻,這樣帶寬為8×746.496 Mbit=5.832 Gbit/s。例如昆明地鐵1、2號線是國內首次采用高清數字非壓縮監控系統解決方案的兩條線路，運營公安通過高清視頻矩陣查看圖像，運營通過高清編碼器融入數字平臺，公安運營共享存儲設備。此方案優點突出，高清視頻從圖像采集到顯示無延時、無損壞，主要依靠傳輸和交換的高帶寬實現。系統圖像質量優異，圖像存儲方案與IP高清監控系統混合形成完整的高清解決方案，但這一方案缺點也很明顯，即建設投資是所有高清方案中最多的[6]。

2) 基于幀內及幀間壓縮的HDTV解決方案(壓縮標準主要采用H.264)是以網絡高清攝像機、IP承載網、IP存儲為典型系統組成的高清視頻監視系統(見圖2)。高清視頻的前端編碼，傳輸和交換主要依靠網絡設備實現。采用壓縮方案時帶寬得到很大的壓縮，例如采用圖像編碼H.264方案時，1路視頻占傳輸帶寬一般為3 M(分辨率720 p)或6 M(分辨率1 080 p)。但采用有損壓縮會導致圖像延遲，且視頻清晰度降低等問題，因此在使用無損壓縮時會給出圖像壓縮率、延遲時間等指標要求，例如對地鐵軌道系統，無論系統規模多大，任意圖像的編解碼延時必須在300 ms以內，車站、監控中心顯示墻任意圖像調度與PC終端任意圖像調度時間要小于500 ms，視頻清晰度必須達到相應的要求標準等。

圖2 基于幀內及幀間壓縮的HDTV解決方案

1.4 各期視頻監視系統方案對比

模擬視頻監視系統具有設備穩定性好、兼容性強、調試方便等優點，因此在軌道交通建設的早期全都采用模擬視頻監視系統，但這個時期的運營和公安視頻監視系統都是單獨設立的，維護量大，兩個系統之間協調困難。

在過渡期，運營視頻監視系統采用高標清混合解決方案，成本低，維護簡單，能利用標清成熟的解決方案。但由于標清技術已不能滿足公安系統對視頻技術的高清晰度需求，公安系統需要在車站內布置大量的高清攝像機進行補盲，因此仍然存在部分資源重復利用、維護量大等缺點。

隨著視頻硬件系統的發展，高清設備成本也在不斷降低，組網越來越靈活，圖像質量越來越清晰，全高清視頻技術在地鐵視頻建設中得到大力推廣與發展，地鐵運營系統已經可以全部采用高清視頻解決方案，而高清視頻監視系統能完全滿足公安系統的監視需求，因此公安和運營視頻監視系統開始共享一套視頻平臺，這一解決方案不僅具有清晰度高、故障節點少、維護量小、資源利用最大化等優點，且具有易于擴容、與后期新技術銜接較易等優勢。以下對3種方案的經濟成本和技術特點進行對比，見表1。

表1 視頻監視技術特點對比

在全高清的兩個方案中，HD-SDI非壓縮監視系統與IP網絡壓縮監視系統都可以滿足地鐵需求，前者實況圖像質量優質且無延時，錄像質量取決于編碼技術，適合地鐵高清建設，但建設投資高，擴容成本高，系統較復雜；后者使用H.264級別圖像編碼技術，實況、錄像圖像質量好，低延時，投資較低，擴容簡單，成本低，廣泛適用于各大中城市地鐵高清建設(見表2)。隨著技術的發展以及地鐵的建設，新的技術不斷出現，比如光纖電纜的鋪設使得信息傳輸帶寬得以無限制拓寬，因此對于高清視頻無壓縮解決方案是一個很好的發展前景；IP網絡壓縮監視系統中H.265圖像編碼技術也開始在地鐵上推廣和使用，可以進一步壓縮帶寬，這對于IP高清視頻監視系統方案也是一個發展機遇。

表2 兩種高清視頻解決方案對比

目前，在建和計劃建設的地鐵視頻監視系統大部分都采用全高清解決方案，這是未來視頻技術發展的趨勢，而運營建立的全高清平臺能夠滿足公安視頻監視系統對圖像清晰度、存儲時間等的要求，因此為了實現資源重復利用，縮減成本，就會采用運營系統組建高清視頻網絡，公安系統共享專用高清視頻平臺這一方案。

2 案例分析

以南京地鐵11號線北段和昆明地鐵6號線視頻監視系統為例具體分析。

2.1 高清數字壓縮方案：南京地鐵11號線北段

2.1.1 工程概況

南京地鐵11號線北段南起大橋北路站，北至金牛湖高架站，并預留遠期延伸至安徽天長的條件。線路全長45.2 km，其中地下線約11 km，高架線約32.9 km，地面線約1.56 km。全線設17座車站，其中高架車站11座，地下車站6座，換乘站3座[7]。

