高鐵網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關鍵技術解析

高速鐵路不同于一般的鐵路系統(tǒng)，高鐵本身即是一個系統(tǒng)化、集成化的大型工程，僅通信部門就涉及到10多個子系統(tǒng)，包括有線、數(shù)據(jù)、傳輸、調度、應急通信、視頻監(jiān)控等等。高鐵與普通鐵路或地鐵區(qū)別很大，例如地鐵通常時速在60公里左右，列車間隔約在3分鐘，而高鐵時速可能達到300公里，但時間間隔可能與地鐵差不多，這就對高鐵的通信指揮系統(tǒng)提出了很高的要求，同時，作為一個重要的輔助設施，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也相應的非常高。

1.高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)特點

高鐵的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，要求采用先進的視頻監(jiān)控技術，基于鐵路系統(tǒng)的IP網絡，構建數(shù)字化、智能化、分布式的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，滿足公安、安監(jiān)、客運、調度、車務、機務、工務、電務、車輛、供電等業(yè)務部門及防災監(jiān)控、救援搶險和應急管理等多種需求，實現(xiàn)視頻網絡資源和信息資源共享。高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般基于網絡架構，實現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉發(fā)及虛擬矩陣的功能。攝像機采集到視頻信號通過同軸電纜連接到DVR或編碼器，實現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機的控制信號通過RS485進行傳輸；編碼器將視頻流通過網絡發(fā)送到NVR進行集中存儲備份；存儲服務器可以將DVR或NVR的視頻資料進行重點備份；流媒體服務器可以在多個用戶訪問時進行集中視頻轉發(fā)而減少網絡及前端設備的壓力；解碼器與電視墻連接，實現(xiàn)視頻的集中大屏幕顯示還原。

2.視頻分析技術

高鐵的特點是系統(tǒng)跨度大、地理分布廣，視頻分析的環(huán)境復雜，風霜雨雪霧、攝像機抖動、火車燈光、城市燈光、昆蟲、云影等現(xiàn)象均是視頻分析可能會遇到的問題，良好的VCA系統(tǒng)應該能夠很好地平衡漏報與誤報之間的問題。鐵路不同于實驗室，對攝像機的任何角度、焦距等調整均需要一定的人力、物力，視頻分析對場景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不斷調整確。因此，不難理解多數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻分析攝像機采用的也是PTZ攝像機而不是固定攝像機了。分析模式固定后，攝像機FOV調整好，需要進入分析設置，通常，一路攝像機視頻只能進行一個模式。在鐵路應用中，主要有兩種VCA模式，一種是在重要區(qū)段及咽喉區(qū)設置入侵探測，用來識別人或動物入侵到高鐵路軌(高鐵沿線多半封閉或柵欄保護等物理方式，但還是有可能有入侵進入)；公跨鐵區(qū)域設置高空落物分析，防止高空落物對列車運行產生影響。目前這兩個視頻分析應用模式在鐵路視頻監(jiān)控中均有一定應用并表現(xiàn)良好。

目前視頻分析技術主要有兩種架構方式，一種是基于后端服務器的方式，另外一種是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式，即分布式智能分析架構下，視頻分析單元一般位于視頻采集設備附近，這樣可以有選擇地設置系統(tǒng)，讓系統(tǒng)只有在報警發(fā)生的時候才傳輸視頻到控制中心或存儲中心，相對于服務器方式，可節(jié)省網絡負擔及存儲空間。視頻分析是復雜的過程，需要占用大量的系統(tǒng)計算資源，因此服務器方式可以同時進行視頻分析的路數(shù)非常有限?；谝陨显颍壳笆袌錾现髁饕曨l分析技術多采用DSP方式，基于攝像機或編碼器。需要注意的是，基于前端DSP方式的視頻分析設備，一旦需要調整視頻分析點位，如增加或取消視頻分析功能，則通常需要更換DVS或IPC，而基于后端分析的模式則客運直接在機房或控制中心調整完成，無需更換前端硬件。通常更換DVS或IPC方式，在鐵路項目中的成本非常高。

