地铁高清视频监控系统网络规划设计

 　　前言

　　地铁视频监控系统对运营和治安管理及应对地铁恐怖袭击越来凸显重要性, 高清视频监控主要是为了解决在正常监控过程中“细节”看不清的问题，从运营管理和治安管理，都需要高清监控图像，高清监控采用广电标准，分辨率为1920×1080像素，高清摄像机尤其适合在地铁人流密集地方监控，现在地铁视频监控建设主要以模拟标清与数字高清监控混合，采用IP SAN存储,监控网络规划常采用通用服务器作为流媒体存储服务器进行视频流iSCSI封装，投资比较大，系统复杂，可靠性降低,有必要探讨IP视频监控iSCSI直存技术在地铁视频监控应用,对地铁电视监控网络规划科学设计起指导作用。

　　地铁高清视频监控直存条件

　　前端IP摄像机和视频编码器内置iSCSI支持功能，可直接将存储码流采用iSCSI封装直接把码流写入IP SAN的iSCSI RAID阵列,而实时监控码流一般需要使用RTP封装,必须传输至少两路码流，具有IP单播、组播传输功能，节省流媒体存储服务器，具备良好的可扩展性。

　　高清分辨率为1920×1080=207.36万像素，准高清1280×720=92.16万像素，720P分辨率为1280点×720 (逐行扫描方式)，1080P分辨率为1920点×1080 (逐行扫描方式)，1080i分辨率为1920点×1080 (隔行扫描方式)，准高清是100多万像素数字摄像机，高清是200多万像素数字摄像机。

　　配套以1080p分辨率的显示设备及相应的传输通道，就可以形成一套可称之为高清视频监控系统。

　　地铁高清电视监控系统架构

　　当前在新建的地铁视频监控系统, 基本上采用高清加标清监控摄像机监控系统,高清1080P摄像机占80%，存储采用IP SAN形式，目前主要存在两种使用iSCSI实现实时流存储的结构，分别是：

　　(1)前端IP摄像机或编码器存储码流采用iSCSI封装直接把码流写入IP SAN，而实时监控码流一般需要使用RTP封装，传输至少两路视频码流，对IP摄像机或编码器要求比较高（如图1所示）
 

　　(2) 在后端使用流媒体存储服务器完成接收RTP流，封装成iSCSI流，然后写入IPSAN，对前端设备要求较低，前端设备只需要发出一个RTP组播码流，就可以同时为存储和实时监控服务（如图2所示）
 

　　第二种存储系统需要在后端使用流媒体存储服务器，当流媒体存储服务器宕机，被网络其他它流媒体服务器接管，地铁车站通信传输系统1路千兆带宽传输100路高清封装然后送回本站存储，即便不送回存储也对占用传输带宽会很大，容易使图像延时过大,图像丢帧卡住出现马赛克现象，出现节点故障，系统可靠性降低，成本也高，监控图像存储直存是个发展方向，在模拟监控时代，监控摄像机直接接到硬盘录像机是标准常态，就是直存，进入了监控高清时代，监控图像直存到显得珍贵，本文采用第一种结构进行研究,并搭建地铁视频监控系统（如图3和图4所示）。
 

　　要求网络摄像机和视频编码器具有双码流H.264压缩技术，1路实时视频流可以以IP单播、组播传输实时监控视频流，1路实时视频流以IP单播借助内置的iSCSI支持封装，将压缩视频流直接存储IP SAN的iSCSI 磁盘阵列，这样在每个车站与经流媒体存储服务器进行iSCSI封装存入IP SAN相比可以节约原有流媒体服务器,基本50路高清需要1台流媒体服务器，系统可靠性也大大提高，成本降低，甚至车站视频监控系统不需要任何服务器包括视频管理服务器，只需在控制中心设置一台视频管理服务器对全线视频监控设备进行管理配置，将使系统简单、可靠性高、节约大量投资。

