智能网络视频监控系统在高速铁路的应用

随着我国第一条具有世界一流水平的高速铁路——京津城际的开通,“高铁”一时成为国人关注的焦点,高速铁路安防应用同样引起业内人士的关注。本文以智能网络视频监控系统在高速铁路的应用为例,详细阐述高速铁路智能网络视频监控系统特点、联动功能、存储、平台软件等内容,希望给读者以启示。

高速铁路介绍
    首先看看关于“高铁”的定义,国际通常将高速铁路定义在时速200公里以上,而中国高铁,即CRH(China Railway High-speed)的时速也定义在200公里以上,另外,我国又增加了“客运专线”的等级,客运专线是以客运为主的快速铁路,时速200至350km/h的铁路统称为客运专线。

    京津城际是我国第一条具有世界一流水平的高速铁路,最高运营时速设计为350公里,于去年8月开通运营;石太客运专线设计速度目标值为200公里/小时,预留至250公里/小时,于今年4月1日开通运营;合武线最高时速为250公里,于今年4月1日开通运营;武广客运专线即将在今年年底开通,京沪高铁目前顺利进行,将于2010年正式投入运行。可以看出,我国铁路建设进入了“高速运行、高速发展”的“高铁”时期。

    高速铁路不同于一般的铁路系统,高铁本身即是一个系统化集成化的大型工程,仅仅通信部门就涉及到10多个子系统,包括有线、数据、传输、调度、应急通信、视频监控等等。高铁与铁路或地铁区别很大,例如地铁通常时速在60公里左右,列车间隔在3分钟左右,而高铁时速可能达到300公里,但时间间隔可能与地铁差不多,这就对高铁的通信指挥系统提供提出了很高的要求,同时,作为一个重要的辅助设施,视频监控系统的要求也相应地非常高。

高铁视频监控系统特点
    京津高铁视频监控系统自建成以来,运行良好,为京津高速铁路的列车运营提供了重要的安全措施。该系统采用先进的视频编码及视频分析技术,实现低码流下高清晰视频图像采集、编码、传输、录像、转发及自动报警功能。指挥人员和警务人员通过自己工作区域内的大屏幕或电脑工作站可清楚了解辖区和全线车站、区间、桥梁、路基、机房口重点区段和设备的情况,并迅速准确处置突发事件。而伴随着石太线和合武线的开通运营,其智能网络视频监控系统也必将为高铁的良好运营保驾护航。

    高铁的视频监控系统,要求采用先进的视频监控技术,基于铁路系统的IP网络,构建数字化、智能化、分布式的网络视频监控系统,满足公安、安监、客运、调度、车务、机务、工务、电务、车辆、供电等业务部门及防灾监控、救援抢险和应急管理等多种需求,实现视频网络资源和信息资源共享。

高铁视频监控主要需求:
·路基、路口、桥梁、隧道、公跨铁、咽喉区的视频监视,保证车辆安全运行;
·车站广场、站台、候车大厅、旅客通道等人流密集区域视频监视,了解旅客情况;
·无人值守变电站和照明等重要配电设备集中监控,及时了解设备运行情况;
·对出现的紧急状况如暴风雪、泥石流、洪水、交通意外等远程了解及时做出反应;
·应急指挥监控:对突发紧急事件进行无线视频传输到控制中心。

    高铁视频监控应用的具体设备包括摄像机(多数是室外PTZ云台摄像机及室内快球一体摄像机)、编码器、硬盘录像机(DVR)、网络录像机(NVR)、中央管理平台(CMS)、视频分析设备(IVS)及存储设备。对高铁视频监控系统的总体要求是:安全、可靠、开放、可扩充等特点,做到技术先进、经济合理、实用可靠。 [nextpage]

高铁视频监控系统的建设难点:
·视频监控点位通常比较分散、跨度比较大,通常几百甚至上千公里;
·视频监控摄像机户外工作,环境通常比较恶劣;
·监控点多为室外高杆或钢架上安装,施工难度比较大;
·视频采集设备、编解码及部分存储设备分散地分布在无人职守机房,安装调试成本高;
·系统中用户数量众多,系统需要有良好权限管理、视频流并发访问及转发能力支持;
·视频分析环境复杂,风霜雨雪雾、摄像机抖动、灯光等众多干扰因素可能导致误报警。

高铁视频监控系统层次结构
    高铁视频监控系统的特点决定了数字网络视频监控系统是最好的选择。通常,高铁视频监控系统分成三级节点,核心节点在铁道部,有视频监控调用、汇总的需求;二级节点在各个路局/客专调度,主要为分散分布的网络录像机(NVR)、硬盘录像机(DVR)、存储设备,同时也有大屏集中监控、网管、流媒体转发等需求;三级节点为各个车段/站,负责视频的前端采集、编码等。高铁视频监控系统层次结构如图1。

