基于EPON技术的公园网络视频监控系统设计

2014-02-27中国五洲工程设计集团有限公司陕朝阳焦鹤勇

智能建筑与智慧城市 2014年2期

文│ 中国五洲工程设计集团有限公司陕朝阳焦鹤勇陈星

1 公园视频监控系统的必要性

公园是城市休闲、娱乐的公众活动场所，可提高市民的生活质量，也间接的推动着城市建设，为城市的发展做着独特的贡献。

随着平安城市建设的进一步发展，如何创造良好的社会环境，成为公园治安管理面临新的挑战。公园的治安管理是社会治安管理的一个重要组成部分，与社会稳定、经济建设都有着密切的关系。为了使治安管理手段更科学、高效，适应新形势发展的需要，在预防犯罪和确保良好的治安环境方面，具有十分重要的意义。

公园普遍存在面积大、场地分散、人员众多、周边的环境复杂等特点，随着近年来公园暴力事件和突发事故的增加，以及公园内监控需求的增加，越来越多的公园设计者开始考虑通过公园网络视频监控系统来提高公园的治安管理水平，建设平安公园。因此，可以预见，公园视频监控系统作为公园安防监控系统的重要承载，在公园的建设中已必不可少。

2 设计目标

基于公园视频监控系统在社会发展、人民生活中的重要性，制定以下设计目标：

（1）高可靠性：系统的高可靠性是公园治安良好的基础。

（2）先进性：科技发展日新月异，要保证系统在未来的很长时间内可以为我们服务。

（3）开放性和完整性：一方面，公园视频监控系统是公园内部独立的安防措施，另一方面，又需要配合其他安防系统，组成综合性的安防监控系统，统一管理，同时，还可以纳入到平安城市的整体规划建设，避免资源浪费和重复建设。

（4）可扩展性和易维护性：根据系统变化的要求，可以最小的投入满足将来系统的扩展和维护。

（5）易操作性：智能化的设计，减少操作的繁杂。

（6）经济性：按需选择系统和设备，做到合理、实用，降低成本，从而达到较高的性价比，降低安全管理的运营成本。

（7）安全性和保密性：注意信息的保护和隔离，针对不同的应用和不同的网络通信环境，系统应采取不同的措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。

3 系统方案设计

如今安防领域都在逐步IT化，数字网络安防系统大平台已经成为当前趋势。从视频监控技术角度来讲，传统的组网技术已经不能满足应用需求，由于EPON技术的成熟和其先天的优势，在建设网络视频监控系统时，可根据不同的应用场景选择EPON技术来实现视频监控系统的前端接入。因此，结合制定的设计目标，考虑到公园面积大、传输距离远、监控范围大、监控点较多且分布广的特点，采用基于EPON技术搭建的数字网络视频监控系统，可以满足公园视频监控系统的要求，将远距离前端监控点采集的高清视频信息上传到监控中心，进行实时监控、及时应对、高效管理、无差记录等功能。

系统采用分布式网络架构、集中式存储管理的数字网络视频监控系统。其系统架构如图1所示。

数字网络视频监控系统是由前端监控、传输、管理/控制、显示、存储五大部分组成。

管理/控制部分由视频管理服务器完成，实现多路高清视频接入、视频管理、数据管理、媒体分发并存的功能；显示部分由液晶拼接显示屏和高清解码器组成，实现多路监控视频显示功能；存储部分由存储磁盘阵列和监控级硬盘RAID阵列组成，实现多路高清视频数据存储；前端监控由高清网络摄像机组成，采集高清视频信号；传输部分由核心交换机、OLT交换机和光缆采用EPON技术搭建的传输网络实现，完成视频信号、控制信号等的传输。

数字网络视频监控系统的架构为分布式网络架构，在监控中心设置核心交换机，与各分区设备间设置OLT交换机，搭建基于IP/TCP协议的视频监控主干网络；各分区的OLT交换机与前端监控设备采用EPON技术搭建视频监控子网络。通过IP网络，视频监控范围可以覆盖公园内的任何地方。

管理/控制、显示、存储部分集中设于监控中心，便于统一管理和监控。前端设备采集到的数据采用H.264/MPEG4编码技术，数据采用流媒体技术传输和存储。同时，系统提供开放的接口，可以作为一个子系统纳入到上一级的城市安防系统甚至是物联网的平台中。

