城市轨道交通视频监控技术研究
张亦然
摘 要：闭路电视监视系统是城市轨道交通维护和保证运输安全的重要手段。本文分析了目前应用于轨道交通主流视频监控技术，探讨了不同系统架构、编码方案、存储方案的差异性，总结出适应于目前轨道交通发展的视频监控技术方案。
关键词：CCTV；系统架构；编码；IP；SAN
0 引言
城市轨道交通的大运载量不仅解决了人们出行问题，对安全问题提出了更严格的考量。闭路电视监视系统是城市轨道交通维护和保证运输安全的重要手段。它能够为控制中心的调度员、各车站值班员、列车司机、车辆段供电值班室值班员等提供有关列车运行、电力供电专业的变电站开关设备、防灾救灾、旅客疏导以及社会治安等方面的视觉信息。如何让这个系统更加可靠、稳定、有效率的运行，并且保证一定的技术前瞻性是需要充分分析的问题。
1 系统功能
城市轨道交通的闭路电视监控系统主要提供以下8大功能：
（1）监视功能
车站值班员监视本站站台、站厅及自动扶梯、垂直电梯、出入口情况、旅客进出自动售检票闸机情况、电力供电专业的变电站开关设备；
列车司机监视站台和旅客上下车情况；
中心调度员可在各自的显示终端或大屏幕上任意调看全线各车站、各列车任意摄像机的实时图像；
（2）录像功能
车站/车辆段/停车场对本地所有摄像机摄取的视频信号进行实时不间断录像，并保存不低于7天；
控制中心调度员可根据时间、地点等信息对全线各车站任何一路图像信号进行检索及查询，并可对所观看图像进行本地录像，录像资料应便于日后检索及查询。
（3）摄像范围控制功能
各车站/车辆段/停车场值班员能够在本地控制镜头焦距和云台摄像机，并可设定优先级。
控制中心各调度员能够远程控制各车站云台摄像机，并可设定优先级。
优先级顺序暂定为：中心防灾值班员、车站防灾值班员、中心行车值班员、中心电力调度员、车站行车值班员。
预留公安视频监控及其它共享视频信息的优先级设置，并保证优先级随时可调，且对不同的云台可设置不同的优先级。
（4）字符叠加功能
系统应能将摄像机的号码及位置、云台当前控制使用者ID、摄像日期和时间等信息进行叠加，以便在监视器上显示，且能随时调整改动。
（5）图像分析功能
关键部位（部分摄像机）的图像应具有异常图像分析功能，一旦发生异常情况，系统会自动切断正常显示在屏幕上的图像，直接弹出异常画面并伴随声光报警。包括但不限于非法闯入报警功能、可疑物品遗留报警功能、人员长期滞留报警功能、人员拥挤自动报警功能、自动客流统计功能等。
（6）系统联动功能
图像应与FAS（火灾报警）专业具有联动功能，发生火灾报警时，系统应直接弹出异常位置画面并伴随声光报警。
（7）远程电源控制功能
控制中心各调度员在需要的情况下，应能控制各车站的摄像机、监视器的电源，列车停运后关闭，开始运营前开启，以延长设备的使用时间。
（8）系统网络管理功能
主要负责对视频监控系统进行综合的监视与管理，在必要时对系统数据及配置作及时的修改。
2 系统组网方案分析
闭路电视监视系统经历了模拟视频阶段，数字和模拟混合应用阶段并在逐渐向纯数字系统过渡。
传统模拟视频系统方案的视频传输利用成对的频分复用视频光端机实现点对点的模拟光通道。虽然该技术发展应用已非常成熟，但当系统较大时，因每站需要占用较多光纤资源，资源利用率低；车站与中心之间通道无保护；且系统一旦设定，扩容较困难等不足。
相对而言，数字视频传输方式、充分利用专用通信系统的网络资源，节约光纤，光端机等模拟传输设备；享有专用网络传输通道的复用保护机制，安全性提高；传输通道网络化，便于系统管理、维护和扩展；符合当前视频监控技术网络化，数字化的发展趋势。
根据业务需求，目前有以下两种数字视频系统组网方案能满足地铁视频监视系统需要：
2.1 方案一：车站模拟+数字传输方式
该方案车站级仍然是一种基于视频切换矩阵的模拟视频的解决方案，视频信号从车站到控制中心的传输过程中采用了数字压缩编码技术。
在车站，从摄像机采集的视频信号通过视频电缆输入到车站视频矩阵，车站值班员通过控制视频矩阵的输出，选择所需要的图像进行监视。中心调度员需要调看的图像，通过车站的视频编码设备转换成数字信号后，由传输网络传至控制中心，控制中心调度员通过中心数字视频控制设备选择所需要的图像进行监视。
2.2 方案二：全数字方式
控制中心及各车站设置以太网交换机，交换机间通过传输系统的光传输网互联。车站摄像机采集的视频图像经过视频编码设备编码后接入本站以太网交换机；控制中心调度员、车站值班员处的监视终端与本地交换机连接；图像存储设备、视频服务器直接接入本地交换机，实现对图像的存储和控制。本方案由本地交换机，通信光纤传输网构成一个广域数字视频传输网络，网络中视频信号交叉切换通过交换机由视频服务器来完成，中心及车站对云台控制的优先级通过视频编码和控制设备由软件实现。
