探讨城市轨道交通视频监控系统的应用

赵玅圆

(通号国际控股有限公司，北京 100070)

1 概述

视频监控系统是保障城市轨道交通行车组织及公共安全的重要工具，从用户角度一般可分为专用视频监控系统和公安视频监控系统两部分。其中，专用视频监控系统为调度人员和车站值班员提供列车运行、设备室设备运行、客流情况等视频信息，在一般情况下为运营指挥提供服务，在突发情况下亦作为抢险防灾的重要手段；而公安视频监控系统是监控处理突发犯罪的系统，为各级公安人员提供实时监视画面，以便及时发现和打击违法犯罪行为。

随着近年轨道交通迅猛发展，客流不断增大，传统的模式摄像机视频图像分辨率已逐渐不能满足使用需求，对视频监控图像清晰度的需求已经从看到变为看清。地铁空间作为人员集中、流动性较强的公共场所，急需利用视频监控系统来实现全过程、全方位的安全生产和防范。

2 视频监控的发展历程

视频监控按系统发展历程基本可以划分为3个阶段，20世纪90年代之前采用模拟监控、21世纪初出现数模结合的准数字监控和近些年兴起的全数字视频监控，也称IP视频监控。

目前，随着监控技术发展，纯模拟监控系统已完全退出市场，模拟+数字监控也已大幅萎缩，以高清720P和1080P的IP摄像机的大规模使用为代表的IP视频监控市场自2010年起开始迅速增长。

2.1 模拟视频监控

模拟监控系统是以模拟标清视频信号为基础，大容量视频矩阵和VCR为核心，辅以视频分配器、字符叠加器等组成的模拟系列，其前端摄像机、车站组网、车站到控制中心间的视频信号均采用模拟监控方式。模拟信号通过视频同轴电缆连接至视频矩阵供车站人员调看，同时转化为光信号传输至控制中心，还原成多路独立的模拟信号，输出到显示设备上。

2.2 准数字视频监控

模拟监控系统的优点是在一定距离内图像质量保持得很好，而要远距离、同步传输多路高清晰视频和音频信号，性价比最高的方法是将模拟信号进行数字化，经压缩后利用专用通道进行传输，在这种前提下，模拟+数字的监控系统应运而生。

准数字视频监控系统是以DVR/IPSAN等存储和编解码技术为核心，辅以数字传输系统的监控系列,其对模拟监控系统做了局部升级，前端的摄像机采用模拟摄像机，即前端的摄像机输出为模拟视频信号，在视频引入至机房后进行数字化编码、压缩，车站的组网方式仍沿用模拟技术，但在录像以及车站与控制中心的视频传输中采用数字方式。

其特点是远距离传输采用光传输网络，不单独占用光纤资源，可以享受传输系统保护机制，可多点调看，资源共享，如图1所示。

图1 北京地铁1号线系统图Fig.1 System diagram of Beijing Metro Line 1

2.3 全数字视频监控

全数字视频监控是相对准数字视频监控而言，也被称为网络监控，是以计算机局域网与视频压缩技术为核心，辅以数字传输系统的监控系列，各车站的组网方式均采用类似于计算机局域网的方式。其车站组网、录像及车站至控制中心传输均采用数字方式，摄像机的采用方面IP网络摄像机、半网络HD-SDI/HDCVI摄像机均有应用，目前新建线以IP网络摄像机为主流。

以采用IP摄像机为例，车站摄像机前端将图像编码后与控制信号一起送入本地以太网交换机供车站人员调看，同时通过传输系统提供的共线以太网通道连接至控制中心，控制中心通过解码后转换为模拟视频信号输出到显示设备上。

其特点是组网简单，便于维护，符合监控系统高清化、数字化、网络化的发展趋势。但网络监控技术再先进，也有编解码的延时，而且网络自身易受攻击，发生网络风暴影响较大，如图2所示。

图2 北京地铁八通线系统图Fig.2 System diagram of Beijing Metro Batong Line

3 高清视频监控

当前的城市轨道交通视频监控正向着数字化、网络化、高清化、智能化的方向发展。对用户而言，最迫切的需求就是智能化和高清化，一是随着监控点位的增长，运营工作人员有限，难以实时发现突发事件，而基于全数字视频监控系统的视频智能分析技术恰恰能够协助工作人员提升处理能力；二是图像清晰度，图像越清晰，智能分析等应用业务的准确度也就越高。

从2008年开始推行高清概念，图像分辨率从以往主流的4∶3变换为16∶9，主要有准高清D4/720P（1280×720）、半高清 D3/1080i（1920×540）、全高清D5/1080P（1920×1080）等几种分辨率。

3.1 数字高清视频

网络高清摄像机（也称IP摄像机）从2010年左右开始兴起，经过2007～2008年的新技术高价期后，现在已经成为通用产品，价格也和传统的模拟摄像机没有太大区别。

数字高清视频是前端摄像机将图像成像、视频编码，网络接口及内置程序集成到一起，通过交换机网络将数字化的网络视频数据传送至机房，然后再分发给存储和调看终端，同时通过传输通道传送至控制中心实现调看和存储冗余。相对于传统的监控系统，网络高清监控的技术优势明显。