4 基于EPON技术的网络架构设计

4.1 EPON技术的特点

EPON（以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用一点到多点结构的无源光纤传输，在以太网上提供多种业务。它在物理层采用PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON采用以太网的传输格式，同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，两者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本问题。因此，它综合PON技术和以太网技术的优点：低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性、方便管理等。EPON系统由OLT、ONU和POS组成。OLT光线路终端设备一般设置在中心机房；光网络单元ONU放在用户端附近或与其合为一体；POS是无源光纤分支器，是一个一点到多点的连接一个OLT和多个ONU的无源设备，分发下行数据，集中汇聚上行数据。其上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可根据用户需求，灵活变动动态分配带宽。

在网络视频监控系统中引入EPON技术后，不但可以大大降低由于公园面积大、监控点多、传输距离远造成的巨额设备缆线、施工、维护成本，而且扩展容易、管理灵活，同时，提高光纤数据链路资源的利用率。

4.2 基于EPON技术的子网设计

图1 数字网络视频监控系统构架

EPON应用拓扑形式一般有树形和总线型两种拓扑，其中树形拓扑一般采用均分分光器，而总线型拓扑一般采用非均分分光器。根据公园实际应用，我们采用总线型拓扑结构如图2所示。当然，单一总线型拓扑并不能满足所有的设计需要，因此，在总线型拓扑的基础上，引入复合型的总线拓扑如图3所示。

在EPON网络总线拓扑的实际设计中，所带ONU的个数和传输距离的设定主要受到光功率损耗的影响。按照IEEE 802.3ah-2004的规定，OLT侧发射功率大于2dBm，接收灵敏度小于-27dBm；对于ONU发射功率大于-1dBm，接收灵敏度小于-24dBm，整个光链路的损耗上行小于24dB，下行小于23.5dB。EPON上行1310nm和下行1490nm波长在G.652光纤中的损耗约为0.3dB/km。因此，功率预算对于远距离EPON来说很重要。光链路中非均匀分光器的插入衰减参考值如表1所示。

在设计中，ONU的个数和传输距离呈反比。这里假定最远的传输距离为2km。参考图2的总线型拓扑和表1可知，第n-2个ONU处POS的插入损耗最大，即：

23.5-2×0.3-（n-3）×0.45 ≥ 15.2

此处23.5 dB为光链路下行最大光功率损耗，2×0.3为光功率在2公里光纤中的损耗，（n-3）×0.45为前n-3个POS的主干插入损耗，15.2 dB为第n-2个POS处的支线插入损耗。

由上式可以算出：当n≤ 20.1时，即当每一个光链路的传输距离不超过2km时，最大可以接入20个ONU。

对于图3中的复合型总线拓扑结构，等分比的POS位置也会影响ONU的个数，假定等分比POS的位置如图3所示，可以算出：n≤ 23.1。

不同的总线拓扑结构，不同分光比分光器的使用，都会对结果产生影响。

由上可知，在确定每条链路2km范围内的前提下，可以接入20个左右的前端设备。然而，考虑到在后期运行中线路、设备的老化，会引起线路损耗、插入损耗的增加，每条链路所带前端设备的最大数不超过15个。

图2 总线型拓扑结构

图3 复合型总线拓扑

表1 非均匀分光器的插入衰减参考值

5 管理平台系统设计

在中心设置的视频管理服务器，配置多路摄像机接入许可的license。同时，它还搭载视频管理服务软件、数据管理服务软件、数据交换服务软件，构成智能视频监控系统的核心管理平台；三个服务软件协同工作完成整个系统中所有设备的认证、注册以及控制信令的下发功能；同时这套系统支持分级分域部署，可以为以后接入上一级平台而预留空间。通过监控中心的视频系统的接入管理、认证以及权限分配功能，中心管理平台完成数据的管理功能，可通过平台完成存储资源分配以及存储设备检查和存储数据的检索功能。主要功能包括：

（1）系统管理。具有自愈能力，快速故障恢复；只处理认证、控制、配置、注册等信令信息，服务器故障时，不影响视频流的存储和监视；系统内设备实时监控，支持记录所有功能操作、异常情况的日志，并提供多种检索、查询方案；采用国际标准IP传输协议和SIP信令协议，为今后开发多种业务应用服务器提供通用接口；支持统一网管功能及对各管理服务器、存储和编解码器的统一管理等。

（2）查看实时图像。实时调阅查看所有摄像头图像，支持摄像机显示列表，支持解码器输出控制，实时视频传输支持从IPC直送客户端和解码器，无需经过视频管理服务器转发。支持轮切功能。

