铁路综合视频监控系统技术方案选择

■ 赵树学 冯敬然

铁路综合视频监控系统由单独一条线建设发展到多线汇聚，在建系统需接入已开通系统，要求系统平台间互联互通。构建铁路综合视频监控系统，必须对各种关键技术方案选择加以规范、统一。通过梳理现阶段工程技术方案应用情况，对视频监控组网技术、编解码技术、存储技术、智能分析技术、互联互通等不同技术方案的优缺点进行分析，提出适合铁路综合视频监控系统的技术方案选择建议。

1 视频监控组网技术

随着社会发展和技术进步，视频监控组网技术已从模拟视频技术、数字视频技术，发展到网络化数字视频技术。

1.1 模拟视频技术

20世纪80年代末，我国铁路逐渐在特大型车站内建设和使用视频监控系统。1988年，天津站投入使用基于矩阵的模拟视频监控系统。随后，沈阳、长春、济南、呼和浩特、汉口、深圳、北京西等特大型客站相继开通基于矩阵的模拟视频监控系统。

系统主要由模拟摄像机、专用电缆、视频切换矩阵、模拟监视器、模拟录像设备和盒式录像带等构成。由于维护工作繁琐，缺少远程联网功能，无法进行远程访问，模拟视频录像占用大量存储空间，海量存储难以做到，录像质量随时间推移下降，模拟视频监控系统在铁路上的应用存在很大局限性。

1.2 数字视频技术

数字视频技术包括以DVR（Digital Video Recorder）系统为代表的模拟与数字混合视频监视模式和以NVR（Netw ork DVR）系统为代表的数字视频监控模式。

DVR系统于20世纪90年代中期出现，逐步被市场认知并大面积投入商用，几乎替代了模拟监控市场。其主要标志是用DVR设备代替了模拟视频切换矩阵，将模拟视频信号进行数字化，视频图像存储在电脑硬盘上，用户可通过DVR来控制摄像机，并可方便快速地对图像信息进行检索。

DVR系统主要由模拟摄像机、专用电缆/（光缆+视频光端机）和DVR设备等构成。

1.3 网络化数字视频技术

网络化数字视频技术最早出现于2001年，为目前正在蓬勃发展的视频监控技术。它是完全基于IP技术，面向In te rne t/In trane t应用的新一代安全监视系统。2006年12月，基于网络化数字视频技术的青藏铁路格拉段线路视频监控系统第一次正式投入使用。

网络化数字视频技术的特点是：在数字视频监控系统基础上，基于IP数据网实现大容量多级联网，统一呼叫信令格式、视音频媒体编解码格式、控制与报警格式，采用流媒体技术实现视频在网上传输，满足跨地区、多级别用户对视频资源的共享。其主要优势是：远程控制访问能力和存储能力大、经济实用、扩展灵活等。

1.4 组网技术方案选择

借助网络和计算机强大的数据处理能力，自动识别和分析图像所含信息，过滤掉用户不关心的信息，为不同用户提供不同关注点的有用信息，网络化数字视频技术为视频监控系统向高度智能化方向发展搭建了技术平台。目前该技术已在高速铁路建设中得到广泛应用，一定时期内必将日趋完善与成熟。

网络化数字视频监控系统组网应重点考虑数据传输的大容量及高效性，信息处理的实时性。具体组网方案与数据压缩编解码技术、存储技术、智能分析技术、互联互通技术、用户终端数量、用户地点及用户并发播放路数等密切相关。

2 编解码技术

视频压缩编码主要实现模拟视频图像的数字化，将有大量冗余信息的数字视频压缩并重新编码为适合存储及远程传输的视频格式。视频压缩编码是网络视频监控的核心技术，直接影响视频存储、传输和播放等环节。

目前，视频监控系统领域编解码技术主要有M PEG-1，M PEG-2，M PEG-4，H.261，H.263，H.264和AVS。

M PEG-1，M PEG-2，H.261和H.263编解码技术为第一代压缩编解码技术，设计主要着眼于图像信号的统计特性，属于波形编解码范畴。这种编解码方案存在明显缺陷，目前应用较少，下面主要针对M PEG-4，H.264及AVS编解码技术逐一进行分析比较。

2.1 MPEG-4

M PEG-4视频压缩算法相对于M PEG-1/2，在低比特率压缩上有显著提高。在CIF（352×288）标清或更高清晰度4CIF（768×576）情况下，M PEG-4可方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。录像每小时占用100 M～200 M空间，图像清晰度高，即达到DVD级图像效果。网络传输占用带宽小，一般1路图像占用带宽1.5 M～2 M b/s，能通过多种传输方式进行远程视频图像传输。

