分布式視頻監控系統在鐵路站前工程的應用與研究

魯 帥，侯繼偉，高春風，李 戈

（1. 中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308；2.天津市開發區振泰科技有限公司，天津 300457）

隨著我國鐵路建設規模日益擴大，對施工安全的管理需求也日益提高[1-3]。以往鐵路施工的安全管理集中在工點本地化管理，采用本地視頻監控手段，建設單位和總承包單位采用定期或不定期的方式檢查施工現場。但是工點本地化管理無法實時有效地為建設單位和總承包單位提供統一的管理手段，同時，鐵路站前施工沿線長、交通惡劣、控制性工程分散，如何更加有效地保證施工安全，及時應對突發性事件，是建設單位和工程總承包單位必須要考慮和解決的問題。

分布式視頻監控系統是基于現代計算機網絡技術、流媒體技術的網絡視頻監控系統，采用分布式架構，能夠方便地擴容和部署，網絡可用的情況下能夠在任意地點快速構建視頻監控。在分布式網絡部署的方式下，系統還可以集成鐵路工程管理平臺、可以與報警聯動等[4-6]。采用基于IPSec的虛擬專網（VPN）技術，能夠保證數據的安全及鏈路可靠性，節省網絡費用[7]。

文獻[8]中提出了通過分布式云架構技術解決鐵路客運站應急指揮一體化不足的問題。文獻[9]和文獻[10]中，從基本架構、部署方案、業務運行、高可用等方面提出了一套分布式的鐵路綜合視頻監控系統架構。目前，研究鐵路運營后的鐵路視頻監控系統和應急指揮系統比較多，而在鐵路站前工程上的研究非常少，本文在總結了既有的研究基礎上，基于高速鐵路站前工程，對分布式視頻監控系統進行了深入研究，分析了系統的架構和施工現場視頻監控接入的部署方式，并針對網絡傳輸方式進行了優化，同時，研究了與其他系統的集成與聯動。

1 分布式視頻監控系統

1.1 系統組成

系統總體分為項目部監控終端、指揮部控制中心、標段監控終端和工點采集終端4部分。4個部分均可以對系統內的圖像進行監視和控制，監視功能相互獨立。

（1）項目部配置終端設備，終端設備通過互聯網與指揮部服務器通信，獲取監控視頻的碼流，監視全線的圖像。

（2）指揮部監控中心，在監控中心機房設置流媒體服務器、中心級視頻網絡存儲設備（CVR），用于系統的調度、權限管理、系統管理以及視頻圖像的存儲；在監控室設置終端設備及大屏顯示設備，對全線系統內的圖像進行輪巡查看。

（3）標段配置終端設備，終端設備通過互聯網與指揮部服務器通信，獲取監控視頻的碼流，監視本標段的圖像。

（4）工點設置視頻采集設備、網絡視頻錄像設備（NVR ）及監控終端，采集在本地存儲監控圖像，同時，通過互聯網將視頻監控數據傳輸至指揮部監控中心。

另外，可以通過手機等移動終端設備通過互聯網與指揮部服務器通信，查看監控視頻。系統架構，如圖1所示。

1.2 系統功能

1.2.1 視頻顯示與控制

視頻顯示和控制是系統的核心功能，主要包括：單畫面和多畫面模式切換瀏覽，支持全屏、窗口切換瀏覽；多用戶同時監控相同或不同的實時視頻；監控人員可以控制視頻采集端的云臺；根據監控場景不同配置采集分辨率不同的視頻；監控視頻的輪巡播放；抓拍圖像；自動彈出告警信息；對多人查看同一監控視頻的性能優化等。

1.2.2 視頻儲存與回放

視頻的存儲采用工點存儲與指揮部存儲相結合的方式，工點的視頻在前端NVR存儲30天的數據，指揮部將所有工點的視頻在服務器存儲10天的數據。前端NVR的存儲數據主要是給本地工點回放視頻使用。標段、指揮部及項目部回放的數據是存儲在指揮部的視頻數據，用戶根據時間、地點、事件等多種條件進行檢索和回放，播放抓拍，快照檢索，多用戶同時調用和檢索歷史視頻等。

1.2.3 用戶和權限管理

為保證標段及工點只能查看本區域的監控視頻，對所有的用戶進行統一的、唯一的標識, 管理用戶負責為每個合法用戶分配相應的權限；不同級別的權限之間采用級別優先的操作原則，同級權限之間的操作采用時間優先原則對視頻進行查看和控制；按照區域劃分管理群組，用戶通過分組和管理權限實現對監視區域的監視等。

