对平安城市建设及方案的若干思考 - 安防知识网

本文论述了以视频联网监控系统为核心的平安城市建设工程，以及其中的技术要点和难点，并给出了若干对策，以供业内人士参考。 r n

发展是执政兴国的第一要务，稳定是促进发展的基本保障，和谐是党和政府的既定方针，平安是构建和谐的重要前提。\r\n为了维护社会治安，公安部正在全国22个城市开展以市、县、派出所三级视频联网运行为目标的“3111”试点工程，并在确定了第一批21个科技强警示范城市后、又确定了第二批共38个科技强警示范城市，在此带动下全国有400多个城市都正在不同程度上推进平安城市建设。\r\n作者受公安部派遣参加过全国11个省市“3111”试点城市方案的评审，参加了TC100安防标委会组织的“城市监控报警联网系统通用技术要求”标准的历次审查，参与了中国安防产品行业协会“3111”工程推荐产品的评选，发表一些个人的感受和观点，以供关心平安城市建设的各界人士参考。\r\n平安城市建设工程的基本框架\r\n1、平安城市工程的基本特点总体投资大，技术要求高，涉及用户广，链接环节多（涉及到图像的采集、传输、存储、管理、共享等环节）。技术上对系统的要求包括：标准化（Standards）、可靠性（Reliability）、可用性（Usability）、可扩展性（Extensibility）、可访问性（Accessibility）。\r\n2、平安城市建设大多以现有公安系统为主体，目标是建成涵盖整个城市的视频图像监控系统，大多具有市公安局（监控中心）——区县公安分局（监控分中心）——基层派出所或街道（监控子系统）三级视频联网系统结构，如图1所示。\r\n3、视频图像网络构建方式与接入模型。视频图像网络构建与接入模型可有以矩阵为基础的模拟视频接入网、以矩阵为基础的数字视频接入网、全数字视频接入网三种基本形态，它们通过传输网络与使用单元和平台管理系连接在一起。\r\n使用单元既可接受传送来的数字视频图像，经解码后送往监视墙，或通过客户端软件解码观看；也可接受传送来的模拟视频图像。\r\n平台管理系统用于对图像系统中的所有设备、图像资源及用户进行管理，主要实现用户管理、设备管理、图像资源管理、路由与传输干线管理、运行管理和时间管理等功能，提供视频服务、目录服务、WEB服务和GIS服务等。\r\n1.以多级模拟矩阵级联来构成的系统结构（模拟矩阵+DVR+光纤传输系统方案）\r\n模拟视频图像通过模拟摄像机采集之后，以同轴电缆或者光纤（通过光端机）、无线等方式将视频信号传输至视频控制矩阵，视频矩阵输出视频图像给大屏或监视墙，同时通过光端机将视频信号传输。该接入网在接受传送的模拟视频图像同时，直接把图像送往矩阵。采用硬盘录像机方作本地存储。\r\n2.全数字网视频接入方案\r\n模拟视频图像通过编码器（或网络视频服务器）或者经由DVR转换成数字信号后直接接入IP网进行传输，最后经解码器解码后送各处的的大屏幕显示器或监视墙。各级用户可通过客户端软件观看到视频图像。可采用硬盘录像机以及NAS、SAN等大容量存储设备。\r\n3.结合模拟矩阵及网络传输的模拟数字混合方案\r\n模拟视频图像通过模拟摄像机采集之后，以同轴电缆、光纤（通过光端机）、无线等方式将视频信号传输至视频控制矩阵，视频矩阵输出视频图像给大屏或监视墙，同时通过编码器将模拟视频图像转变为数字视频图像通过IP网络传输到平台中。\r\n视频联网监控系统的主要设备构成\r\n网络视频监控系统突破了地域限制，可利用局域网、广域网、互联网实现远程监控。其主要构成设备如下。\r\n摄像机系列\r\n1、标准清晰度（SD—Standard Definition）类的模拟彩色CCD摄像机,大多采用1/3"或1/4"隔行扫描CCD芯片，现在图像清晰度已经达到540（彩色）/570线（黑白）水平，还出现了全D1高分辨率(720×576)的电视监控系统。\r\n2、高清（HD—High Definition）系列的新一代摄像机。采用高清HDTV标准，有HD720（水平1000像素）、1.2Mega（水平>1300像素）、3 Mega（水平2000像素）等。