既有視頻網絡接入網絡級視頻監控系統的研究與實現
——以上海市軌道交通為例

丁仕標 （中鐵四局集團電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

1 引言

上海地鐵網絡級視頻監控平臺系統（NVS）是基于軌道交通高速信息網的視頻監控系統，系統平臺采用基于通用服務器架構的云架構體系搭建完成，將能夠調用上海市軌道交通所有線路的視頻監控資源，為運營與公安部門各個級別的管理者供以與列車的運行、乘客的疏散、防災和救災及社會的治安等相關視頻的信息[1]。

上海地鐵自1993年第一條線路運營至今，存在多種模式并存的視頻監控系統老舊線路，如何將這些視頻監控系統進行整合集成，并兼容接入到各高速網用戶，是NVS實現功能急需解決的問題。

目前既有視頻監控系統網絡架構各不相同、互連方式不一，同時還存在設備老化，網絡帶寬不足等問題，導致各線路既有視頻系統網絡互連非常困難，如果網絡互連架構不合理，將會影響整個網絡的穩定運行及實施效果。《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》（GB／T 28181）在2012年6月升級成為國家強制標準，NVS在支持GB／T28181協議的基礎上還要同時滿足既有接口如綜合監控、車載PIS及公安視頻監控等系統對接需求，確保接口功能正常使用。因此，迫切需要研究一種適用高速網平穩接入既有全線視頻監控系統視頻網絡的全網絡架構方案[2]。

本文通過對上海軌道交通既有視頻網絡架構進行充分的現場調查和分析，并針對不同網絡架構提出針對性解決方案，解決實施過程遇到的問題，制定出相對應的兼容性好、可靠性高的網絡架構解決方案。

2 既有視頻網絡架構調查和分析

2.1 既有視頻網絡架構的分類

視頻監控系統經歷了模擬、數字階段，隨著高清數字攝像技術、數通技術、圖像處理技術及壓縮編解碼技術的快速發展，以IP網絡為核心的視頻監控系統應運而生，其極大地提高了視頻監控系統的可靠性和高效性，且滿足高可靠海量高清圖像存儲需求和符合未來視頻監控發展方向，在城軌運行中起到越來越重要的作用[3]。

上海市目前視頻監控系統網絡架構可分為四種典型情況：①模擬矩陣為核心的視頻網絡架構；②模擬攝像機加數字編碼器相結合的視頻網絡架構；③部分車站模數相結合、部分車站全高清在單條線路上并存的視頻網絡架構；④全高清視頻網絡架構。

2.2 模擬、模數結合視頻網絡架構現狀調查分析

①現狀調查：模擬、模數結合視頻網絡架構基本一致，以軌道交通2號線為例，每站的車站交換機通過線路級傳輸系統與控制中心交換機互連。上層網軌交總隊交換機通過上層1網傳輸系統與2號線控制中心交換機進行三層路由互連，各公安分控、COCC、備用COCC交換機通過以太網光端機點對點與2號線控制中心交換機進行三層路由互連。網絡架構如圖1所示。

圖1 2號線網絡架構圖

②分析：既有系統網絡架構簡單，車站、中心、上層網三層網絡采用統一靜態路由實現互連，業務邏輯清晰、直觀，但同時也存在設備老化，缺少替代備件等問題。控制中心至上層網公安分控等節點采用點對點光端機互連方式，其傳輸鏈路僅一條，利用上層1網傳輸系統與軌交總隊互連，其帶寬資源有限（100M以內）。這種互連方式的缺陷主要包括：點對點的鏈路且無備份鏈路，無冗余保護功能，一旦鏈路中斷，其承載的業務也全部中斷；由于上層1網傳輸系統帶寬的限制，也影響了上層用戶對各線路同時調用視頻圖像的路數等。

2.3 模數結合與全高清并存的視頻網絡架構現狀調查分析

2.3.1 現狀

模數結合與全高清并存的視頻網絡架構主要包括軌道交通 5、9、10、13 號線，以最為典型復雜的9號線為例：①模擬線路的車站交換機通過線路級傳輸系統與控制中心交換機互連，上層網軌交總隊交換機通過上層1網傳輸系統與9號線控制中心交換機進行三層路由互連，各公安分控、COCC、備用COCC交換機通過以太網光端機點對點與9號線控制中心交換機進行三層路由互連；②全高清制式的車站交換機通過線路級傳輸系統與控制中心高清段交換機互連，新四線上層節點交換機通過與控制中心高清段交換機進行三層網絡路由互連。網絡架構如圖2所示。