因为原理不同，导致系统结构也不同，网络化是其最基本的特征。系统主要由前端网络高清摄像机、交换机、网络存储以及各调看终端组成。

3.2 模拟高清视频

由于网络高清主要依赖网络技术，而延时、网络风暴等影响在某些极端需要安全和高效超快速监控的业务中不能接受，或者既有线改造难度较大。为了增加监控画面的实时性，降低改造项目成本，出现模拟高清（也称作“同轴高清”）,模拟高清主要有两种方式：HD-SDI和HDCVI/HDTVI。

其中HD-SDI是基于电影与电视工程师协会（SMPTE）串行链路标准，通过同轴电缆来传输未压缩数字视频的一种实时无压缩的高清广电级摄像机，经HD-SDI摄像机采集的图像不需要经过任何压缩，只进行简单模拟数字数转换后便进行传输，能满足无损和超快速监控响应的需求。在图像到达机房满足本地实时监控需求后，再编码进行存储和向上一级转发，这部分和网络高清一样，所以确切来讲还是半网络高清。

HDCVI由国内厂商在2012年首次提出，2014年被收入国标，为我国国产化知识产权的解决方案。与HD-SDI的数字高清不同的是，HDCVI/HDTVI原则上来讲仍然是模拟摄像机，只是其TVL已经达到1 000线以上，图像清晰度不输于网络高清，但其传回至机房的信号仍然是传统的模拟视频信号，从而减少信号转化所需的时间，做到实时显示。

HDCVI/HDTVI较HD-SDI相比，优势为传输距离远（HDCVI/HDTVI可做到500 m及以上的距离内可靠传输，HD-SDI传输距离为150 m）；可在同轴线缆上传输方向控制信号。劣势为图像质量会随传输距离增大而下降；另外在传输时要经过模拟到数字的转换，也会增加视频信号的损耗。

3.3 数字高清与模拟高清适用性

两种解决方案各有利弊。

数字高清视频解决方案中，数字信号通过网线传输，组网相对复杂；传输距离约100 m，长距离传输需要多层交换机实现；图像编解码时容易出现延时、暗区马赛克等问题。但是数字化信息可以更好的应用，在后期编码处理和综合分析上优势明显，这也是视频监控发展的方向。适用于对应用分析场景要求较高的新建项目。

模拟高清视频解决方案中，模拟信号可通过同轴线缆传输，组网简单，对既有模拟视频系统升级时，改造成本较低；信号传输距离较数字高清长；图像可实时调用，解决了延时问题，但信号分析和存储时仍需要进行数字化转换。适用于项目成本有限的改造项目。

4 视频编解码格式

目前，监控行业采用的视频编码技术主要有MPEG-1/2、MPEG-4、H.264、H.265。 国 际 上 制定视频编解码的标准组织有两个：一个是国际标准化组织（ISO），制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等；另一个是国际电联（ITU-T），制定的标准有H.261、H.263、H.264、H.265等。其中，H.264标准在各项指标上均有较好表面，是现在市场的主流解决方案。H.265在H.264的基础上进一步改进了码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，节约编码压缩带宽，是未来的发展趋势。

5 视频监视系统存储方式

随着高清视频监控的发展，存储数据量和调用速度都有更高的要求，这对存储方案也提出新的挑战。现阶段视频监控存储系统主要有两种，即IPSAN直存方案和云存储方案。

5.1 IPSAN直存方案

IPSAN存储方案是通过网络（IP网络），将数据转换成网络封包的一种存储标准。IPSAN存储采用成熟的存储硬件平台和安全稳定的存储管理系统，有效保证系统运行的安全性和可靠性；采用RAID技术、部件冗余保证系统的高可用性以及快速的数据恢复从而保证数据的安全；可以通过多种技术手段兼容各类型的前端视频接入。

目前的IPSAN存储设备已经实现将视频监控平台管理软件嵌入到存储器内部运行，变成一体化的应用存储平台。可取消原有视频图像存储、转发、回放都需要经过的视频服务器，减少系统节点，提高整个系统的性能和稳定性。对用户而言，在视频存储业务中，不再需要流媒体服务器、存储转发服务器。在图片直存业务中，不再需要图片服务器，大量减少交通接入服务器。

5.2 云存储方案

视频监控云存储系统架构采用分布式集群技术：由云存储管理集群、存储阵列集群网络、统一应用的API接口，通过虚拟化、云结构化和高精确视频应用存储构成。运用集群构架、负载均衡、对象存储等技术，结合视频、图片数据特点，面向应用地满足视频监控业务高可靠性、不间断的海量存储需求。采用分散存储技术加速大数据智能分析快速提取和分析效率。通过离散算法将同一通道的数据分散到不同的存储节点。然后在数据读取时各个存储节点即可同时并行发送数据，大幅提高数据读取时的吞吐量。

5.3 方案对比

IPSPN与云存储对比如表1所示。

表1 IPSAN与云存储对比Tab.1 Comparison of IPSAN and cloud storage

综上所述，IPSAN存储方案和云存储方案各有利弊，云存储作为新技术是行业发展方向，但IPSAN的高稳定性和较高的性价比也一直受到客户青睐。

6 总结

用户需求的发展总是引领着技术的更新换代，高清视频监视技术的使用，大大提升了视频的清晰度，更容易实现更多的智能分析业务功能扩展，实现精准化的智能分析，运营、公安人员可从海量数据中解脱出来，提升效率。而随着计算机及网络技术的迅猛发展，掀起数字化、网络化浪潮，数字高清视频监控更符合视频监控技术发展趋势，能够满足目前轨道交通视频监控需求，而针对一些改造难度较大的老线，采用模拟高清技术进行改造，也是一种节约成本并行之有效的方案。