2.2 H.264

H.264算法在概念上可分为两层：视频编码层负责高效视频压缩，网络适配层负责网络适配，即针对不同的网络要求，以恰当的方式对数据进行打包和传送。H.264可根据不同应用增加不同的NAL片头，以适应不同网络应用环境，减少码流传输差错。H.264采用很多新技术，如帧内预测、自适应块大小编码模式、高精度亚像素运动估计、多帧运动补偿技术、4X4块整形变换编码等，大大节省了带宽资源。H.264的码流比MPEG-4还要节省30％的资源，其网络适应性更好，图像质量更好。但H.264性能上的改进是以增加复杂性为代价的，实现难度也显著增加。

2.3 AVS

AVS（音视频编解码标准，Aud io Video Cod ing standard）是我国第一个具有自主知识产权的数字音视频编解码技术标准。

AVS的编码效率与H.264相当，而算法复杂度仅相当于H.264的30％，解码复杂度相当于H.264的70％，软硬件实现成本都低于H.264。同时，由于我国掌握自主知识产权，专利授权模式简单，专利费用低。

2.4 编解码技术方案选择

MPEG-4，H.264及AVS编解码技术为基于模型/对象的第二代压缩编解码技术，它充分利用人眼视觉特性，抓住图像信息传输本质，从轮廓、纹理思路出发，适应了多媒体信息应用由播放型转向基于内容访问、检索及存储的发展趋势；实现了从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码技术转变，编码效率大幅度提高，符合网络化传输要求；提供了基于内容的交互，压缩范围可调整，并具有通用的访问性能。

M PEG-4标准因发布较早，产品相对成熟，算法复杂度较低，价格也较低。但相对于H.264和AVS而言，编码效率低，需占用较多带宽。

对于H.264标准，已有多家厂商提供H.264芯片，产品开始成熟。因采用多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，在不影响视频效果情况下，比M PEG-4节约30％的码率。

AVS产业化进程落后于H.264，但AVS的编码效率与H.264相当，软硬件实现成本都低于H.264。可以预见，AVS标准将成为支撑国家数字音视频产业发展的重要标准。

铁路综合视频监控系统要求编解码技术能以更低的码率实现更优秀的图像质量，需要较高的编码效率且适合网络传输。因此，现阶段建议采用以M PEG-4，H.264为主的压缩编码格式，但不排除AVS技术成熟后被逐步引入的可能。

3 存储技术

视频存储技术需综合考虑铁路综合视频监控系统应用结构、存储容量、用户分布、网络带宽及视频存储模式等诸多因素，其技术类型选择在很大程度上影响着网络化数字视频监控系统的组网方案、系统应用与工程投资。目前主流存储技术有以下几种。

3.1 DAS

DAS（Direct Attached Storage，直接连接存储），是以服务器为中心的存储结构，采用存储设备直接和服务器连接，接口主要为SCSI（Sm all Com puter System In terface，小型计算机系统接口）。存储设备可外挂在服务器上，也可内置于服务器。服务器连接在网络上，网络上任何客户端访问某存储设备上的资源必须经过服务器。由于连接在每个采集点服务器上的存储设备是独立的，视频网络上的存储设备无法实现共享，资源利用率较低。

3.2 SAN

SAN（Sto rage Area Ne tw o rk，存储区域网络），是一种以网络为中心的存储结构，主要采用FC（光纤通道）将存储系统网络化，接口为FC。SAN以数据存储为中心，通过具有高传输速率的光通道或者iSCSI （internet Sm all Com puter System Interface）直接连接，将数据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。SAN与传统DAS区别在于，DAS的存储设备专门服务于所连接的服务器，而SAN模式下所有存储设备可高度共享，系统可靠性较高，但成本较高。

如果SAN是基于TCP/IP的网络，则可实现IP SAN存储技术，其成本较采用光纤通道标准的SAN要低很多，因此在需要海量存储视频录像文件时经常被采用。

3.3 NAS

NAS（Ne tw o rk Attached Sto rage，网络连接存储），是一种专业的网络文件存储和文件备份设备。采用网络技术，以数据为中心的存储结构，可完全脱离服务器，通过与网络直接连接的磁盘阵列，接口为TCP/IP。它具备磁盘阵列的所有主要特征：高容量、高效能和高可靠；使系统整体管理和设置较为简单；即插即用产品，用户可直接通过网络共享NAS设备中的数据，解决了DAS存储对服务器的依赖及服务器的瓶颈问题。

3.4 存储技术方案选择

DAS和SAN技术主要是进行“块”存储，而NAS技术主要是进行“文件”存储。DAS和SAN技术更适合视频信息存储，NAS技术更适合文本信息存储。

综上所述，DAS技术适合应用于存储视频路数较少的地方（Ⅰ，Ⅱ类视频节点），宜应用在分散存储模式中；SAN技术适合应用于存储视频路数多且视频汇集较集中的地方（视频区域节点），较为广泛地应用在集中存储模式下；当采用相对集中存储模式时，可同时选用两种存储技术。

除正确选择存储技术外，存储策略也很重要，它将直接影响系统应用质量。系统应具有按时间、地点、事件等方式触发存储的策略，应避免无人值守机房连续对黑屏图像进行存储等情况发生，避免加大工程投资和维护成本。

