高清视频监控技术在铁路建设中的应用

高清视频监控系统

近几年中国的铁路建设进入了高速发展时期，为了保障铁路的安全运营，视频监控得到了大量应用。同时，人们对图像的要求也越来越高，从最开始的能看到图像，到现在的要看到清晰的图像，再到今后的能进行处理分析的高清晰图像……等等。在数字监控潮流下，对图像清晰度的追求成为了视频监控一个重要的发展趋势，高清摄像机及高清监控系统的应用也逐渐被铁路行业所重视。

什么是高清摄像机，什么样的系统算是高清监控系统昵9国际上，SMPTE（美国电影电视工程师协会）定义的两个HDTV标准是SMPTE296M和SMPTE274M。SMPTE2694（HDTV720P）定义的主要参数有：分辨率为1280×720像素、16．9格式的高保真色彩，逐行扫描频率25／30Hz。SIVWrE274M（HDTV1080）则要求：分辨率为1920×1080像素、16：9格式的高保真色彩、使用25／30Hz和5ff60Hz的隔行或逐行扫描频率。符合SMPTE标准的摄像机表示遵从HDTV质量，并应提供HDTV的所有分辨率、色彩保真度和帧速率优点。参考国际上HDTV高清电视的公认标准，针对目前国内对高清网络摄像机的需求，高清网络摄像机的定义为“录像视频分辨率达到或超过720P（1280×720，25fps），水平解析度达到或超过700线的网络摄像机”。而其它高分辨率的摄像机可称为百万像素网络摄像机或MEGAIPC。从目前市场上发展趋势上来看，HDTV的高清网络摄像机能够获得后端高清LCD、PDP,DLP，高清监视器等更好的支持，从而获得比MEGEIPC更好的显示效果，是未来的发展趋势。而高清监控系统是指其传输的每一路图像都能达到高清分辨率，且视频采集、编码、传输、浏览、录像、回放等全面高清，并能够支持前端HIXFV高清网络摄像机的监控系统。

高清视频监控在铁路行业的应用方案

在铁路行业，高清监控系统带来的不仅是更清晰的图像和更好的效果，也带来了更大的系统性能需求、远距离传输带宽和存储等问题。什么样的高清系统才能适合铁路行业多级调阅、远距离传输、监控规模大的行业特点呢？

如图1所示，在整个传统铁路行业视频监控方案中，其中心是流媒体服务器，这种方式常见于车站监控系统的架构中。前端的编码器或者IPC输出的单播流通过网络传输到分发／存储服务器，由分发／存储服务器实现单播转多播、按需分发、按需存储。整个数据流如图1所示。在全标清系统的情况下，该方案还能基本满足多用户操作的需求，但是如果此方案应用于高清系统，则流媒体分发方式的弊端将会凸显出来：

1．服务器规模随着监控点数的增加成等比例上升尤其是高清IFC想要得到较好的应用效果，输出码流一股庄6M-SM，是传统标清的3-4假分发／存储服务器数量将会大增，并且必须增加服务器的档次，因为服务器的性能成为了方案中的性能瓶颈。

2．系统存在着较多的局部故障点，当其中某台分发／存储BR务器发生故障时，将会影响其所管理的多路视频图像的存储和实时监看，不符合交通行业对安防系统高可靠性的要求。虽然可以通过冗余服务器解决该问题，但是每个车站配置冗余服务器从成本角度考虑，现实工程中很少被实际采用。

3．前端IPC输出单播流，造成存储流和实时流占用同样带宽，如果为了得到高清系统带来的良好图像质量，那么磁盘阵列将会面临较大的压力，尤其是成本将会大幅提高：若是为了减小磁盘成本的压力，增大存储流压缩比，又会大大降低高清监控图像的清晰度。

4．大量的服务器及其设备机架不仅占据了大量设备的空间，不符合绿色环保的要求，更致命的是增加了系统的不可靠性，增多了故障点。当面对突发事件出现多个热点区域的时候，大规模突发的流量很容易导致整个服务器群的瘫痪。

在图2中，则代表了目前比较先进的一种视频监控解决方案，它采用电信领域比较成熟的软交换架构：NGN架构。管理服务器仅负责处理设备管理、信令分发、会话的建立，且不参与到实时的业务流之中（实时流和存储流）。在图2中，存储流和实时流均是通过网络直接传输到磁盘阵列、解码器或监控客户端，如此解决了此前的服务性能和可靠性瓶颈的问题。当有多个用户同时调阅同一路图像实时视频时，则通过网络组播提供支持，如图2中标号①的视频流所示：解码器和监控客户端同时调阅同一路图像，此时因为前端IPC输出的是组播流，则由网络中的交换机提供类似码流复制的功能，解决对前端IPC大规模同时调阅而带来的性能和带宽的冲击问题。这种解决方案在高清系统中带来了较多的优点：

1．监控点数的规模和服务器数量不存在强相关性，视频管理服务器仅参与会话的建立过程，而不参与视频流的分发，因此系统不存在系统瓶颈问题。单台视频管理服务器可以满足几千路的标清高清图像监控。

2．由于采用了先进的软交换NGN（业务流和控制流相分离）架构，管理月盼器发生故障不会中断监控实时流，存储流也不受影响，保障了监控数据仍然正常的记录，从架构上极大地保证了系统的高可靠性，整个系统无局部故障点。

3．前端IPC通过输出双码流（存储流和实时流），两路视频流可以单独设置码流大小，能够最大限度地发挥高清监控带来的高清晰效果，同时，又能显著降低存储的代价保障用户的投资。

4．当出现突发事件或事故、出现多个热点区域的时候，大规模突发的流量通过组播技术由交换机来进行复制、分发，从而轻松解决大规模多用户的问题，满足了公安和企业管理方在紧急情况下对高可靠性的调度要求。

上面所示场景主要应用于车站内监控，它不可避免地面临上级调度中心远程共享调阅的问题。传统的流媒体分发方案应该说能方便实现多级联网监控，而如果仅采用软交换NGN架构，组播模式的方式在铁路行业广域网、低宽的情况下将遇到较大的麻烦，因此还必须对图2进行―定的改进。

如图3所示，传统方案由于流媒体转发的特性，天然具备支持多级的架构，此时车站内的流媒体服务器除了负责分发和存储，还负责转发的功能，这势必又增加了服务器的性能压力。但是这种方案解决了对铁路广域网无法实现组播、带宽有限的问题。它将本车站内的视频图像转发给上―级流媒体服务器，由上―级流媒体服务器完成分发功能，解决了多用户同时调阅同―路图像的问题。

而采用图2的方式，由于铁路多级监控中，网络往往无法开启组播的功能，若采用前端IPC单播直接发送到上级平台，必然会消耗有限的广域网带宽，同时也受限于IPC的分发能力。那么，如何对图2的方式进行适当的修改，使其能获得高可靠性、大容量、高性能的特点，同时又能适应铁路行业广域网的共享调阅呢？

其实相应的解决办法也很简单，也就是借鉴传统方案的经验，在车站一级的监控平台上增加一台媒体转发服务器，便可解决上述问题，如图4所示。但必须注意，此时在车站一级的监控软件平台必需能同时支持前端视频流单播、组播方式，且能够根据不同的调阅需求实现自动单播／组播切换功能。这样的解决方案才能适应未来高清系统在铁路行业中的大规模应用，并能保证整个监控系统高效可靠的运行。相信高清监控系统必将在铁路行业中得到更广泛的应用，而如何应对高清监控系统对现有解决方案的冲击是值得大家共同重视的课题。