隨著我國第一條具有世界一流水平的高速鐵路——京津城際的開通，“高鐵”一時成為國人關(guān)注的焦點，高速鐵路安防應用同樣引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。本文以智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路的應用為例，詳細闡述高速鐵路智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)特點、聯(lián)動功能、存儲、平臺軟件等內(nèi)容，希望給讀者以啟示。

高速鐵路介紹
    首先看看關(guān)于“高鐵”的定義，國際通常將高速鐵路定義在時速200公里以上，而中國高鐵，即CRH（China Railway High-speed）的時速也定義在200公里以上，另外，我國又增加了“客運專線”的等級，客運專線是以客運為主的快速鐵路，時速200至350km/h的鐵路統(tǒng)稱為客運專線。

    京津城際是我國第一條具有世界一流水平的高速鐵路，最高運營時速設(shè)計為350公里，于去年8月開通運營；石太客運專線設(shè)計速度目標值為200公里／小時，預留至250公里／小時，于今年4月1日開通運營；合武線最高時速為250公里，于今年4月1日開通運營；武廣客運專線即將在今年年底開通，京滬高鐵目前順利進行，將于2010年正式投入運行?？梢钥闯?，我國鐵路建設(shè)進入了“高速運行、高速發(fā)展”的“高鐵”時期。

    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(diào)度、應急通信、視頻監(jiān)控等等。高鐵與鐵路或地鐵區(qū)別很大，例如地鐵通常時速在60公里左右，列車間隔在3分鐘左右，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)提供提出了很高的要求，同時，作為一個重要的輔助設(shè)施，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也相應地非常高。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)特點
    京津高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)自建成以來，運行良好，為京津高速鐵路的列車運營提供了重要的安全措施。該系統(tǒng)采用先進的視頻編碼及視頻分析技術(shù)，實現(xiàn)低碼流下高清晰視頻圖像采集、編碼、傳輸、錄像、轉(zhuǎn)發(fā)及自動報警功能。指揮人員和警務人員通過自己工作區(qū)域內(nèi)的大屏幕或電腦工作站可清楚了解轄區(qū)和全線車站、區(qū)間、橋梁、路基、機房口重點區(qū)段和設(shè)備的情況，并迅速準確處置突發(fā)事件。而伴隨著石太線和合武線的開通運營，其智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)也必將為高鐵的良好運營保駕護航。

    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(shù)，基于鐵路系統(tǒng)的IP網(wǎng)絡，構(gòu)建數(shù)字化、智能化、分布式的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，滿足公安、安監(jiān)、客運、調(diào)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(wǎng)絡資源和信息資源共享。

高鐵視頻監(jiān)控主要需求：
·路基、路口、橋梁、隧道、公跨鐵、咽喉區(qū)的視頻監(jiān)視，保證車輛安全運行；
·車站廣場、站臺、候車大廳、旅客通道等人流密集區(qū)域視頻監(jiān)視，了解旅客情況；
·無人值守變電站和照明等重要配電設(shè)備集中監(jiān)控，及時了解設(shè)備運行情況；[nextpage]
·對出現(xiàn)的緊急狀況如暴風雪、泥石流、洪水、交通意外等遠程了解及時做出反應；
·應急指揮監(jiān)控：對突發(fā)緊急事件進行無線視頻傳輸?shù)娇刂浦行摹?

