城市轨道交通视频监视系统建设方案

霍亚楠

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)



城市轨道交通视频监视系统建设方案

霍亚楠

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

介绍国内城市轨道交通线路视频监视系统建设模式演变过程,从最初的标清方案演变为高标清混合方案再到最新的全高清方案，并对高清视频系统的两大技术流派(由广播行业标准演进而来的HDTV非压缩监视技术和基于帧内及帧间压缩的HDTV监视系统)进行优缺点分析，经分析非压缩方案的建设投资是最多的，但系统图像质量优异，压缩方案会导致图像延迟和解码后视频不清晰，但造价便宜。进一步结合南京地铁11号线北段和昆明地铁6号线实际工程中视频监视系统的建设情况,分析并研究最新轨道交通视频监视系统所采用的运营和公安共享一套平台的高清视频解决方案，以期达到优化视频资源配置，节省投资的目的。

城市轨道交通；视频监视系统；运营；公安；南京；昆明

城市轨道交通视频监视系统是轨道交通运营及管理现代化的配套设备，是维护城市轨道交通运行和保证运输安全的重要辅助手段。它能够为控制中心的调度员、各车站运营值班员、公安值班员、列车司机等提供有关列车运行、防灾救灾、乘客疏导、变电所设备室设备运行情况以及社会治安等方面的视觉信息，是提高行车指挥透明度的辅助通信工具。当车站发生灾情时，视频监视系统亦可作为防灾调度员指挥抢险的工具[1]。

地铁视频监视系统由运营视频监视系统和公安视频监视系统两部分组成，由于运营和公安视频监视的需求不同，地铁视频监视系统从发展至今经历了不同的建设模式，由最初的标清方案发展为高标清混合方案再到最新的全高清方案。早期运营视频监视系统几乎全是标清监视方案，其结构简单，成本低廉，但提供的视频信号清晰度无法达到公安系统的要求。为了安全因素及打击犯罪的需求，公安系统需要另建一套高清的平台，因此出现了地铁视频监视系统高标清混合的建设方案。随着高清设备的普及及成本的不断降低，运营视频监视系统开始大量采用高清设备，这些设备可以满足公安系统对清晰度的需求。为了节省投资，实现资源共享及系统配置合理化的目的，后期地铁线路运营和公安视频监视系统开始进行融合，出现了公专合一建设的全高清建设方案[2-3]。

1 国内地铁视频监视系统建设模式的演进

国内地铁视频监视系统自发展以来主要经历了3种建设模式。

1.1 早期的标清方案

早期地铁视频监视系统受制于技术的发展，采用的都是标清方案。所谓标清，是指分辨率在400线左右，一般指达到D1(704×576，720×576)及以下[4]。标清视频技术沿用了很多年，经过不断改进和发展，方案成熟，成本易于控制，因此早期地铁建设时多采用这一方案。

地铁视频监视系统标清方案采用模拟设备先进行图像采集，再进行数字信号传输及处理的方式，前端各个模拟摄像机视频信号经视频同轴电缆传至机房分配器和标清编码器，再由编码器进行数字视频信号编码后，接入到车站交换机运营视频监视系统，摄像机图像经分配器分配后提供给公安视频监视系统。由于早期公安部门对视频监视技术指标要求不高，因此这种方案能在一定程度上满足当时的需求。例如南京地铁1、2号线，武汉地铁1、2号线等。

1.2 过渡期的高标清混合方案

由于人流密集、人员复杂、空间相对封闭等因素，地铁成为盗窃、恐怖袭击等违法犯罪行为的高发场所。为了对地铁各车站进行实时监控以便及时发现、震慑和打击违法犯罪行为，为缉查破案提供录像取证，保障乘客的出行安全，公安视频监视系统逐渐采用先进的高清技术，而这个时期运营视频监视系统依然采用标清技术[5]。

高清视频即HDTV，视频分辨率规格为720 p(1 280×720)和1 080 p(1 920×1 080)，帧率为30 Hz或60 Hz。公安系统采用的高清技术和运营系统采用的标清技术无法兼容，因此建设了一套高标清混合平台。在车站重要区域，运营视频监视系统设置标清摄像机与公安视频监视系统共享，在公安系统特殊需要地方补充设置高清公安前端摄像机。例如哈尔滨地铁1号线，无锡地铁1号线，郑州地铁1、2号线，为满足公安系统要求，均采用高标清混合视频监视系统。