1.2.4 分布式視頻監控

系統采用分布式的結構，施工工點的本地監控不受網絡條件的影響，即本地監控是自治的，監控視頻會在本地存儲，是事后取證的主要信息來源。施工工點的視頻監控通過網絡與指揮部監控中心連接，施工工點會受到指揮部的統一監控與管理，指揮部存儲近期的全線監控工點的視頻信息。個別工點系統如果發生故障，不會影響該系統的正常服務，待故障排除后能夠很快接入到統一監控中。施工標段與項目部通過互聯網接入部署在指揮部的流媒體服務器查看工點的監控視頻。

1.2.5 與其它系統的集成

鐵路站前工程會涉及到很多應用系統，而該系統非封閉性的系統，可以與其它系統集成。如將視頻監控系統集成到鐵路建設工程管理平臺中、與施工現場報警系統聯動、與隧道人員定位系統聯動等。

1.3 前端部署

考慮到前端工點現場環境的特殊性和多樣性，將前端點位場景分為3類，隧道口、梁場，車站、路基、大橋，隧道掌子面。

（1）隧道口、梁場

選用200萬像素一體化球機。采用5 m立桿進行攝像機安裝。攝像機支持23倍電動變焦。

（2）車站、路基、大橋

選用大變倍的200萬像素一體化球機。采用5 m立桿進行攝像機安裝。攝像機支持30倍電動變焦。支持透霧和電子防抖。

（3）隧道掌子面

由于隧道內粉塵、濕度較大、亮度低的情況，且存在一定的施工風險，因此選用防爆一體化球機。隧道掌子面屬于動態作業面，隨隧道不斷掘進，作業面逐漸深入，攝像機安裝時必須采用移動式點位。本方案將攝像機安裝在掌子面臺車上，臺車隨隧道掘進不斷向前推進，且距離爆破面有一定保護距離。現場一般有2～3個臺車，第1個臺車主要起防護作用，上方架設防護網主要阻擋定向爆破產生的飛石保護后方的各類管線，第2、第3個臺車主要起到架設管道、電纜、照明器具等作用。因此選擇將攝像機安裝于第2個臺車上既可以隨臺車跟隨作業面不斷推進起到監視到施工作業面的作用，又可以從照明供電上取得穩定的電力供應。

前端視頻監控部署架構，如圖2所示。

1.4 網絡傳輸

1.4.1 建設方案

傳輸共分為2個部分：攝像機至工點的接入層傳輸；工點、標段、指揮部、項目部間的級聯傳輸。

（1）攝像機至工點的接入層傳輸

現場具備線纜直連，距離100 m以內，通過網線直接接入網絡交換機；

現場具備線纜直連，距離超出100 m，通過敷設光纜進行信號傳輸；

現場不具備線纜直連，干擾源相對可控，采用點對點或點對多點的無線網橋接入方式。

（2）工點、標段、指揮部、項目部間的級聯傳輸

鐵路站前工程的工點網絡搭建條件是非常惡劣的，所以工點應依據實際情況采用多種互聯網接入方式。工點可以采用無線網橋+專線、無線網橋+ADSL、4G等多種方案，連接當地網絡運營商提供的網絡資源，經虛擬專用網（VPN）加密傳送數據至指揮部。

指揮部采用固定IP接入方式，接入VPN，經由邊界防火墻進行路由設定和病毒防護，再接入整個系統的核心交換層。

1.4.2 視頻傳輸方式優化

（1）視頻編解碼

目前，視頻編解碼的主流標準是MPEG-4和H.264。本方案采用最新的H.265編碼標準，H.265與H.264相比提升了壓縮效率、魯棒性及錯誤恢復能力，降低了實時遲延、信道獲取時間、隨機接入遲延、復雜度等，旨在“在帶寬有限的環境下傳輸更高質量的網絡視頻”，H.265只需要H.264的一半帶寬即可傳輸質量近乎相同的視頻。

（2）雙碼流

采用一路高碼率的碼流用于本地高清存儲，保證本地圖像的質量，同時采用一路低碼率的碼流用于4G傳輸。這樣既能保證不損失本地視頻的質量，同時也保證了指揮部視頻的流暢性。