    高鐵視頻監(jiān)控應用的具體設(shè)備包括攝像機（多數(shù)是室外PTZ云臺攝像機及室內(nèi)快球一體攝像機）、編碼器、硬盤錄像機（DVR）、網(wǎng)絡錄像機（NVR）、中央管理平臺(CMS)、視頻分析設(shè)備（IVS）及存儲設(shè)備。對高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求是：安全、可靠、開放、可擴充，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、實用可靠。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)難點：
·視頻監(jiān)控點位通常比較分散、跨度比較大，通常幾百甚至上千公里；
·視頻監(jiān)控攝像機戶外工作，環(huán)境通常比較惡劣；
·監(jiān)控點多為室外高桿或鋼架上安裝，施工難度比較大；
·視頻采集設(shè)備、編解碼及部分存儲設(shè)備分散地分布在無人職守機房，安裝調(diào)試成本高；
·系統(tǒng)中用戶數(shù)量眾多，系統(tǒng)需要有良好權(quán)限管理、視頻流并發(fā)訪問及轉(zhuǎn)發(fā)能力支持；
·視頻分析環(huán)境復雜，風霜雨雪霧、攝像機抖動、燈光等眾多干擾因素可能導致誤報警。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
    高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點決定了數(shù)字網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)是最好的選擇。通常，高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)分成三級節(jié)點，核心節(jié)點在鐵道部，有視頻監(jiān)控調(diào)用、匯總的需求；二級節(jié)點在各個路局/客專調(diào)度，主要為分散分布的網(wǎng)絡錄像機（NVR）、硬盤錄像機（DVR）、存儲設(shè)備，同時也有大屏集中監(jiān)控、網(wǎng)管、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)等需求；三級節(jié)點為各個車段/站，負責視頻的前端采集、編碼等。高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1。

[nextpage]設(shè)備接入
    視頻采集接入設(shè)備主要是指各類攝像機，通常機房、客運等場所一般為室內(nèi)環(huán)境，可根據(jù)情況選擇安裝一體球型攝像機或固定攝像機；而室外環(huán)境包括大橋、隧道、鐵路沿線等，通常室外環(huán)境非常惡劣，自然氣候風、霜、雨、雪及高速列車帶來的巨大震動等因素，都給攝像機質(zhì)量、工藝、安裝方式提出了嚴格的要求。

三級節(jié)點
    在各個站點，車輛段，安裝部署編碼器、硬盤錄像機，實現(xiàn)視頻的編碼壓縮和部分本地存儲。由于前端設(shè)備分布廣，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性是第一要素，系統(tǒng)的不穩(wěn)定將會給后期維護帶來巨大的壓力。另外，設(shè)備需要具有遠程維護能力，如遠程升級、遠程備份、遠程啟動等。對于變電機房，目前一般部署PTZ攝像機，聯(lián)動溫感、煙感、水淹、門磁等探測器，對機房實施保護，因此，編碼器或DVR的輸入輸出節(jié)點數(shù)目、聯(lián)動功能都是需要考慮的。

二級節(jié)點
    二級節(jié)點主要為鐵路局，在二級節(jié)點，不同于三級節(jié)點單獨的視頻采集和簡單觀看功能，二級節(jié)點存在大量的用戶，對本區(qū)段的視頻資源進行調(diào)用、回放、PTZ控制等。通常，在路局節(jié)點，一般設(shè)置多個客戶端工作站、存儲陣列、存儲服務器、流媒體服務器、解碼器、電視墻等終端，是系統(tǒng)真正的主干，也是應用的核心。二級節(jié)點是存儲和流轉(zhuǎn)發(fā)的核心，因此，通常采用大規(guī)模的存儲設(shè)備，如SAN和DAS等，流媒體服務器采集三級節(jié)點的視頻并向上轉(zhuǎn)發(fā)。

核心節(jié)點
    一級節(jié)點主要是鐵道部監(jiān)控中心（或路局中心），相當于平安城市的城市公安局總指揮中心。一級節(jié)點會連接各個鐵路系統(tǒng)，并根據(jù)需要，有選擇的調(diào)用、控制、回放各個鐵路的視頻資源，一般設(shè)置工作站、目錄數(shù)據(jù)服務器、重要錄像資料的備份服務器等。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
    高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)基于網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉(zhuǎn)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(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)而減少網(wǎng)絡及前端設(shè)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。

[nextpage]聯(lián)動功能介紹
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要與防災系統(tǒng)、動力、環(huán)境檢測等系統(tǒng)進行必要的聯(lián)動集成功能，其他系統(tǒng)可以以干接點或API接口的方式，實現(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集成報警聯(lián)動。報警發(fā)生后，視頻監(jiān)控系統(tǒng)接收報警信號，按照預先設(shè)置好的聯(lián)動程序，可以自動啟動錄像、改變錄像幀率或分辨率、畫面自動彈出、PTZ預置位調(diào)出、觸發(fā)繼電器輸出驅(qū)動燈光、警鈴等設(shè)備。編碼器干接點聯(lián)動報警功能示意圖如圖3所示。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)要考慮的因素
    在架構(gòu)鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，需要根據(jù)其線路應用特征和環(huán)境的特殊性，要考慮到各種常規(guī)監(jiān)控應用系統(tǒng)以外的特殊因素，例如以下幾個方面。