设备接入
    视频采集接入设备主要是指各类摄像机,通常机房、客运等场所一般为室内环境,可根据情况选择安装一体球型摄像机或固定摄像机;而室外环境包括大桥、隧道、铁路沿线等,通常室外环境非常恶劣,自然气候风、霜、雨、雪及高速列车带来的巨大震动等因素,都给摄像机质量、工艺、安装方式提出了严格的要求。

三级节点
    在各个站点,车辆段,安装部署编码器、硬盘录像机,实现视频的编码压缩和部分本地存储。由于前端设备分布广,因此系统稳定性是第一要素,系统的不稳定将会给后期维护带来巨大的压力。另外,设备需要具有远程维护能力,如远程升级、远程备份、远程启动等。对于变电机房,目前一般部署PTZ摄像机,联动温感、烟感、水淹、门磁等探测器,对机房实施保护,因此,编码器或DVR的输入输出节点数目、联动功能都是需要考虑的。

二级节点
    二级节点主要为铁路局,在二级节点,不同于三级节点单独的视频采集和简单观看功能,二级节点存在大量的用户,对本区段的视频资源进行调用、回放、PTZ控制等。通常,在路局节点,一般设置多个客户端工作站、存储阵列、存储服务器、流媒体服务器、解码器、电视墙等终端,是系统真正的主干,也是应用的核心。二级节点是存储和流转发的核心,因此,通常采用大规模的存储设备,如SAN和DAS等,流媒体服务器采集三级节点的视频并向上转发。[nextpage]

核心节点
    一级节点主要是铁道部监控中心(或路局中心),相当于平安城市的城市公安局总指挥中心。一级节点会连接各个铁路系统,并根据需要,有选择的调用、控制、回放各个铁路的视频资源,一般设置工作站、目录数据服务器、重要录像资料的备份服务器等。

高铁视频监控系统拓扑结构
    高铁视频监控系统拓扑结构如图2所示,整个系统基于网络架构,实现视频的采集、编码压缩存储、转发及虚拟矩阵的功能。摄像机采集到视频信号通过同轴电缆连接到DVR或编码器,实现视频的采集、编码压缩和传输,PTZ摄像机的控制信号通过RS485进行传输;编码器将视频流通过网络发送到NVR进行集中存储备份;存储服务器可以将DVR或NVR的视频资料进行重点备份;流媒体服务器可以在多个用户访问时进行集中视频转发而减少网络及前端设备的压力;解码器与电视墙连接,实现视频的集中大屏幕显示还原。

联动功能介绍
    视频监控系统需要与防灾系统、动力、环境检测等系统进行必要的联动集成功能,其他系统可以以干接点或API接口的方式,实现与视频监控系统的集成报警联动。报警发生后,视频监控系统接收报警信号,按照预先设置好的联动程序,可以自动启动录像、改变录像帧率或分辨率、画面自动弹出、PTZ预置位调出、触发继电器输出驱动灯光、警铃等设备。编码器干接点联动报警功能示意图如图3所示。

 

高铁视频监控系统要考虑的因素
    在架构铁路视频监控系统时,需要根据其线路应用特征和环境的特殊性,要考虑到各种常规监控应用系统以外的特殊因素,例如以下的几个方面。[nextpage]

风雨雷电等自然现象
    风、雨、雷、电给室外摄像机带来很大的考验,雨雪、高温、低温、雷击、大风等,每个破坏环节都可能造成系统维护成本的剧增,而铁路项目的特点是跨度大,常常是山高路远,有时还要高空作业,并且系统一旦开通运行再申请作业会遇到很多限制,造成成本增加。因此,室外摄像机的选型、安装、接线及摄像机本身的高质量尤其重要。

长距摄像问题
    高铁监控,按照点位主要分为室内机房、室内候车厅、售票处及室外广场、站台等,这些位置的摄像机部署没有特别特殊的地方,但是另外一个点位较多的应用就是铁路沿线,绵延的铁路,是长距摄像机的绝对用武之地,长距摄像机可能需要监控几十米、几百米甚至几公里,那么,意味着长距摄像机可能需要有几公里的望效果。望摄像机并非简单的摄像机加长焦距镜头。简单说,当焦距拉到一定长度时,手动键盘的操控很难去定位一个很远处的目标物,也就是说,摄像机的微步控制功能很重要。另外,高空望摄像机,抗抖动、夜视照明问题等都需要重点考虑。

预置位精度
    高铁监控中,为了快速定位场景或响应报警,通常客户会设置多个预置位供将来快速调用应用,预置位的数量通常不是问题,目前多数摄像机支持128甚至256个预置位,而实际项目上也不会用到这么多,但是预置位的精度是考察PTZ摄像机的重要指标,例如,当用户设置好一个预置位后,通常日后调用,有的摄像机预置位会出现偏移,这样不得不再次进行手动微调,失去了预置位本身的意义,影响使用。