2.3 方案分析
方案一为半数字化方案，国内大部分2010年前开通的地铁线路均采用此方案，优点是技术及应用都比较成熟可靠，经过矩阵切换后再编码，节省编码设备。缺点是由于需要模拟、数字二次切换，控制软件复杂，不便于网络扩容及设备维护管理；没有实现全数字化，不易建立通用的数字化图像平台。
方案二为全数字化方案，随着数字化技术的发展，已经逐步在地铁中应用，例如北京地铁机场线工程等。该方案实现了全数字化的图像平台，不独占光纤，且享有数据传输平台的环网保护机制，具有多点观看图像、资源共享、扩容简单、等优点；只需增加编解码板即可扩容，易维护。。
两种方案的技术比较表，如表1所示。
从灵活调用，技术先行性，系统构成，扩展性等方面综合考虑，新建的地铁线路宜采用全数字方案进行系统构建。
3 图像数字编码方案选择
结合目前技术发展及国内地铁使用情况，符合闭路电视监视系统图像质量要求的编码标准主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四种。
四种编码方式中，M-JPEG占用带宽最高，但延时<80ms；其他三种延时相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三种技术都非常成熟，H.264技术也已在众多监控领域投入使用。
考虑到系统采用全数字方案后，从监控终端到中心大屏幕、到车站控制室、到公安派出所以及到存储设备四方向编码的一致性和设备的统一性，可以考虑主要采用H.264的编码技术，也可以根据工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264双编码器。
4 图像存储设备选择
目前，存储技术主要包括DAS（直接式存储）技术，NAS（网络接入存储）技术，SAN（存储区域网络）技术，随着计算机的高速发展，网络化的SAN、NAS技术逐渐取代了DAS技术成为市场主流。对比这两种技术，NAS主要侧重于用户共享数据。SAN主要侧重于磁盘、磁带以及连接它们的可靠的基础结构。就地铁实际需求而言，更适合SAN技术。SAN技术又包含IP SAN设备和FC SAN设备。
目前在轨道交通行业中，主要运用的由三种存储方案，如表2所示：
方案一：采用IP SAN存储方案
方案二：采用FC SAN存储方案
方案三：采用数字硬盘录像方案
数字硬盘录像机因技术成熟、设备便宜、实施简单，已经被广泛应用于各种监控应用场合，成为主要的存储设备。但是随着轨道交通闭路电视监视系统的不断发展，对视频存储的数量、质量及灵活性的要求越来越高，按数字硬盘录像机的性能，需配置的数字硬盘录像机数量不断增长，给后期设备维护、管理带来较大困难，且数据存储不如SAN技术可靠。
相较数字硬盘录像机，SAN技术具有存储容量大、配置灵活、安全可靠等特点，考虑技术先进性及后期运营维护等多方面因素，因此轨道交通行业宜采用SAN存储方案。
相比SAN技术下两种设备，IP SAN即将FC SAN中光纤通道用以太网实现，在节省成本、维护简单的基础上，同样充分满足系统需求。因此，IP SAN存储方案更具优势。
5 列车司机监视方式
列车司机监视的目的是了解相应站台的旅客上下车情况，监视器的设置方式主要有在站台停车位侧设置监视器方案以及在列车驾驶室内设置监视器两种方案。
由表3比较可以看出，将监视器设于站台停车位的方式简单可靠且投资较低，已建的南京、北京、上海、广州、深圳各线都是采用在站台端设置监视器方案。
采用在驾驶室设监视器方案，可以改善监视效果，司机在驾驶座椅上就可清楚地知道乘客上下车的情况。但该方案需在所有驾驶室装设监视器，不仅列车驾驶室的显示屏尺寸和安装位置受限，还存在机车的电磁干扰问题，监视图像质量不如站台上的监视器。此外，监视器与车站设备室的控制设备之间需采用无线方式传送视频信号，不仅投资费用较大、且频点使用受限，涉及车辆、PIS、信号等多专业接口，系统较为复杂，目前国内地铁较少采用此方案。
考虑到工程的可实施性，本工程推荐采用在站台停车位侧设置监视器方案。
6 结束语
经过以上分析，采用全数字的系统组成架构让系统结构变得更加简单，数据流更加归一，在这全数字的基础进行全数字的应用才得以实现。采用H.264的编码和IP SAN的应用让设备得到了统一，配置更加灵活。安全级别更高。考虑到日后调用需求增加或采用单终端多画面调用方式，在系统中车站到中心的骨干上，再预留500M视频传输带宽即可满足今后扩容的需要。
参考文献：
[1]乔彩风. 数字视频监控系统的设计与实现[J].计算机与现代化，2007（12）.