風雨雷電等自然現(xiàn)象
    風、雨、雷、電給室外攝像機帶來很大的考驗，雨雪、高溫、低溫、雷擊、大風等，每個破壞環(huán)節(jié)都可能造成系統(tǒng)維護成本的劇增，而鐵路項目的特點是跨度大，常常是山高路遠，有時還要高空作業(yè)，并且系統(tǒng)一旦開通運行再申請作業(yè)會遇到很多限制，造成成本增加。因此，室外攝像機的選型、安裝、接線及攝像機本身的高質(zhì)量尤其重要。

長距攝像問題
    高鐵監(jiān)控，按照點位主要分為室內(nèi)機房、室內(nèi)候車廳、售票處及室外廣場、站臺等，這些位置的攝像機部署沒有特別特殊的地方，但是另外一個點位較多的應用就是鐵路沿線，綿延的鐵路，是長距攝像機的絕對用武之地，長距攝像機可能需要監(jiān)控幾十米、幾百米甚至幾公里，那么，意味著長距攝像機可能需要有幾公里的望效果。望攝像機并非簡單的攝像機加長焦距鏡頭。簡單說，當焦距拉到一定長度時，手動鍵盤的操控很難去定位一個很遠處的目標物，也就是說，攝像機的微步控制功能很重要。另外，高空望攝像機，抗抖動、夜視照明問題等都需要重點考慮。[nextpage]

預置位精度
    高鐵監(jiān)控中，為了快速定位場景或響應報警，通?？蛻魰O(shè)置多個預置位供將來快速調(diào)用應用，預置位的數(shù)量通常不是問題，目前多數(shù)攝像機支持128甚至256個預置位，而實際項目上也不會用到這么多，但是預置位的精度是考察PTZ攝像機的重要指標，例如，當用戶設(shè)置好一個預置位后，通常日后調(diào)用，有的攝像機預置位會出現(xiàn)偏移，這樣不得不再次進行手動微調(diào)，失去了預置位本身的意義，影響使用。

編碼器及DVR的選型
    高鐵項目中，編碼器及DVR通常分散部署在各個站點機房內(nèi)，因此，編碼器及DVR需要具有超穩(wěn)定的性能（嵌入式編碼器和嵌入式DVR是首選），良好的聯(lián)網(wǎng)能力、遠程管理及升級能力。由于網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)復雜、跨度大、路由多，因此需要編碼器設(shè)備能夠具有本地緩存功能，在網(wǎng)絡暫時終端情況下不至于丟失視頻，一旦網(wǎng)絡恢復能夠?qū)⒁曨l補充給NVR存儲。另外，圖像清晰度、雙碼流支持、雙向音頻支持、報警輸入輸出數(shù)量等都是需要考慮的指標。

編碼標準
    目前，鐵路項目中主要采用的是MPEG-4編碼技術(shù)及H.264編碼技術(shù)，將來可能部署AVS編碼，采用幀內(nèi)壓縮與幀間壓縮相結(jié)合的方法去掉視頻信息的時間和空間上的冗余信息。編碼設(shè)備時延應不大于300ms，每一級轉(zhuǎn)發(fā)時延應不大于500ms，解碼設(shè)備時延應不大于300ms，PTZ響應時延應不大于500ms，系統(tǒng)前端采集設(shè)備到用戶監(jiān)視終端時延應不大于3s。