1.3 目前的全高清方案

随着视频图像技术的不断改进和发展，高清技术得到了普及与推广，设备成本不断降低，运营视频监视系统也开始采用高清技术，图像清晰度和图像管理功能完全满足公安需要，无需单独再建设一套高清的公安视频监视平台，因此，视频监视系统采用运营与公安共建视频监视系统方案。例如南京地铁3号线、11号线和机场线的视频监视系统。南京地铁3号线是最早采用全高清摄像机组网方案的地铁线路，运营视频监视系统设置高清IP摄像头、高清视频解码器、视频服务器、存储、网络视频交换机等，公安不仅共享运营视频监视系统建设的前端高清摄像机，还共享运营CCTV建设的后端设备(包括以太网交换机、各类服务器、网络存储设备等)，这一方案在后续线路中得到了更好的改进与提高，已成为一个较为成熟的视频监视系统建设模式。

地铁视频监视业务走向全高清之路是必然趋势，不仅前端摄像机需要高清的，编解码设备、存储设备、显示设备等都需要高清的。在整个系统中，任何一个环节不满足高清需求，都会造成系统缺陷，达不到整体的高清质量，因此高清视频监视系统严格意义上讲是一个系统工程。目前高清视频系统有两大技术流派。

图1 HDTV非压缩监视系统

1) 由广播行业标准演进而来的HDTV非压缩监视系统(见图1)，主要使用HD-SDI(1.485Gbit/s)高清视频信号作为高清摄像机、高清光端机、高清矩阵、高清显示设备互联的标准。与高质量的图像源相对应的是高传输码流，传输非压缩的1 080 p×60 f/s的高清图像需要占用2.97 Gbit/s的带宽。若以无损视频格式降低高清数字视频源码流的方式来降低传输带宽，那么码流为2.97 Gbit/s的1 080 p高清视频，采用12 bit的RVF格式，码流虽可降为746.496 Mbit/s，但这在早期的视频监视系统中仍是很难实现的。随着光纤技术的发展，带宽限制已得到较好的解决，目前常用的高清视频系统中，采用百万高清数字摄像机，输出12 bit、746.496 Mbit/s的1 080 p 非压缩数字图像，各个站点本地实时存储本站点的8路高清视频,这样带宽为8×746.496 Mbit=5.832 Gbit/s。例如昆明地铁1、2号线是国内首次采用高清数字非压缩监控系统解决方案的两条线路，运营公安通过高清视频矩阵查看图像，运营通过高清编码器融入数字平台，公安运营共享存储设备。此方案优点突出，高清视频从图像采集到显示无延时、无损坏，主要依靠传输和交换的高带宽实现。系统图像质量优异，图像存储方案与IP高清监控系统混合形成完整的高清解决方案，但这一方案缺点也很明显，即建设投资是所有高清方案中最多的[6]。

2) 基于帧内及帧间压缩的HDTV解决方案(压缩标准主要采用H.264)是以网络高清摄像机、IP承载网、IP存储为典型系统组成的高清视频监视系统(见图2)。高清视频的前端编码，传输和交换主要依靠网络设备实现。采用压缩方案时带宽得到很大的压缩，例如采用图像编码H.264方案时，1路视频占传输带宽一般为3 M(分辨率720 p)或6 M(分辨率1 080 p)。但采用有损压缩会导致图像延迟，且视频清晰度降低等问题，因此在使用无损压缩时会给出图像压缩率、延迟时间等指标要求，例如对地铁轨道系统，无论系统规模多大，任意图像的编解码延时必须在300 ms以内，车站、监控中心显示墙任意图像调度与PC终端任意图像调度时间要小于500 ms，视频清晰度必须达到相应的要求标准等。

图2 基于帧内及帧间压缩的HDTV解决方案

1.4 各期视频监视系统方案对比

模拟视频监视系统具有设备稳定性好、兼容性强、调试方便等优点，因此在轨道交通建设的早期全都采用模拟视频监视系统，但这个时期的运营和公安视频监视系统都是单独设立的，维护量大，两个系统之间协调困难。