2.1.2 方案設計

南京地鐵11號線北段視頻監視系統采用高清視頻壓縮建設方案[8]。運營監視系統在控制中心和車站設置數字高清攝像機、彩色高清液晶監視器、以太網交換機、高清視頻解碼器、高清畫面合成器、視頻存儲系統、視頻管理服務器、錄像服務器、視頻控制終端等。公安系統在警務站、派出所、公安分局設置視頻監視主機、監視器、交換機、公安圖像專網監視操作終端等設備。公安視頻監視系統與地鐵運營視頻監視系統在車站共用前端攝像機和專網車站存儲設備，所有公安視頻圖像及錄像由設置在運營控制中心的視頻服務器經公安視頻安全接入系統后轉發至公安視頻網絡，再分發至各車站警務室、重點站與派出所、公安分局[9]等。全網系統詳見圖3。

圖3 南京地鐵11號線北段視頻監視系統網絡

2.2 高清數字非壓縮方案：昆明地鐵6號線

2.2.1 工程概況

昆明地鐵6號線一期工程線路長18.018 km，設車站4座，其中高架站1座，地下站3座。

2.2.2 方案設計

昆明地鐵6號線是國內首次采用高清數字非壓縮方案的三條地鐵監控線路之一，約1 400多個監控點，存儲容量近4 900 T 。其視頻監視系統同樣采用運營系統建立高清視頻監視系統，而公安系統通過高清視頻矩陣查看圖像，運營通過高清編碼器融入數字平臺，公安運營共享存儲。昆明地鐵6號線和南京地鐵11號線都是基于高清視頻監視系統進行解決的。為了克服高清數字非壓縮方案中的一些缺點，例如帶寬要求高、信號傳輸短等，視頻監視系統輔以大量的光纖網絡進行建設，在這一模式上有了較大發展。全網系統詳見圖4。

2.3 高清視頻系統建設方案

南京地鐵11號線和昆明地鐵6號線的運營視頻監視系統都采用全數字高清方案，在圖像清晰度、圖像管理功能方面完全能夠滿足公安需要，無需單獨再建設一套高清的公安視頻監視平臺，采用運營與公安視頻共建視頻監視系統，共享前端攝像機、后端設備(包括以太網交換機、各類服務器、網絡存儲設備等)。運營視頻監視系統為這兩條線路的公安視頻監視系統提供相應的操作軟件，這種組網模式既滿足了兩個系統的功能需求，又節省了投資，而且大大節省了維護成本。

在實際建設過程中又出現了HDTV非壓縮視頻監視系統方案和基于幀內及幀間壓縮的HDTV解決方案，其中，非壓縮視頻監視方案基于光纖通信網絡的引入，得到了很好的發展，而基于幀內及幀間壓縮的HDTV解決方案在視頻編碼技術的發展下也得到了長足進展，因此后期地鐵視頻監視系統的建設應根據實際情況進行選擇使用。

3 結語

隨著城市軌道交通發展速度的加快，國內各大城市的地鐵視頻監視系統都將使用高清數字監視系統，其中運營監視系統建立高清 視 頻 監 視網絡，而公 安 系統通過節點連入網絡進行資源調用。在實際細節中會存在一定不同，例如信號傳輸是否采用壓縮機制，但這一方案總體來看可以大大節省投資和維護成本，方便運營，更適合城市軌道交通視頻監視系統的戰略發展。

圖4 昆明地鐵6號線視頻監視系統網絡

[1] 李偉章，徐幼銘，林瑜筠，等.城市軌道交通通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 蔡海燕.基于高清技術的地鐵視頻監控系統的應用分析[J].科技視界，2012(26)：84-87.

[3] 陳明華，李蘇雯，馬強.城市軌道交通視頻監控系統整合方案的設計與應用[J].鐵路計算機應用，2012(4):61-63.

[4] 陳禮云.地鐵視頻監控系統高清攝像機接入方案[J].中國新技術新產品,2015(2):17.

[5] 地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[6] 朱小兵.非壓縮高、標清混合視頻監控解決方案[J].中國交通信息化，2012(5)：80-81.

[7] 北京城建設計發展集團股份有限公司.寧天城際一期工程可行性研究報告[R].南京，2011.

[8] 南京市交通規劃研究所有限責任公司.南京軌道交通線網規劃[R].2009版.南京，2010.

[9] 北京城建設計發展集團股份有限公司.南京市軌道交通寧天城際一期工程(大橋北路站—金牛湖站)通信系統招標文件[G].南京，2013.

(編輯：王艷菊)

Analysis on the Image Monitoring System Construction of Urban Rail Transit

Huo Yanan

(Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The evolution process of domestic urban rail transit line video monitoring system construction mode is introduced; from the initial SD solutions, HD solution, mixed solutions to the latest full HD, the two technical schools of high-definition video system (compression monitoring system based HDTV developed from the broadcasting industry standard and frame and inter-frame compression based HDTV solution) are compared. The paper shows that the compression scheme construction investment costs most, but the system image quality is excellent. Image compression scheme leads to delays and decoded video is not clear, but the cost is cheap.In view of a number of domestic construction mode of urban rail transit image monitoring Systems and the construction mode of the referring to operation and metro police's image monitoring system for Nanjing Subway Line 11 and Kunming Subway Line 6, the paper recommend metro operation and metro police share the same one platform of image monitoring systemto achieve the purpose of resources allocation and saving capitad.

urban rail transit; image monitoring system; operation; public security system; Nanjing; Kunming

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.023

2015-09-29

2015-10-27

霍亞楠，女，助理工程師，從事城市軌道交通通信系統的設計和研究，huoyanan1986@126.com

U231.7

A

1672-6073(2016)04-0102-05