（3）管理和回放历史图像。实现对所有存储的历史图像资源进行检索、调阅、本地下载、回放等功能。被授权人员可对各监控点的历史图像进行回放。

（4）摄像机控制。对所有摄像头进行控制，可以通过客户端显示任意图像，并可遥控球型摄像机或者枪机云台的转动以及对变焦镜头调节。

（5）权限管理。通过赋予角色，给用户授权；支持对用户的跨域设备调用、控制权限的管理；支持对用户的信息管理；可查询所有用户的权限、状态，操作的历史记录等。

（6）设备管理。支持对各管理服务器、存储、编解码器的统一管理；支持IPC的管理配置功能；支持各管理服务器的管理等功能。

（7）报警管理和联动。支持多种报警的接收、处理、发送和确认功能；支持报警联动功能等。

（8）多级多域管理。支持多级多域；支持跨域报警事件上传、报警联动等功能。

（9）媒体分发功能。当网络不能支持组播模式时，可以利用媒体分发服务器（MS）提供媒体流复制转发和组播转单播功能。

（10）电子地图。

（11）语音业务。

6 存储系统设计

基于公园监控的实际应用管理模式以及IP智能监控系统的要求，监控平台的存储系统模式采用集中存储方式，将数据集中存储在监控中心。

存储系统由存储磁盘阵列和监控级硬盘RAID阵列组成，采用主流IP-SAN架构，支持动态RAID组扩展，支持动态逻辑卷扩展，支持磁盘热插拔及故障硬盘在线更换，存储系统写性能优先和并发写性能优化，支持主流编解码设备数据流直接写入，支持worm技术，支持多台存储设备统一管理，支持存储设备硬件监视、故障预测和报警功能，配置NAS文件共享功能，需同时支持CIFS、NFS、AFP共享协议，实现SAN+NAS。

根据系统设计目标和公园安防需要，存储系统满足全局硬盘热备份、存储图像资料30天等功能。公园视频监控系统前端采用高清网络摄像机，设计参照720P的图像分辨率格式、3M码流进行存储，按照100个监控点，存储系统容量计算如下：

式中，100为100个监控点，3M为每监控点每秒码流（Bps），除8以后为每监控点每秒码流（Bps），3600×24×30为30天的秒数。

硬盘格式化后，会有容量损失，因此需加一个0.9的容量损失系数，格式化后的总容量为：93T÷0.9≈103T。

由于监控系统对数据存储的可靠性要求严格，因此本系统的设计方案中采用RAID5数据保护加全局硬盘热备，另外考虑到监控系统的IPC写入过程当中8%的峰值漂移及整体存储空间10%的冗余，因此最终所需要的存储空间为：103T÷0.92÷0.9≈124T

本次项目中采用2T监控级SATA二代硬盘，就需要124÷2 = 62块。

7 前端设备和显示设备

显示部分由液晶拼接显示屏和高清解码器实现，实现多路监控视频显示功能。

解码器支持标准的H.264图像压缩格式，解码图像分辨率最高可达1080p，支持IP/TCP网络协议，支持接受中心服务器对设备所有业务进行配置和管理，支持设备启动时，主动从服务器同步配置，支持终端到终端或终端到指定IP地址的透明通道模式，支持点对点的单播和点对多点的组播接收方式。解码器通过VGA或者HDMI接口输出到液晶显示屏。

前端设备主要由网络高清摄像机、EPON模块组成。前端摄像机主要设置于公园的出入口、主要道路、广场、码头、停车场等人员集中或人流较多的场所，从而全方位观察、记录各主要场所的人员活动情况，提供公园的安全保障。

8 监控中心及设备间设计

公园视频监控系统应设置监控中心，可以单独设置，也可以与其他安防系统或弱电系统共用。视频监控系统的后端设备集中放置于此，便于操作、管理、维护。条件允许的情况下，监控中心要设置单独的中心机房和监控室，设备间用于放置服务器、存储器、交换机、电源等硬件设备，不但从温度、噪声等环境因素保证设备稳定、可靠运行，而且为后期的维护、升级、接入提供了条件；监控室放置显示屏、解码器、操作台等控制设备，提供管理人员高效、舒适的操作平台，从硬件上提高了公园的治安管理水平。

各分区要设置设备间，用于放置区域接入交换机（OLT交换机）、电源等设备，为前端设备的接入提供链路。设备间的大小要满足对设备的检查、维护的操作空间的要求。