在过渡期，运营视频监视系统采用高标清混合解决方案，成本低，维护简单，能利用标清成熟的解决方案。但由于标清技术已不能满足公安系统对视频技术的高清晰度需求，公安系统需要在车站内布置大量的高清摄像机进行补盲，因此仍然存在部分资源重复利用、维护量大等缺点。

随着视频硬件系统的发展，高清设备成本也在不断降低，组网越来越灵活，图像质量越来越清晰，全高清视频技术在地铁视频建设中得到大力推广与发展，地铁运营系统已经可以全部采用高清视频解决方案，而高清视频监视系统能完全满足公安系统的监视需求，因此公安和运营视频监视系统开始共享一套视频平台，这一解决方案不仅具有清晰度高、故障节点少、维护量小、资源利用最大化等优点，且具有易于扩容、与后期新技术衔接较易等优势。以下对3种方案的经济成本和技术特点进行对比，见表1。

表1 视频监视技术特点对比

在全高清的两个方案中，HD-SDI非压缩监视系统与IP网络压缩监视系统都可以满足地铁需求，前者实况图像质量优质且无延时，录像质量取决于编码技术，适合地铁高清建设，但建设投资高，扩容成本高，系统较复杂；后者使用H.264级别图像编码技术，实况、录像图像质量好，低延时，投资较低，扩容简单，成本低，广泛适用于各大中城市地铁高清建设(见表2)。随着技术的发展以及地铁的建设，新的技术不断出现，比如光纤电缆的铺设使得信息传输带宽得以无限制拓宽，因此对于高清视频无压缩解决方案是一个很好的发展前景；IP网络压缩监视系统中H.265图像编码技术也开始在地铁上推广和使用，可以进一步压缩带宽，这对于IP高清视频监视系统方案也是一个发展机遇。

表2 两种高清视频解决方案对比

目前，在建和计划建设的地铁视频监视系统大部分都采用全高清解决方案，这是未来视频技术发展的趋势，而运营建立的全高清平台能够满足公安视频监视系统对图像清晰度、存储时间等的要求，因此为了实现资源重复利用，缩减成本，就会采用运营系统组建高清视频网络，公安系统共享专用高清视频平台这一方案。

2 案例分析

以南京地铁11号线北段和昆明地铁6号线视频监视系统为例具体分析。

2.1 高清数字压缩方案：南京地铁11号线北段

2.1.1 工程概况

南京地铁11号线北段南起大桥北路站，北至金牛湖高架站，并预留远期延伸至安徽天长的条件。线路全长45.2 km，其中地下线约11 km，高架线约32.9 km，地面线约1.56 km。全线设17座车站，其中高架车站11座，地下车站6座，换乘站3座[7]。

2.1.2 方案设计

南京地铁11号线北段视频监视系统采用高清视频压缩建设方案[8]。运营监视系统在控制中心和车站设置数字高清摄像机、彩色高清液晶监视器、以太网交换机、高清视频解码器、高清画面合成器、视频存储系统、视频管理服务器、录像服务器、视频控制终端等。公安系统在警务站、派出所、公安分局设置视频监视主机、监视器、交换机、公安图像专网监视操作终端等设备。公安视频监视系统与地铁运营视频监视系统在车站共用前端摄像机和专网车站存储设备，所有公安视频图像及录像由设置在运营控制中心的视频服务器经公安视频安全接入系统后转发至公安视频网络，再分发至各车站警务室、重点站与派出所、公安分局[9]等。全网系统详见图3。

图3 南京地铁11号线北段视频监视系统网络

2.2 高清数字非压缩方案：昆明地铁6号线

2.2.1 工程概况

昆明地铁6号线一期工程线路长18.018 km，设车站4座，其中高架站1座，地下站3座。

2.2.2 方案设计

昆明地铁6号线是国内首次采用高清数字非压缩方案的三条地铁监控线路之一，约1 400多个监控点，存储容量近4 900 T 。其视频监视系统同样采用运营系统建立高清视频监视系统，而公安系统通过高清视频矩阵查看图像，运营通过高清编码器融入数字平台，公安运营共享存储。昆明地铁6号线和南京地铁11号线都是基于高清视频监视系统进行解决的。为了克服高清数字非压缩方案中的一些缺点，例如带宽要求高、信号传输短等，视频监视系统辅以大量的光纤网络进行建设，在这一模式上有了较大发展。全网系统详见图4。