（3）降低幀頻率

由于指揮部更加關注監控視頻的穩定性和連續性，所以在4G傳輸下可以通過降低一定的幀頻率，減少傳輸數據，降低4G的流量使用從而節約投資，保證傳輸數據的效果。

1.4.3 掌子面的網絡傳輸

隧道掌子面的網絡傳輸如采用有線方式，則需要預留足夠長度的線纜，且隨掌子面推進需要人為進行線纜的延放，費工費料。本方案采用了抗干擾無線網橋很好地解決了這一問題，在隧道口安裝網橋接收端，在臺車攝像機安裝位置后方安裝網橋發射端。如隧道過長或開挖中有一定的角度彎曲，會對無線網橋的信號傳輸產生一定的影響，采用在一定距離或者隧道彎曲點安裝無線中繼器，可起到信號加強和中轉的作用。

1.5 監控中心

監控中心建設和部署在指揮部，是系統的核心與大腦，指揮部的安全質量部門在監控中心實時監控各控制工程的施工現場情況。監控中心系統架構，如圖3所示。

監控中心是系統的核心，實現視頻圖像資源的匯聚，并對視頻圖像資源進行統一管理和調度。其中，存儲設備實現視頻圖像資源的存儲及調用；監控平臺完成視頻解碼上墻和圖像的拼接控制；大屏采用LCD拼接屏。監控中心客戶端通過局域網獲取數據。

2 系統集成與聯動

2.1 與第三方應用系統集成

鐵路站前工程會涉及到很多應用系統，有時需要將視頻監控系統集成到第三方的應用系統中，如中國國家鐵路集團有限公司工管中心要求將視頻監控系統納入到鐵路建設工程管理平臺中，則需要視頻監控系統提供相應的接口。接口調用的主要流程，如圖4所示。

其中，虛線框的流程是可選部分，不會影響其他流程和模塊的功能使用。按實現功能的不同可以分成5個模塊，實現每個模塊的功能時，初始化軟件開發工具包（SDK）、用戶注冊設備、注銷設備和釋放SDK資源這4個流程是必不可少的。

（1）初始化SDK（NET_DVR_Init）：對整個網絡SDK系統的初始化，內存預分配等操作。

（2）用戶注冊設備（NET_DVR_Login）：實現用戶的注冊功能，注冊成功后，返回的用戶ID作為其他功能操作的唯一標識。

（3）預覽模塊：從設備獲取實時碼流，解碼顯示以及播放控制、抓圖等功能。

（4）回放和下載模塊：可以通過按時間和按文件名的方式遠程回放或者下載設備的錄像文件，后續可以進行解碼或者存儲。

（5）語音對講轉發模塊：實現和設備的語音數據對講和語音數據獲取，音頻編碼格式可以指定。

（6）報警模塊：處理設備上傳的各種報警信號。

（7）云臺控制模塊：實現對云臺的基本操作、預置點、巡航、軌跡和云臺的控制。

2.2 與報警系統聯動

報警信號由報警單元產生，報警單元主要指報警信號的發生設備，為監控系統提供報警信息。通常報警設備有紅外、煙感、溫感和緊急按鈕等，報警設備提供開關量輸出，由前端編碼器接受開關量信號并將該信號發送給監控系統，實現相關攝像機對準報警區域，在監控終端自動彈出相關視頻畫面，實現報警信號接入監控系統與報警聯動。與報警系統聯動示意圖，如圖5所示。

2.3 與人員定位系統聯動

在隧道內部署定位基站，為施工人員佩戴定位標簽。當隧道施工人員進入隧道后，在任何時間任意位置，定位基站都可以感應到信號，并將信號上傳到監控中心服務器，將位置信息實時在大屏顯示，并在服務器進行備份。與人員定位系統聯動，如圖6所示。

3 結束語

隨著網絡技術、視頻技術和智能化技術的不斷發展，鐵路站前工程有了更多提升管理水平的途徑和手段。本文研究的基于VPN的分布式視頻監控系統已在某新開工點部署和搭建，試運行結果表明，該系統能夠滿足建設單位和工程總承包單位的管理需求。

通過該系統，建設和總承包單位可以對隧道口、掌子面、車站、路基、大橋及梁場等施工現場進行實時監控，有效地解決了現場檢查不便的問題，能夠及時發現并排除各種安全隱患，實時了解施工進度和施工情況，為隧道施工多發的崩塌、突水涌砂、瓦斯爆炸等事故的分析提供錄像依據，為現場管理提供依據。本文為今后鐵路站前工程建設的施工安全管理提供了參考。