例如英国Forensic Vision公司的G11摄像机有1100万像素，它使用1.5"(40mm)的CCD芯片,比使用0.5"(25mm)CCD芯片的摄像机要清晰50倍。\r\n3、百万像素 (1280×1024或更高) 级的网络摄像机，可直接入网使用，大多采用1/3"或1/4"逐行扫描 CCD芯片（如Sony 公司的Wfine逐行扫描 RGB CCD）。网络摄像机、网络球型摄像机、网络矩阵等也正在日益普及，网络摄像机的发展趋势是要能支持TCP、RTP、Multicast组播协议、Unicast单播协议等多种网络协议，并有高分辨率和日夜自动转换功能。此外，可以通过以太网供电（PoE---Power over Ethernet）及实现网线上1000m长距离传输的LRE（Long Range Ethernet）也受到瞩目。\r\n4、还有使用主动红外的夜视摄像机，即通过主动照射并利用目标反射红外光来实施观察的夜视技术，其图像的分辨率要比通过目标自身发射的红外幅射的热成像系统（一般为320×240象素）高出许多。\r\n图像压缩算法\r\nH.264（也是MPEG4 part 10）将会逐步取代MPEG4而占踞图像压缩的主导地位，它因能使占用的带宽和需要的存储容量比MPEG4下降50%左右，实现CIF格式视频在普通ADSL上的实时连续传输，同时由于H.264算法具有网络编码层和网络传输层结构，使之对于普通宽带网及无线网络的适应性大为加强，不会由于网络的误码影响传输的质量。但H.264编码器是其他编码器复杂程度的3倍，其解码器是其他解码器复杂程度的2倍。\r\n与此同时也推出了SoC (System on Chip) 单芯片系统，使得系统在复杂性大为提高的情况下，设备体积却能大为缩小。例如Axis公司有视频压缩芯片ARTPEC-2。正在推出的还有TI公司的达芬奇（Davinci）产品，如DM6446视频编码器/解码器、DM6443视频解码器，作为数字视频SoC，它是基于DM64x和ARM 9双核构架的数字媒体处理芯片，集成了数字视频所需的几乎所有全部组件，为新型数字网络安防设备的研发奠定了基础。在用于实现压缩算法的传统DSP芯片方面，Philips公司的 PNX-1500、1700、1900和TI公司的 DM642（720MHz），Equator公司的BSP-15等功能也很强大。 \r\n网络视频服务器和编解码器\r\n网络视频服务器（Video Server）是将模拟视频和音频信号转换成可通过网络传输的数字信号设备；网络视频编解码器与其相同，只不过要求的网络带宽有所不同。它们都能通过网络以压缩方式在线传输动态图像和音频数据，这样只要将普通摄像机连接到网络视频服务器或编解码器上就可以入网。之后即可在网上进行远程动态图像的实时监控，也可通过因特网的Web浏览器进行浏览。\r\n网络视频服务器有独立的网络地址，可以像路由器一样进行编码、组合、设定路由及存储数据到指定的网络地址存储器。\r\n网络视频服务器的未来发展除提升各项性能指标外，将实现内置硬盘、同时具备数字视频录像（Digital Video Recorder）和多画面处理器（Multiplexer）的一机多用，它将涵盖除摄像机及监视器以外的所有功能，成为数字监控系统的核心。\r\n图像的记录装置\r\n硬盘录像机DVR是图像记录的主要装置，现已有24～32路全实时嵌入式硬盘录像机及高水平的图像采集压缩板卡。网络视频录像机NVR和有双压缩技术（MPEG4、JPEG）的双码流硬盘录像机也开始出现。网络视频录像机NVR有可能可支持LAN、WAN、PSTN、ISDN、xDSL等多种网络结构，并能与智能化分析功能更紧密地结合。\r\n与网络监控系统配套，推出了虚拟矩阵切换系统和基于流媒体技术的网络监控解决方案。磁盘阵列以及存储区域网络（SAN）和外接联网存储器（NAS）会成为理想的存储介质。\r\n图像的显示方式\r\n采用100Hz逐行扫描的监视器，由于采用了高帧和逐行技术，可使图像画面无闪烁和更加稳定，使视觉效果得到改善而会受到青睐。未来，显示装置会从传统的480i隔行扫描过渡到1080i或720p的逐行扫描，并会出现1080p的全高清（full HD）显示格式。