2.3 高清视频系统建设方案

南京地铁11号线和昆明地铁6号线的运营视频监视系统都采用全数字高清方案，在图像清晰度、图像管理功能方面完全能够满足公安需要，无需单独再建设一套高清的公安视频监视平台，采用运营与公安视频共建视频监视系统，共享前端摄像机、后端设备(包括以太网交换机、各类服务器、网络存储设备等)。运营视频监视系统为这两条线路的公安视频监视系统提供相应的操作软件，这种组网模式既满足了两个系统的功能需求，又节省了投资，而且大大节省了维护成本。

在实际建设过程中又出现了HDTV非压缩视频监视系统方案和基于帧内及帧间压缩的HDTV解决方案，其中，非压缩视频监视方案基于光纤通信网络的引入，得到了很好的发展，而基于帧内及帧间压缩的HDTV解决方案在视频编码技术的发展下也得到了长足进展，因此后期地铁视频监视系统的建设应根据实际情况进行选择使用。

3 结语

随着城市轨道交通发展速度的加快，国内各大城市的地铁视频监视系统都将使用高清数字监视系统，其中运营监视系统建立高清 视 频 监 视网络，而公 安 系统通过节点连入网络进行资源调用。在实际细节中会存在一定不同，例如信号传输是否采用压缩机制，但这一方案总体来看可以大大节省投资和维护成本，方便运营，更适合城市轨道交通视频监视系统的战略发展。

图4 昆明地铁6号线视频监视系统网络

[1] 李伟章，徐幼铭，林瑜筠，等.城市轨道交通通信[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[2] 蔡海燕.基于高清技术的地铁视频监控系统的应用分析[J].科技视界，2012(26)：84-87.

[3] 陈明华，李苏雯，马强.城市轨道交通视频监控系统整合方案的设计与应用[J].铁路计算机应用，2012(4):61-63.

[4] 陈礼云.地铁视频监控系统高清摄像机接入方案[J].中国新技术新产品,2015(2):17.

[5] 地铁设计规范：GB 50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[6] 朱小兵.非压缩高、标清混合视频监控解决方案[J].中国交通信息化，2012(5)：80-81.

[7] 北京城建设计发展集团股份有限公司.宁天城际一期工程可行性研究报告[R].南京，2011.

[8] 南京市交通规划研究所有限责任公司.南京轨道交通线网规划[R].2009版.南京，2010.

[9] 北京城建设计发展集团股份有限公司.南京市轨道交通宁天城际一期工程(大桥北路站—金牛湖站)通信系统招标文件[G].南京，2013.

(编辑：王艳菊)

Analysis on the Image Monitoring System Construction of Urban Rail Transit

Huo Yanan

(Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The evolution process of domestic urban rail transit line video monitoring system construction mode is introduced; from the initial SD solutions, HD solution, mixed solutions to the latest full HD, the two technical schools of high-definition video system (compression monitoring system based HDTV developed from the broadcasting industry standard and frame and inter-frame compression based HDTV solution) are compared. The paper shows that the compression scheme construction investment costs most, but the system image quality is excellent. Image compression scheme leads to delays and decoded video is not clear, but the cost is cheap.In view of a number of domestic construction mode of urban rail transit image monitoring Systems and the construction mode of the referring to operation and metro police's image monitoring system for Nanjing Subway Line 11 and Kunming Subway Line 6, the paper recommend metro operation and metro police share the same one platform of image monitoring systemto achieve the purpose of resources allocation and saving capitad.

urban rail transit; image monitoring system; operation; public security system; Nanjing; Kunming

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.023

2015-09-29

2015-10-27

霍亚楠，女，助理工程师，从事城市轨道交通通信系统的设计和研究，huoyanan1986@126.com

U231.7

A

1672-6073(2016)04-0102-05