網絡視頻監控系統在城市綜合管廊的應用

王 亮

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第十設計研究院， 天津 300074)

1 概述

視頻監控近年來呈現一些明顯的變化趨勢，例如，視頻監控從模擬階段到數字階段的歷史性轉折；標準更加開放；高清視頻在安防領域產生重大影響；智能化日益突出，并不斷迅猛發展。這些變化推動視頻監控系統向更加成熟的階段邁進。網絡視頻監控系統將計算機技術、多媒體技術、網絡技術與監控技術有機地結合起來，將監控系統和計算機網絡系統連接起來，使兩個相互獨立的系統走向融合，在理念和方式上取得了突破[1]。

城市綜合管廊(以下簡稱管廊)為地下集約化隧道，集電力、通信、燃氣、給水、中水、污水等專業管線于一體。網絡視頻監控系統(以下簡稱監控系統)作為管廊安全防范系統的一個重要組成部分，發揮著強大的功能。

2 監控系統組成要素

監控系統由前端攝像機、傳輸介質、網絡交換機、儲存設備組成。前端攝像機位于管廊內部，通過傳輸介質將視頻數據匯總至設備間(管廊內用于安裝現場機柜的場所)內的網絡交換機，再傳輸至管廊設備間內的儲存設備或者管廊外遠程監控中心的儲存設備。

2.1 前端攝像機

前端攝像機選用網絡攝像機，安裝在管廊現場。網絡攝像機是傳統攝像機和網絡視頻技術相結合的新一代產品，它可以將影像通過網絡傳至任何一臺聯網的計算機，且遠端的瀏覽者不需用任何專業軟件，只要標準的網絡瀏覽器(例如Microsoft IE)即可監視其影像。前端攝像機負責采集現場的圖像，其核心部件為圖像傳感器，分為CCD和CMOS兩種模式。CCD是電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件；CMOS是利用硅和鍺這兩種元素做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現圖像儲存的功能。CMOS非常省電，耗電量約為CCD的30%，但處理快速變換的影像時，對暗電流(在沒有光照射的狀態下，在感光元件中流動的電流)的抑制不佳，畫面上易出現雜點。因此，注重圖像質量時一般選擇CCD傳感器，注重功耗和成本時選擇CMOS傳感器。管廊中出于安防考慮，更傾向于保障圖像質量，采用CCD傳感器居多。

2.2 傳輸介質

傳輸介質采用超五類網線或者單模光纖，實現視頻數據和控制信號的傳輸。對于管廊，在前端攝像機距網絡交換機距離小于80 m時，可采用超五類網線，反之，采用單模光纖。

2.3 網絡交換機

本文中，安裝在現場設備間或監控中心，用于現場設備間內前端攝像機與網絡硬盤錄像機之間、不同設備間的網絡硬盤錄像機之間、設備間的網絡硬盤錄像機與監控中心的視頻工作站之間的網絡交換機稱為聯網交換機；安裝在監控中心，用于監控中心視頻數據交換的網絡交換機稱為核心交換機。網絡交換機主要用于擴展網絡，能夠提供更多的網絡接口用于設備連接、數據交換，具有結構簡單、高度靈活、易于擴展等特點。常用的網絡交換機有8口、16口、24口等規格。網絡交換機可支持光纖環網。

2.4 儲存設備

儲存設備一般安裝在管廊現場，但如果采用集中儲存的方式，也可安裝在監控中心。儲存設備采用網絡硬盤錄像機(NVR)或磁盤陣列(IP-SAN)，實現視頻數據的本地儲存或遠程儲存。網絡硬盤錄像機最主要的功能是通過網絡接收前端攝像機傳輸的視頻數據，并進行儲存、管理，其容量擴展量有限且運行穩定性不高，主要用于中小規模的視頻數據儲存；磁盤陣列是安全數據儲存的設備，用于數據儲存、數據備份等，主要用于大規模的視頻數據儲存。

3 技術優勢

① 24 h全天候監控。監控系統自動將視頻數據儲存，連續記錄任意時間段內的各監控區域圖像。

② 儲存功能，支持圖像回放。監控系統可儲存較長時間段的視頻數據，對于管廊，一般會儲存30 d左右的視頻數據，用于回放查看。尤其當管廊內發生事故(例如火災)后，通過監控系統的回放，可以分析事故的原因，確定事故責任，預防類似事故的出現。

③ 入侵檢測功能。監控系統的前端攝像機能夠支持移動偵測，管廊內除正常巡檢的時間段外，無移動的人員或物體，監控系統可通過采集的不同時間段的畫面進行對比，發現可疑人員或物體，及時向監控中心發出報警，提示管廊運行人員有異常情況。

④ 聯動功能。管廊中包含多種檢測裝置(例如入侵檢測、火災檢測、天然氣泄漏檢測等)，當這些裝置發現異常時，均可根據預先設定的方案聯動監控系統的前端攝像機，及時將實時畫面反饋到監控中心，便于運行人員直觀地了解現場情況，有針對性地采取措施。例如，當入侵檢測裝置發出報警時，可聯動其附近的攝像機轉動，將鏡頭對準發生入侵的位置。

4 應用方案

監控系統根據管廊內前端攝像機的數量，選擇不同的應用方案，保證監控系統布局合理，經濟高效。

4.1 簡約型方案

當管廊主體長度較短，防火分區(一般長度為200 m左右)數量較少，前端攝像機數量較少時，由單臺網絡硬盤錄像機即可完成數據儲存。現場前端攝像機通過超五類網線或者單模光纖連接到現場設備間內的聯網交換機，網絡可采用星型網絡。簡約型方案現場配置見圖1。網絡硬盤錄像機亦與聯網交換機相連，視頻數據由現場網絡硬盤錄像機儲存，通過單模光纖上傳至監控中心。