\r\n监控网络管理软件\r\n多采用模块化设计和B/S结构，以Windows Service方式后台运行来保证稳定性。数字化监控软件与标准将会显得举足轻重，要求越来越具有开放性和便于系统升级。在标准普及之前，为了能进行各种功能模块的组合，能够适用于分布式的网络结构，以及能接入不同厂家的产品，提出了安防中间件的概念和技术，并倡导软件构件化（Software Component）以从根本上提高软件生产的效率。\r\n摄像机目标跟踪功能正在成为应用的热点，影像的智能搜索和跟踪将是重点。具有视频图像的智能化分析被称之为智能视频，“视频内容分析软件”通过自动识别和提取图像中蕴含的信息，而在自动行为识别(behavior recognition)方面得到应用。最新的视频录像解决方案将完全基于服务器，并使用PCI卡硬件或者带有编码功能的软件，系统不仅采用多PCI卡的PC机，更有可能采用最新的刀背式服务器（Blade-sever ），以其来实现捕获位于公共存储子系统内的影像。\r\n为实现分布式智能，更要求智能视频技术前移到摄像机当中，以能在本身进行预先处理，并可决定何时向后端发送数据。\r\n传输图像的线路或载体\r\n图像信息的传输方式可分为有线传输和无线传输二大类：\r\n有线传输方式\r\n有线传输可经由同轴电缆、光纤和网线等不同介质完成。 \r\n1.同轴电缆传输——离摄像机距离不超过500m时，室内宜选用75-7型同轴电缆，室外线路宜选用75-9型同轴电缆。\r\n2.电话线铜缆传输——主要可用ADSL、DDN等。\r\n3.光缆传输——长距离传输时宜采用单模光纤，距离较短时可采用多模光纤。\r\n4.网线传输——网络端到端的服务质量 (QoS)应达到如下的性能参数指标:\r\n端到端通信的网络时延上限应小于 400ms；端到端通信的时延抖动上限应小于 50ms；端到端通信的丢包率上限应小于1 ×10ˉ3。\r\n5.还可利用有线电视网HFC、电信网SDH(MSTP)、EPON等方式。\r\n无线视频监控实现方案\r\n无线传输适用于突发事件临时监控布点、移动应急指挥车、直升机的实时图像的接入。可选用公共移动数据网络通信如CDMA（中国联通CDMA1X和3G）、数字微波通信和卫星通信等作为无线移动数字视频的主要接入手段。\r\n1、基于电信移动通信网的无线视频监控实现方案 \r\n中国移动和中国联通作为我国移动通信领域的两大运营商，各自都已拥有遍布全国的2.5G移动通信网络。\r\n中国联通采用CDMA2000 1x制式，这是基于码分多址的移动通信技术，与传统的频分多址与时分多址技木相比，具有很多的优越性。首先，它的容量大（比TDMA和GSM更好），从而能够适应不断增长的语音服务和无线互联网新型服务的需要。其次，它的最高下载速度可以达到153kbps。\r\n中国移动采用的是GPRS技术，这是基于GSM网络发展而来的新型分组交换数据应用业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽理论上最高可达171.2kbps \r\n2、基于无线局域网的无线视频监控实现方案无线局域网络（WLAN）是利用射频或红外线的技术，以无线的方式连接两部或多部需要交换资料的计算机设备，与以有线方式所构成的区域网络相比，无线区域网络能利用简单的存取架构让使用者透过它，利用无线的高移动性来用于需要的应用领域之中。当前，数据传输速率已达11Mbps（802.11b），最高速率可达54Mbps（802.11a/g），可以很好地满足实时视频传输的需求，传输距离也可远至50km。\r\n3、采用数字微波移动视频监控系统，采用COFDM（编码正交频分复用），工作频段可选择UHF 、1.0-1.4GHz、2.3-2.7GHz，能构保证车辆移动过程视频及数据的正常通信。 \r\n4、有条件时也可采用VSAT卫星通信传输。\r\n平安城市工程难点分析\r\n1、城市的视频联网监控系统是大型综合性的工程，复杂程度高，应采用系统工程方法来进行分析和构建，前期应有详尽的规划，之后要作系统分析、系统设计和系统优化等步骤的工作。