[2]元璐.数字视频监控系统关键技术的研究[J].山东轻工业学院学报，2008，（22）：1.
[3]杨磊. 视频监控领域的数字化技术[J].中国安防，2007（7）.
两种方案的技术比较表，如表1所示。
从灵活调用，技术先行性，系统构成，扩展性等方面综合考虑，新建的地铁线路宜采用全数字方案进行系统构建。
3 图像数字编码方案选择
结合目前技术发展及国内地铁使用情况，符合闭路电视监视系统图像质量要求的编码标准主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四种。
四种编码方式中，M-JPEG占用带宽最高，但延时<80ms；其他三种延时相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三种技术都非常成熟，H.264技术也已在众多监控领域投入使用。
考虑到系统采用全数字方案后，从监控终端到中心大屏幕、到车站控制室、到公安派出所以及到存储设备四方向编码的一致性和设备的统一性，可以考虑主要采用H.264的编码技术，也可以根据工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264双编码器。
4 图像存储设备选择
目前，存储技术主要包括DAS（直接式存储）技术，NAS（网络接入存储）技术，SAN（存储区域网络）技术，随着计算机的高速发展，网络化的SAN、NAS技术逐渐取代了DAS技术成为市场主流。对比这两种技术，NAS主要侧重于用户共享数据。SAN主要侧重于磁盘、磁带以及连接它们的可靠的基础结构。就地铁实际需求而言，更适合SAN技术。SAN技术又包含IP SAN设备和FC SAN设备。
目前在轨道交通行业中，主要运用的由三种存储方案，如表2所示：
方案一：采用IP SAN存储方案
方案二：采用FC SAN存储方案
方案三：采用数字硬盘录像方案
数字硬盘录像机因技术成熟、设备便宜、实施简单，已经被广泛应用于各种监控应用场合，成为主要的存储设备。但是随着轨道交通闭路电视监视系统的不断发展，对视频存储的数量、质量及灵活性的要求越来越高，按数字硬盘录像机的性能，需配置的数字硬盘录像机数量不断增长，给后期设备维护、管理带来较大困难，且数据存储不如SAN技术可靠。
相较数字硬盘录像机，SAN技术具有存储容量大、配置灵活、安全可靠等特点，考虑技术先进性及后期运营维护等多方面因素，因此轨道交通行业宜采用SAN存储方案。
相比SAN技术下两种设备，IP SAN即将FC SAN中光纤通道用以太网实现，在节省成本、维护简单的基础上，同样充分满足系统需求。因此，IP SAN存储方案更具优势。
5 列车司机监视方式
列车司机监视的目的是了解相应站台的旅客上下车情况，监视器的设置方式主要有在站台停车位侧设置监视器方案以及在列车驾驶室内设置监视器两种方案。
由表3比较可以看出，将监视器设于站台停车位的方式简单可靠且投资较低，已建的南京、北京、上海、广州、深圳各线都是采用在站台端设置监视器方案。
采用在驾驶室设监视器方案，可以改善监视效果，司机在驾驶座椅上就可清楚地知道乘客上下车的情况。但该方案需在所有驾驶室装设监视器，不仅列车驾驶室的显示屏尺寸和安装位置受限，还存在机车的电磁干扰问题，监视图像质量不如站台上的监视器。此外，监视器与车站设备室的控制设备之间需采用无线方式传送视频信号，不仅投资费用较大、且频点使用受限，涉及车辆、PIS、信号等多专业接口，系统较为复杂，目前国内地铁较少采用此方案。
考虑到工程的可实施性，本工程推荐采用在站台停车位侧设置监视器方案。
6 结束语
经过以上分析，采用全数字的系统组成架构让系统结构变得更加简单，数据流更加归一，在这全数字的基础进行全数字的应用才得以实现。采用H.264的编码和IP SAN的应用让设备得到了统一，配置更加灵活。安全级别更高。考虑到日后调用需求增加或采用单终端多画面调用方式，在系统中车站到中心的骨干上，再预留500M视频传输带宽即可满足今后扩容的需要。
参考文献：
[1]乔彩风. 数字视频监控系统的设计与实现[J].计算机与现代化，2007（12）.