　　控制中心和车站配置的1台存储数据管理服务器，实现对控制中心和车站IP SAN存储阵列管理，有效的解决了大规模监控面临的视频海量存储管理问题，完成存储计划管理：可对所有监控点制定存储计划，实现前端监控点视频存储的自动管理。完成存储策略管理：可针对不同的监控区域采用不同管理策略，包括存储时长、RAID等级、是否支持快照等，实现对存储空间的运营，完成存储天数管理，支持视频数据高效存储、检索、下载、集中存储、重要信息的归档备份等功能。

　　每台IP SAN存储通过2～4个千兆以太网口挂到IP网上，用于接收IP摄像机和编码器转发过来的视频流。

　　RAID 5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案，通过奇偶校验信息提供冗余的存储能力，它不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上，当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。除了raid等级上的保护之外,还可以提供多个全局热备份磁盘,一旦阵列中的任何一块磁盘出现问题,全局热备份磁盘都会立即工作,达到保护数据的目的。

　　在地铁线路控制中心一般是音视频图像通过交换机和高清音视频解码器通过大屏幕图像拼接处理器上电视墙，高清音视频解码器可以带HDMI/DVI输出接口，大屏幕图像拼接处理器可以带HDMI、DVI输入输出接口，全高清LED液晶电视输入接口有HDMI、DVI，高清音视频解码器到大屏幕图像拼接处理器采用HDMI/DVI线缆，不超过15米，超过采用带有HDMI、DVI接口高清光端机。

　　在控制中心配置1台流媒体服务器，为本地或其它系统服务，其功能为控制中心监控终端和其它接入控制终端，可能同时调用同一路图像，通过由本地流媒体服务器进行图像获取及转发，减少多个控制终端从车站调用上传同一监控图像路数，只需1路视频图像占用传输带宽，这种情况一般出现当某个车站发生事件，很多控制终端都去调看同一视频源，就可能保证视频传输线路不拥挤，保证监控图像流畅。

　　在控制中心配置1台协议转换服务器，其功能为与它系统互控进行协议转换，如城市轨道交通路网指挥调度中心对各条地铁线路监控图像调用。

　　在控制中心配置1台动态车次服务器，从信号系统实时获取动态车次信息，分发给视频管理服务器，供控制中心控制终端调用在线车载监控系统图像。

　　在控制中心配置1台网管服务器，对所有监控设备进行统一管理，可管理带网管功能的设备如视频编解码器、光端机、交换机、服务器、IP SAN磁盘阵列等，支持对设备的配置、故障、性能、告警等多方面的管理，通过网管终端显示全线设备运行状况。

　　视频综合平台集IP高清摄像机、存储管理服务器、交换机、监控终端实现了高清视频监控从采集、编码、传输、切换控制到显示应用，采用IP矩阵，所谓IP矩阵是控制终端控制软件根据摄IP高清摄像机和视频编解码器及储存服务器IP地址节点显示矩阵内容，调用、切换视频监控图像。

　　高清监控接口

　　非压缩高清视频方案的传输主要通过HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI四种高清接口，DVI接口有两种，分别DVI-D与DVI-I，DVI-D只能接收数字信号，而DVI-I则可以可同时兼容模拟和数字信号，也就是说DVI-I的兼容性更强。在显卡的接口部分，看到的是DVI-I接口，而在显示器处，则是DVI-D接口。非压缩高清视频码流非常大，以30fps的速度传1路1920x1080P高清视频，所需数据速率达到1.485Gbps，采用同轴视频线或光纤传输，非压缩高清视频无法在TCP/IP网络传输，经过压缩编码大幅降低码流，可以在TCP/IP网络传输1920×1080P高清视频，采用RJ45接口，传输采用网线和光纤。

　　结束语

　　地铁高清视频监控系统可以在事件发生后提供现场高清录像，视频存储码流采用iSCSI封装直接把码流写入IP SAN，节省流媒体存储服务器，以后增加摄像机很容易，只需增加存储和交换机端口，具备良好的可扩展性，系统可靠性提高，投资也会减少，是今后建设地铁视频监控网络设计方向。

　　【作者单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院】
 

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