3.冗余技術(可靠性)

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具有高可靠性，以實現(xiàn)對不同部門的運營、安全、維護等各個需求支持。對于網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以采用不同的冗余方式來增強穩(wěn)定性，從前端編碼器、傳輸網絡到轉發(fā)服務器、管理服務器及存儲系統(tǒng)，均可實現(xiàn)冗余技術。

·編碼器

編碼器可以采用雙電源、雙網卡方式增強穩(wěn)定性；或者采用“N+1”冗余方式增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時系統(tǒng)可以連續(xù)運行。

·NVR

NVR可采用“N+1”冗余增強可靠性，以保證單機故障或更換設備時系統(tǒng)連續(xù)運行。

·CMS

CMS可以采用“雙機冗余熱備”方式增強穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)無停機運行。

·存儲

存儲系統(tǒng)可以采用磁盤陣列的RAID技術實現(xiàn)高可靠數(shù)據(jù)存儲。

完全冗余的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構所示，從前端設備IPC、DVS、傳輸網絡、NVR、存儲設備NVR、核心管理平臺CMS都實現(xiàn)了冗余功能，保證了系統(tǒng)24小時高可靠運行，減少了因為網絡、電源、硬件、存儲、軟件等故障而導致的系統(tǒng)停機或數(shù)據(jù)丟失。

IPC是單體設備，提高穩(wěn)定性的辦法是在網絡短暫中斷時進行本地存儲；對于大路數(shù)DVS，可以采用“N+1”方式進行冗余，防止單體設備軟硬體失效；對于NVR，可以采用“N+1”方式進行備份，防止單體設備軟硬體失效；對于存儲設備，可采用成熟的RAID技術實現(xiàn)冗余保護；對于網絡，可以采用“雙網絡”實現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸；對于CMS，采用雙機熱備方式，雙機共享RAID磁盤陣列，實現(xiàn)冗余。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術

1.編碼壓縮技術

視頻編碼壓縮是網絡視頻監(jiān)控的前提和基礎，沒有經過壓縮的視頻數(shù)據(jù)是海量的。目前典型的視頻編碼壓縮標準是MPEG-4和H.264。MPEG-4標準采用的仍然是類似以前標準(H.261/3和MPEG-1/2)的基本編碼框架，即典型的三步：預測編碼、變換量化和熵編碼。新的壓縮編碼標準都是基于優(yōu)化的思想進行設計的，將先前標準中的某些技術加以改進。例如在原來的基礎上提出1/4和1/8像素精度的運動補償技術，使得預測編碼的性能大大提高。MPEG-4標準不僅僅給出了具體壓縮算法，它是針對數(shù)字電視、交互式多媒體應用、視頻監(jiān)控等整合及壓縮技術的需要而制定的。MPEG-4將多種多媒體應用集成在一個完整的框架里，為不同的應用提供了相應的類別(Profile)和檔次(Level)。H.264，同時也是MPEG-4標準的第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，JointVideoTeam)提出的高壓縮率視頻編碼標準。和以前的標準一樣，H.264也是采用預測編碼加變換編碼的混合編碼模式，它集中了以往各個編碼標準的優(yōu)點，并吸收了標準制定過程中積累的經驗，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標準最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比，在同等圖像質量的前提條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理，以滿足不同速率、不同解析度以及不同網絡傳輸、存儲場合的需求。

在網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，產品間的互編互解能力是非常重要的，可以降低系統(tǒng)的集成難度，便于擴展并保護成本。目前，不同廠商設備互編互解情況并不理想，也就是說兼容性不好。主要原因是不同廠家采用的編碼的標準規(guī)范(profile)及等級(level)不同，另外數(shù)據(jù)封裝格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本碼流/包)。