圖2 9號線網絡架構圖

2.3.2 分析

既有系統模擬段車站至中心采用兩層網絡、中心至上層網采用三層靜態路由實現互連，高清段車站、中心、新四線上層節點采用三層網絡靜態路由實現互連，高清段網絡與模擬段網絡通過中心交換機直連的方式進行互連。模擬段系統除本身具有的問題外，還與高清段系統的網絡地址在同一網段，一旦設備IP有沖突的情況出現，將會影響全網絡的正常運行，甚至可能出現網絡風暴等嚴重問題。

2.4 全高清視頻網絡架構現狀調查分析

①現狀：全高清視頻網絡架構主要包括軌道交通17、浦江線，以站點較多的17號線為例：車站交換機通過線路級傳輸系統與控制中心交換機互連，新四線上層節點交換機通過與控制中心高清段交換機進行三層網絡路由互連。網絡架構如圖3所示。

圖3 17號線網絡架構圖

②分析：既有系統網絡架構簡單，車站、中心、上層網三層網絡采用統一靜態路由實現互連，業務邏輯清晰、直觀，系統為新建系統，設備狀態都較好，網絡帶寬和性能都比較理想，但控制中心交換機與外界的互連接口處缺少網絡安全設備，線路側網絡存在一定的風險。

3 網絡級視頻監控系統全網絡架構方案

3.1 方案概述

針對目前既有四種視頻網絡架構存在的接口帶寬限制、無鏈路冗余保護、缺少網絡安全保護等不足，最終確定了以下方案。

在各線路控制中心增加三層以太網交換機、防火墻等設備，新增以太網交換機與既有視頻系統交換機做三層路由互連，接口采用千兆口，解決了互連鏈路帶寬不足的問題；經過新增的防火墻與高速數據網傳輸系統互連，彌補了既有系統無網絡安全保護的缺陷；高速數據網傳輸系統具備網絡冗余功能，保證既有系統與高速數據網各上層節點的網絡冗余，最終實現高速數據網上層各節點與既有線路中心及車站的網絡互連[4]。

下面以9號線（模數結合與全數字高清并存的視頻網絡架構）為例，具體分析數據結合與全數字高清網絡架構如何并存，同時向高速數據網各節點傳送不同制式的網絡數據。

3.2 網絡級視頻監控系統全網絡架構實施方案

①網絡架構：9號線網絡架構如圖4所示。

圖4 9號線網絡架構圖

②改造系統實現方案：

在9號線控制中心新增1套高速網以太網交換機及1套防火墻。高速網交換機分別與控制中心模擬段交換機和高清段交換機互連，由于模擬段網絡的設備IP地址與高清段網絡的設備IP地址屬于同一網段，存在網路地址沖突問題，因此需要將其中一個網段的網絡地址進行更改，考慮實際情況以及實施的可行性，最終確定采用NAT的方式將模擬段網絡地址進行了轉換，并通過三層路由與高速網交換機進行互連，實現了模擬段、高清段既有網絡同時與高速網交換機互連。高速網交換機經過新增防火墻與高速網上層節點進行三層路由互連，最終實現高速網上層節點與9號線模擬段、高清段網絡互連。

4 實施過程中遇到的問題及解決方法

4.1 系統穩定性問題

網絡級視頻監控系統全網絡的互連架構應用于COCC、備用COCC、軌交總隊、公安分控中心、其它外部接入單位等各種場景。由于網絡結構復雜，涉及的線路眾多，且是不間斷運行的實時在線系統，需要從各線路控制中心進行視頻數據調用，系統的穩定性也成為數據價值實現的基礎。

本方案在現場進行了系統穩定性測試，主要包括NVS信令準確性測試及信令穩定性，以此來驗證網絡級視頻監控系統全網絡架構的可行性。

①通過NVS客戶端進行各種界面操作，在足夠時間段內，統計“發送信令”、“應返回信令”和“實際返回信令”，判斷“應返回信令”和“實際返回信令”是否一致，從而驗證NVS信令的準確性。

以9號線為例，測試結果如圖5所示。

圖5 2號線信令準確性測試結果

以上測試結果為：“應返回信令”和“實際返回信令”一致，驗證了NVS信令的準確性。

②通過NVS客戶端進行各種界面操作，在足夠時間段內，統計“發送信令類型”、“發送信令時間”、“返回信令時間”和“間隔時間”，判斷“間隔時間”均在一定范圍內（標準為1000ms），從而驗證NVS信令的穩定性。