視頻分析技術(shù)在高鐵監(jiān)控的應用
    視頻分析，即Intelligent Video Surveillance，簡稱IVS，是近年來新興的一個技術(shù)，其核心思想是利用計算機系統(tǒng)智能識別技術(shù)將值班人員從長期的“盯屏幕”監(jiān)控狀態(tài)解脫出來，為視頻監(jiān)控系統(tǒng)增加智能識別、預告警及智能檢索功能。視頻分析技術(shù)在在鐵路建設(shè)上已經(jīng)有一定的成功實施案例，具體分析模式集中在入侵探測、（滯留）檢測和逆行檢測及攝像機自身維護（如聚焦模糊、信號丟失、視頻遮擋等）。

IVS技術(shù)應用難點
    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IVS系統(tǒng)應該能夠很好地平衡漏報與誤報之間的問題。不同的具體項目，攝像機的場景FOV（Field Of View）不同，有的線路上當列車經(jīng)過時，會充斥整個畫面，而有的線路上，列車經(jīng)過，充斥一部分畫面而已，因此需要根據(jù)不同場景選擇策略、調(diào)整參數(shù)甚至底層算法微調(diào)。另外，在長焦距情況下，遠端很小的目標應該能夠探測到（考察IVS產(chǎn)品最小識別像素）；在大風環(huán)境下，抖動的攝像機不應該誤報（比如抖動范圍在10個像素內(nèi)）；多預置位分析功能，如在多個不同預置位下設(shè)置分析，然后可以自動調(diào)用預置位并快速進入分析模式；應該具有各種自然氣候條件下的過濾及補償程序。[nextpage]

IVS應用的模式
    鐵路不是實驗室，對攝像機的任何角度、焦距等調(diào)整均需要一定人力物力，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(diào)整，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(diào)整好，需要進入分析設(shè)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IVS模式，一種是在重要區(qū)段及咽喉區(qū)設(shè)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，但還是可能有入侵物進入）；公跨鐵區(qū)域設(shè)置高空落物分析，防止高空落物對列車運行產(chǎn)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。

IVS系統(tǒng)設(shè)計
    由于IVS是新技術(shù)，新產(chǎn)品，因此大多用戶對此并不是很了解，IVS廠家需要站在用戶角度，幫助用戶做好項目前期調(diào)研分析，弄清楚客戶的需求和期望；同時，IVS廠家有必要讓客戶清楚IVS是有限的智能而并非萬能，IVS到底能做什么，不能做什么等。在系統(tǒng)設(shè)計階段，IVS廠家需要與攝像機安裝單位等進行溝通，明確攝像機的設(shè)備參數(shù)要求、及攝像機安裝角度方位問題，以最大限度發(fā)揮其功能。

IVS系統(tǒng)調(diào)試
    對于高鐵這樣的大型戶外項目，IVS系統(tǒng)調(diào)試階段工作量比較大，首先廠家根據(jù)現(xiàn)場情況及經(jīng)驗進行粗調(diào)，然后派人現(xiàn)場模擬，然后再調(diào)試。從調(diào)試到試運行，可能需要不止一次的現(xiàn)場模擬，其目的是改進視頻分析探測效果。視頻分析調(diào)試不是一步完成的，一般分測試調(diào)試、初步、深度調(diào)試等。由于系統(tǒng)在戶外應用，風霜雨雪霧、夜晚、白云、車燈、蚊蟲、崎嶇的地形等都給視頻分析帶來挑戰(zhàn)。因此需要多次深化調(diào)整參數(shù)，并且需要根據(jù)不同典型現(xiàn)場進行模擬測試，從不同角度，不同距離模擬入侵，然后根據(jù)測試結(jié)果反饋調(diào)整參數(shù)。

IVS系統(tǒng)架構(gòu)
    目前視頻分析技術(shù)主要有兩種架構(gòu)方式，一種是集中后端服務器方式，另外一種采用前端DSP方式，目前，越來越多的人傾向前端DSP方式，即分布式智能分析，主要表現(xiàn)在以下方面。