\r\n2、对于某些超大规模和巨复杂的系统，特别要关注其稳定性和可靠性。为此，要求对系统的结构和层次要进行有效的分解与简化。\r\n3、由于每台摄像机每天产生的数据量高达5.5GB（标清）或22-44GB（高清），致使数千或数万台摄像机产生的图像存储量非常的巨大，加之监控图像还要求保存多天，因此需要评估系统的存储设备及资源是否足够，更要研究系统采用分散存储的可行方案。\r\n4、每路图像传输带宽要求为384K-2M，图像传输的信息量如此巨大，将使得系统对通信网络的依存度非常的大。需要评估系统中传输图像的带宽是否足够，也应评估付出如此多的系统通信资源以及所花的通信代价是否值得。\r\n5、在视频联网监控系统中，若无治安事件或突发事件发生，则99%以上的图像是无利用价值的“垃圾”，因此图像的存储和过滤机制非常的值得研究并仔细规划。\r\n6、对大系统的管理平台有很高要求，包括系统管理、实时监控、录像管理、用户管理、日志管理、电子地图、报警联动、媒体转发以及矩阵及快球PTZ控制等功能。除功能管理外，更有可管理数量和管理水平的要求，例如管理平台能否支持和有效管理成千上万台编解码器就是最直接的考核之一，否则有可能会造成系统的“崩盘”。\r\n7、系统建设的资金链要求较大，系统建设付出的花费与系统所能产生的效益可能会存在很大的反差。例如，一个派出所显示设备若为2台DLP加8台CRT，一个月的电费就需近万元，存在建得起、用不起的隐患。\r\n8、平安城市建设包括对原有监控系统的整合和系统的新建部分，由于所用设备的不同、传输通信和控制协议的各异，以及操作管理人员及水平的差异，要将其融合成一个能无缝连接的全新系统，更能进而实现互连互通、互编互解，是有相当难度的，极具挑战性。\r\n对平安城市建设对策的若干点思考\r\n1、系统的重心，特别是监控图像的存储应前移到第一线的派出所，系统的重大功能应变发案后的查找为发案前的预防。最理想的方案是在系统前端就能提供动态检测和事件侦测功能，即将可变复杂度算法VCA（Variable Complexity Algorithm）内置在网络摄像机或视频编码器中，以实现前端的动态检测，以此可有效地减少图像的存储量。\r\n2、系统前端的摄像机选型和后端软件的水平是应关注的重点。前端摄像机的线数若低于460线，后续系统再好也无济于事，是不可能保证系统有清晰图像效果的。在某些应用场合还需要有动态范围等高档特性。后端如果没有智能分析软件包，系统能产生的效益不会很大。因此，要求有视频移动探测、生物特征识别、人体行为分析、事件或物体侦别等应用软件，并且通过实际运行来不断地完善它和扩展应用的范围。\r\n3、系统对信息的安全性保障要求较高，花费大，并且对进入公安专网有严格的限制，故要求应能提供访问控制策略、身分认证、数据完整性保护、安全审计等服务策略。网络安全还可有设置防火墙系统、入侵检测系统、加密系统、防病毒系统和数据交换网关（网闸）等保障措施。作者认为可以考虑在公安专网之前专门建一个开放的、专司城市视频监控用途的千兆以太网，二者间作物理隔离和认证，不失为是较理想的方案。\r\n4、为避免与城管、交通、应急系统、海关等系统重复建设的危险，实现在全市范围内的信息共享，应采用各系统资源均存入市级服务器使之可以为各方共享的策略方案。并采用流媒体技术来实现多用户的并发访问，以求得资源的最大利用和经费的节约。\r\n5、平安城市的建设一定要根据当地实际，因地制宜，量力而行，在系统具有可升级和可扩展的前提下分步实施，切不可相互攀比，搞政绩工程，否则有可能造成劳民伤财难以收摊的不良后果。\r\n6、从技术上而言，宜先在31111试点工程的基础上取得经验再推广和扩大，不要一哄而上，可先建设出简单经济型、标准水平型、电信级高档型等不同档次系统供示范和参照，以起到以点带面的功效。对于技术保障水平较差的城市，特别是在派出所级的应用，应以图像浏览和信息共享、上传下达为重点，尽量减少较复杂的设备控制和系统管理功能，是比较现实的定位。\r\n（责任编辑：沈文文）\r\n本文作者现任中国科学院自动化研究所研究员，邮箱地址：chenlong925@tom.com\r\n