以9號線為例，測試結果如圖6所示。

圖6 9號線信令穩定性測試結果

以上測試結果為：“間隔時間”均在1000ms以內（標準為1000ms），驗證了NVS信令的穩定性。

4.2 系統兼容性問題

目前部分線路的既有視頻監控系統網絡與網絡級視頻監控系統，網絡互連時系統兼容性較差，主要為以下三個原因：

①網絡設備類型不同，互連的網絡設備類型為三層以太網交換機、路由器并存方式；

1.1臨床資料:選取2016年1月至2017年6月我院的肢體功能障礙腦梗死患者70例進行分析,共有男性68和女性52例,均是49至76歲患者,平均67.9±7.8歲;合并疾病:49例高血壓、12例冠心病、10例呼吸系統疾病、6例糖尿病。所有患者均符合1995年全國第四屆腦血管病學會制定的腦梗死診斷標準,排除合并認知障礙、精神病及有精神病家族史的患者。將患者分成對照組和觀察組,使用不同護理方式,兩組都有60例患者,其一般性資料對結果不產生影響。

②網絡設備品牌不同，互連的網絡設備品牌涵蓋了進口品牌（思科、MRD、ALCATEL）、國產品牌（華為、華三、MOXA）；

③使用年限以及配置方式不同，由于既有線路建設年代的不同，使用設備的年限也是從近三年至近二十年不等，其配置的方式也各有不同。

解決方法：

本方案在實施前，充分考慮其與既有系統的兼容性，以相關建設指導意見為參考依據，在各個線路控制中心，充分調研既有系統的網絡設備現狀（品牌、類型、配置等參數等），并通過現場環境模擬、現場實際測試的方式，最終根據既有線路情況制定出針對性方案，以6、8號線為例，既有網絡設備為路由器，且使用年代已久，數據配置無法導出，也無法對其進行數據配置的修改，經過反復評估論證，最終確定采用更換部分既有設備的方案[6]。

5 網絡級視頻監控系統全網絡架構實施成果

經過現場調查分析論證以及反復測試，在充分考慮實施的可行性、項目的經濟性的基礎上，最終確定了系統網絡架構。如圖7所示。

圖7 最終系統網絡架構圖

本方案最終的實施效果主要體現在以下方面：

①為COCC、BCOCC、軌道及公交總隊、公安分控中心等高速網上層用戶提供了不同架構的傳輸通道，并具備后續節點的平滑接入功能；

②解決了既有系統控制中心至上層網各節點之間的帶寬限制問題；

③解決了既有系統控制中心至高速數據網各上層節點之間的網絡冗余問題；

④解決了9號線同一線路中存在相同網絡地址段，需要通過不同路由與高速數據網各上層節點之間的網絡互連問題；

⑤解決了6、8號線既有網絡設備老化、不具備更改配置與新系統對接能力的問題，同時也解決了既有上層網6、8號線不穩定、網絡互通導致廣播包影響兩條線路的視頻質量問題，為用戶消除了相關的故障和隱患；

⑥本方案實現了多個上層網節點（高速數據網上層節點和既有上層網節點）能夠同時與既有系統網絡互連，且相互不受影響，為網絡級視頻監控系統接入上海所有軌交線路視頻監控系統提供了穩定可靠、兼容性好的網絡基礎。

6 結論

本文針對網絡級視頻監控系統網絡架構技術難點多、對接對象多、系統風險高、施工復雜等特點，通過調查分析論證的方式，在充分考慮用戶需求及實施可行性的基礎上，對不同的既有網絡系統分別制定相應的合理互連方案，對傳統視頻監控系統互連網絡架構在不同設計、復雜施工條件下應用改進和提高，對確保本網絡級視頻系統網絡與既有視頻系統網絡能夠在較短的時間內高效、順利完成互聯、互通起到決定性作用。

方案的實施成功解決了各類上層網用戶調用視頻困難、用戶體驗差等問題，提高了網絡的整體性能，使系統達到了平穩過渡、運營狀態影響可控的效果，同時施工可操作性強，經濟效益顯著。可以在全國軌道交通、平安城市等視頻監控系統改造，不同的視頻平臺之間對接、數據網改造項目中推廣使用。