    DSP方式可以使得視頻分析技術(shù)采用分布式的架構(gòu)方式，在此架構(gòu)下，視頻分析單元一般位于視頻采集設(shè)備附近，這樣，你可以有選擇地設(shè)置系統(tǒng)，讓系統(tǒng)只有當報警發(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，大大節(jié)省的網(wǎng)絡負擔及存儲空間。另外，此方式可以使得視頻分析單元直接對原始或最接近原始的圖像進行分析，而后端服務器方式，服務器得到的圖象經(jīng)過網(wǎng)絡編碼傳輸后已經(jīng)丟失了部分信息，因此精確度難免下降。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分析的視頻路數(shù)非常有限，而DSP方式?jīng)]有此限制。

    基于以上原因，目前市場上主流視頻分析技術(shù)均采用DSP方式，基于攝像機或編碼器。[nextpage]

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的存儲
    存儲的部署應該是靈活的，可以選擇報警觸發(fā)存儲、預置時間表存儲、手動啟停存儲等；存儲的架構(gòu)應該是主流架構(gòu)如DAS、NAS、SAN等，一般采用RAID5冗余方式。存儲的需求一般是正常錄像和報警錄像分開并設(shè)置不同周期，例如正常錄像7天，報警錄像30天。存儲系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計應該根據(jù)項目需求情況、網(wǎng)絡情況進行部署。

·應支持對視頻圖像信息的手動備份存儲；
·視頻信息的錄像存儲、事件觸發(fā)存儲和計劃存儲功能；
·系統(tǒng)應支持用戶根據(jù)時間、地點、事件等多種條件進行檢索和回放；
·系統(tǒng)應支持多用戶同時調(diào)用檢索視頻圖像；
·DVR、NVR可以工作在多種存儲歸檔模式下；
·系統(tǒng)應支持下載到本地回放錄像和遠程直接回放錄像的方式。

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的平臺軟件
    系統(tǒng)軟件平臺包括核心數(shù)據(jù)部分和客戶端工作站，核心數(shù)據(jù)服務器包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及核心軟件，而工作站系統(tǒng)應包括用戶管理、權(quán)限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平臺應支持對各種視頻設(shè)備資源、設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視及維護、通過軟件對系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)進行配置、對系統(tǒng)用戶的注冊、認證、刪除及權(quán)限分配進行管理等功能。系統(tǒng)應具有日志管理功能，能夠通過操作日志對操作人員進入、退出系統(tǒng)的時間和主要操作情況進行記錄，支持日志信息查詢和報表制作等功能。

·數(shù)據(jù)管理：全線所有設(shè)備的類型、版本、數(shù)量、編號的集中“登記注冊”于數(shù)據(jù)庫；
·監(jiān)視功能：對全線所有監(jiān)控網(wǎng)點可通過網(wǎng)絡進行實時圖像調(diào)用，為領(lǐng)導應急指揮和決策調(diào)度時顯示提供參考；
·網(wǎng)管功能：對全線所有監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)元設(shè)備運行情況進行監(jiān)控和管理，實時顯示各種設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和告警信息；
·告警管理：記錄并顯示設(shè)備、系統(tǒng)和通信部分的告警，并記錄告警的處理情況，可以導出普通文件格式；
·控制功能：對全線所有監(jiān)控網(wǎng)點的PTZ控制和及繼電器輸出節(jié)點控制；
·語音對講：對前端安裝有語音設(shè)備的監(jiān)控點，可實現(xiàn)實時語音對講，或單向“喊話”功能；
·數(shù)據(jù)存儲：支持視頻的本地存儲和中心備份，具有多種自動、手動存儲方式。

結(jié)語
    到目前為止，全國鐵路客運專線項目已經(jīng)開工建設(shè)近１萬公里，2009－2010年還將開工建設(shè)約１萬公里。按照現(xiàn)在的建設(shè)速度，到2012年，將有1.3萬公里客運專線建成投產(chǎn)。北京南站、天津站、武昌站、青島站等一批現(xiàn)代化客站將投入使用，包括近幾年相繼建成的51座現(xiàn)代化新客站。這一切都預示著鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的市場前景。

    （作者簡介：本文作者西剎子系國家一級建造師，系統(tǒng)集成項目經(jīng)理，8年安防行業(yè)設(shè)計、咨詢、調(diào)試經(jīng)驗；是安天下網(wǎng)站站長，并建有個人博客）