監控中心設置視頻工作站、核心交換機，視頻數據上傳至監控中心，通過視頻工作站配套的顯示器查看現場視頻圖像。簡約型方案網絡見圖2。前端攝像機支持“移動偵測”功能，當畫面出現異常時，例如在午夜有人員在管廊內活動，可通過網絡硬盤錄像機向監控中心值班人員報警。

圖1 簡約型方案現場配置

圖2 簡約型方案網絡

鑒于此方案前端攝像機數量較少，對于管廊內的電力艙室，可采用圖像型火焰探測器替代網絡攝像機作為前端攝像機，既可以采集艙室內的圖像，輸出至網絡硬盤錄像機，又可以作為火焰探測器進行電氣火災檢測，當其檢測到火情時可向監控中心發出火災報警，由火焰探測器輸出開關量聯動管廊內的自動滅火系統。

本方案的特點是監控系統結構簡單，配置靈活，視頻數據本地儲存，網絡通信量小，但監控系統規模受網絡硬盤錄像機容量限制，沒有擴展能力，僅適合小型監控系統。

4.2 集中型方案

當管廊主體較長，防火分區較多時，每兩個防火分區設有一個設備間，每個設備間僅設置一套聯網交換機用于數據遠傳，不設置網絡硬盤錄像機。現場前端攝像機采用星型網絡連接到設備間內的聯網交換機，匯總后與其他聯網交換機組網，將數據上傳至監控中心。集中型方案現場配置見圖3。

各個設備間的聯網交換機與監控中心的聯網交換機通過光纖環網互聯(不必采用星型網絡一對一將光纖引至監控中心)，再與監控中心的核心交換機相連，視頻數據通過監控中心的磁盤陣列集中儲存，通過監控中心的大屏幕進行顯示。集中型方案網絡見圖4。

圖3 集中型方案現場配置

圖4 集中型方案網絡

磁盤陣列可采用Windows、Linux、Solaris等操作系統，支持RAID技術(RAID0、1、5、6、10、50等)、支持多種協議(例如視頻流協議/ NFS / CIFS / FTP / HTTP / AFP / RTSP等)、熱插拔硬盤、冗余熱備電源等，可靠性高，儲存容量大。視頻顯示采用大屏幕系統，一般為“拼接墻”，屏幕可采用DLP、等離子、液晶等，典型的屏幕數量有2×2、2×4、3×3、4×8等，視頻數據通過大屏幕控制器按需要在指定的屏幕區域顯示。

本方案的特點是監控系統結構簡單，前端攝像機通過現場聯網交換機聯網，無需本地儲存數據，擴展時僅需增加前端攝像機和現場聯網交換機即可，儲存設備位于監控中心，數據安全性高，易于維護。但本方案網絡通信量大[2]，監控系統規模受此限制不能過大，否則會導致成本過高，且容易影響圖像傳輸的質量(例如出現圖像卡頓、丟失等)，故適合中型監控系統。

4.3 分布型方案

當管廊主體較長，防火分區較多時，可采用簡約型方案的監控系統現場配置(詳見圖1)，通過增加網絡硬盤錄像機的數量來進行擴展，每兩個防火分區設有一個設備間，每個設備間設置一套網絡硬盤錄像機用于數據本地儲存和一套聯網交換機用于數據遠傳。當現場視頻監控點比較多時，需要單獨建設專用的視頻傳輸網絡。位于管廊現場設備間的聯網交換機將視頻數據集中后，通過光纖環網與監控中心的聯網交換機組網，再連接至監控中心的核心交換機，將視頻數據上傳，最終在監控中心的大屏幕上顯示現場畫面。分布型方案網絡見圖5。視頻數據儲存在現場的各個網絡硬盤錄像機中，分散了風險，即使單個網絡硬盤錄像機發生故障，也不會影響其他區域的視頻數據儲存。

圖5 分布型方案網絡

本方案的特點：既具有簡約型方案的優點，同時又解決了網絡硬盤錄像機的容量限制問題，擴展簡單，只需成套增加現場設備即可，適合監控系統分期建設；采用光纖環網連接各套聯網交換機，保證網絡的可靠性；監控中心根據需要對視頻數據遠程調用，網絡通信量小；視頻數據儲存為分布式結構，每個設備間的網絡硬盤錄像機儲存自己控制范圍內的視頻數據，個別儲存設備的損壞不會對整個監控系統產生致命的影響，提高了監控系統的可靠性，適合中型或大型監控系統。

5 結語

隨著城市綜合管廊的建設，網絡視頻監控系統在其中的應用會越來越多，技術方面將會更加成熟，并與管廊內的其他檢測系統產生更多的交集。城市綜合管廊包含多個檢測系統，例如人員通道的出入口控制裝置、入侵探測報警裝置、電力艙室的火災檢測系統、天然氣艙室的氣體泄漏檢測系統等，當它們中任意一個檢測到異常時，都可以聯動網絡視頻監控系統，將圖像在監控中心顯示，針對不同情況，由運行人員啟動相應處理方案。網絡視頻監控系統與其他系統互相補充，從日常監測到重點檢查，從前期預防到后期入侵處理，全方位覆蓋，形成一個統一整體，有效地保障城市綜合管廊內設備和管線的安全運行。