无论采用何种架构进行存储系统搭建，庞大的视频监控系统都会存在成本较大、磁盘碎片及检索性能等问题。随着存储技术不断发展，不排除针对视频存储特点而专门开发存储新技术的可能性。

4 智能分析技术

视频智能分析技术已在铁路得到大量应用，青藏铁路和京津、石太、合宁、合武等高速铁路已在咽喉区、公跨铁立交桥等场所采用入侵探测和逗留检测等视频分析技术。目前智能分析技术主要分为以下2种。

4.1 后端视频分析技术

在视频接入节点的计算机/服务器上安装视频分析软件，对接收到的视频内容进行分析称为后端视频分析。

4.2 前端视频分析

通过嵌入到编码器或摄像机中的硬件处理器，完成核心算法的运行和相关计算，实现视频内容分析的方法称为前端视频分析技术。

4.3 智能分析技术方案选择

后端视频分析技术配置灵活，系统可对指定摄像头的视频图像实施分析，但由于视频移动侦测算法全部由后台服务器完成，要求后台服务器有较强的数据处理能力。目前该技术应用案例较少。

前端视频分析技术通过在前端加入视频分析模块，在前端模块中对视频图像进行分析。当有违反规则的事件发生时，向后台服务器报警并上传相应信息。该技术响应时间较快，对网络带宽和后台服务器资源占用较小。目前流行的视频分析技术大多采用这一方式。其缺点是：将前端视频分析摄像机和视频分析模块进行绑定，系统无法对随意指定的摄像头视频图像实施分析，灵活性稍差。

基于铁路承载网络现状，建议视频智能分析技术优先选择前端视频分析技术。

5 互联互通技术方案选择

铁路综合视频监控系统的建设目标就是要通过统一规划和统一技术标准，实现各类视频信息的充分共享和系统间的互联互通。其技术关键是协议和标准的统一，也就是要求各视频监控系统所对应的TCP/IP协议栈应用层的信令协议必须统一。

目前，用于网络视频监控的信令协议主要包括HTTP（超文本传输协议），RTSP（实时流协议）和SIP（会话初始协议）。HTTP属于应用层面的面向对象的协议，适用于分布式超媒体信息系统；RTSP由IETF（互联网工程任务组）制定，该协议定义了客户和服务器程序之间如何进行媒体播放会话控制的交互；SIP是IETF制定的多媒体通信系统框架协议之一，与RTSP一样，它是基于文本的应用层控制协议，用于建立、修改和终止 IP 网上的双方或多方多媒体会话。

传统视频监控系统采用HTTP协议传输信令流和媒体流，这种传输方式开销大，不利于管理，不适合大规模网络视频监控系统需求。综合视频监控系统应采用信令流和媒体流分通道传输方式。

SIP和RTSP协议都是基于文本的应用层信令协议，具备很强的扩展能力，采用媒体流和信令流分离的传输方式。SIP与RTSP的主要区别在于：

（1）RTSP协议基于TCP；SIP未对下层协议进行规定。

（2）SIP是一个会话协议，协议本身不具备媒体控制功能。针对具体应用，SIP需与其他协议配合使用，或进行协议扩展。RTSP相对较完整，除定义了会话控制信令外，还定义了完整的媒体控制信令，也提供了信令扩展功能。

（3）SIP会话可用于点对点或点对多点；RTSP会话一般是点对点。

综上所述，SIP和RTSP协议各有利弊，但SIP协议简单，灵活性好，扩展性强。除视频监控应用外，SIP还可在视频会议、网络视频点播及各类网络多媒体中应用，实际应用越来越广泛，代表了未来的发展方向，铁路综合视频监控系统宜采用SIP信令协议做会话控制。

系统无论选用SIP还是RTSP作为信令协议，报警信息无论采用信令通道还是数据（媒体流）通道传输，都应对协议扩展部分作出明确约定，才能做到真正的互连互通。

目前，铁路综合视频监控系统相关技术规范已明确规定了系统的通信协议，并在《铁路综合视频监控系统技术规范（试行）》规定了视频节点互联互通功能单元（认证授权单元AA、接入网关单元AGU、信令控制单元SCU）基础上，进一步明确互联互通需要增加的功能单元（目录服务单元DSU、数据分发单元DDU、视频系统代理SA），为系统互联互通，实现不同厂商平台间控制协议、图像编解码的转换，提供更为可行有效的技术解决方案。

6 结束语

系统性构建铁路综合视频监控系统，除正确选择组网、编解码、存储、智能分析、互联互通等主要技术类型外，还应关注图像高清、高效检索、自动减帧、夜视、系统监测及网管等技术应用，不能简单孤立地选择某个专项技术，只有将各项技术相互关联起来，综合运用并不断加以完善，才能推动视频监控技术更好地应用与发展，为铁路运输生产服务作出更大贡献。

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