[2]元璐.数字视频监控系统关键技术的研究[J].山东轻工业学院学报，2008，（22）：1.
[3]杨磊. 视频监控领域的数字化技术[J].中国安防，2007（7）.
两种方案的技术比较表，如表1所示。
从灵活调用，技术先行性，系统构成，扩展性等方面综合考虑，新建的地铁线路宜采用全数字方案进行系统构建。
3 图像数字编码方案选择
结合目前技术发展及国内地铁使用情况，符合闭路电视监视系统图像质量要求的编码标准主要有M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264四种。
四种编码方式中，M-JPEG占用带宽最高，但延时<80ms；其他三种延时相近，都<300ms。和MPEG-2、MPEG-4等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。M-JPEG、MPEG-2、MPEG-4三种技术都非常成熟，H.264技术也已在众多监控领域投入使用。
考虑到系统采用全数字方案后，从监控终端到中心大屏幕、到车站控制室、到公安派出所以及到存储设备四方向编码的一致性和设备的统一性，可以考虑主要采用H.264的编码技术，也可以根据工程需要，在需要MPEG-2的方向，可以配置MPEG-2/H.264双编码器。
4 图像存储设备选择
目前，存储技术主要包括DAS（直接式存储）技术，NAS（网络接入存储）技术，SAN（存储区域网络）技术，随着计算机的高速发展，网络化的SAN、NAS技术逐渐取代了DAS技术成为市场主流。对比这两种技术，NAS主要侧重于用户共享数据。SAN主要侧重于磁盘、磁带以及连接它们的可靠的基础结构。就地铁实际需求而言，更适合SAN技术。SAN技术又包含IP SAN设备和FC SAN设备。
目前在轨道交通行业中，主要运用的由三种存储方案，如表2所示：
方案一：采用IP SAN存储方案
方案二：采用FC SAN存储方案
方案三：采用数字硬盘录像方案
数字硬盘录像机因技术成熟、设备便宜、实施简单，已经被广泛应用于各种监控应用场合，成为主要的存储设备。但是随着轨道交通闭路电视监视系统的不断发展，对视频存储的数量、质量及灵活性的要求越来越高，按数字硬盘录像机的性能，需配置的数字硬盘录像机数量不断增长，给后期设备维护、管理带来较大困难，且数据存储不如SAN技术可靠。
相较数字硬盘录像机，SAN技术具有存储容量大、配置灵活、安全可靠等特点，考虑技术先进性及后期运营维护等多方面因素，因此轨道交通行业宜采用SAN存储方案。
相比SAN技术下两种设备，IP SAN即将FC SAN中光纤通道用以太网实现，在节省成本、维护简单的基础上，同样充分满足系统需求。因此，IP SAN存储方案更具优势。
5 列车司机监视方式
列车司机监视的目的是了解相应站台的旅客上下车情况，监视器的设置方式主要有在站台停车位侧设置监视器方案以及在列车驾驶室内设置监视器两种方案。
由表3比较可以看出，将监视器设于站台停车位的方式简单可靠且投资较低，已建的南京、北京、上海、广州、深圳各线都是采用在站台端设置监视器方案。
采用在驾驶室设监视器方案，可以改善监视效果，司机在驾驶座椅上就可清楚地知道乘客上下车的情况。但该方案需在所有驾驶室装设监视器，不仅列车驾驶室的显示屏尺寸和安装位置受限，还存在机车的电磁干扰问题，监视图像质量不如站台上的监视器。此外，监视器与车站设备室的控制设备之间需采用无线方式传送视频信号，不仅投资费用较大、且频点使用受限，涉及车辆、PIS、信号等多专业接口，系统较为复杂，目前国内地铁较少采用此方案。
考虑到工程的可实施性，本工程推荐采用在站台停车位侧设置监视器方案。
6 结束语
经过以上分析，采用全数字的系统组成架构让系统结构变得更加简单，数据流更加归一，在这全数字的基础进行全数字的应用才得以实现。采用H.264的编码和IP SAN的应用让设备得到了统一，配置更加灵活。安全级别更高。考虑到日后调用需求增加或采用单终端多画面调用方式，在系统中车站到中心的骨干上，再预留500M视频传输带宽即可满足今后扩容的需要。
参考文献：
[1]乔彩风. 数字视频监控系统的设计与实现[J].计算机与现代化，2007（12）.
[2]元璐.数字视频监控系统关键技术的研究[J].山东轻工业学院学报，2008，（22）：1.
[3]杨磊. 视频监控领域的数字化技术[J].中国安防，2007（7）.