编码器及DVR的选型
    高铁项目中,编码器及DVR通常分散部署在各个站点机房内,因此,编码器及DVR需要具有超稳定的性能(嵌入式编码器和嵌入式DVR是首选),良好的联网能力、远程管理及升级能力。由于网络系统架构复杂、跨度大、路由多,因此需要编码器设备能够具有本地缓存功能,在网络暂时终端情况下不至于丢失视频,一旦网络恢复能够将视频补充给NVR存储。另外,图像清晰度、双码流支持、双向音频支持、报警输入输出数量等都是需要考虑的指标。

编码标准
    目前,铁路项目中主要采用的是MPEG-4编码技术及H.264编码技术,将来可能部署AVS编码,采用帧内压缩与帧间压缩相结合的方法去掉视频信息的时间和空间上的冗余信息。编码设备时延应不大于300ms,每一级转发时延应不大于500ms,解码设备时延应不大于300ms,PTZ响应时延应不大于500ms,系统前端采集设备到用户监视终端时延应不大于3s。

视频分析技术在高铁监控的应用
    视频分析,即Intelligent Video Surveillance,简称IVS,是近年来新兴的一个技术,其核心思想是利用计算机系统智能识别技术将值班人员从长期的“盯屏幕”监控状态解脱出来,为视频监控系统增加智能识别、预告警及智能检索功能。视频分析技术在在铁路建设上已经有一定的成功实施案例,具体分析模式集中在入侵探测、(滞留)检测和逆行检测及摄像机自身维护(如聚焦模糊、信号丢失、视频遮挡等)。

IVS技术应用难点
    高铁的特点是系统跨度大、地理分布广,视频分析的环境复杂,风霜雨雪雾、摄像机抖动、火车灯光、城市灯光、昆虫、云影等现象均是视频分析可能会遇到的问题,良好的IVS系统应该能够很好地平衡漏报与误报之间的问题。不同的具体项目,摄像机的场景FOV(Field Of View)不同,有的线路上当列车经过时,会充斥整个画面,而有的线路上,列车经过,充斥一部分画面而已,因此需要根据不同场景选择策略、调整参数甚至底层算法微调。另外,在长焦距情况下,远端很小的目标应该能够探测到(考察IVS产品最小识别像素);在大风环境下,抖动的摄像机不应该误报(比如抖动范围在10个像素内);多预置位分析功能,如在多个不同预置位下设置分析,然后可以自动调用预置位并快速进入分析模式;应该具有各种自然气候条件下的过滤及补偿程序。[nextpage]

IVS应用的模式
    铁路不是实验室,对摄像机的任何角度、焦距等调整均需要一定人力物力,视频分析对场景(FOV)的要求很高,在日后的配置中需要不断调整,因此,不难理解多数视频监控系统的视频分析摄像机采用的也是PTZ摄像机而不是固定摄像机了。分析模式固定后,摄像机FOV调整好,需要进入分析设置,通常,一路摄像机视频只能进行一个模式。在铁路应用中,主要有两种IVS模式,一种是在重要区段及咽喉区设置入侵探测,用来识别人或动物入侵到高铁路轨(高铁沿线多半封闭或栅栏保护等物理方式,但还是可能有入侵进入);公跨铁区域设置高空落物分析,防止高空落物对列车运行产生影响。目前这两个视频分析应用模式在铁路视频监控中均有一定应用并表现良好。

IVS系统设计
    由于IVS是新技术,新产品,因此大多用户对此并不是很了解,IVS厂家需要站在用户角度,帮助用户做好项目前期调研分析,弄清楚客户的需求和期望;同时,IVS厂家有必要让客户清楚IVS是有限的智能而并非万能,IVS到底能做什么,不能做什么等。在系统设计阶段,IVS厂家需要与摄像机安装单位等进行沟通,明确摄像机的设备参数要求、及摄像机安装角度方位问题,以最大限度发挥其功能。

IVS系统调试
    对于高铁这样的大型户外项目,IVS系统调试阶段工作量比较大,首先厂家根据现场情况及经验进行粗调,然后派人现场模拟,然后再调试。从调试到试运行,可能需要不止一次的现场模拟,其目的是改进视频分析探测效果。视频分析调试不是一步完成的,一般分测试调试、初步、深度调试等。由于系统在户外应用,风霜雨雪雾、夜晚、白云、车灯、蚊虫、崎岖的地形等都给视频分析带来挑战。因此需要多次深化调整参数,并且需要根据不同典型现场进行模拟测试,从不同角度,不同距离模拟入侵,然后根据测试结果反馈调整参数。

IVS系统架构
    目前视频分析技术主要有两种架构方式,一种是集中后端服务器方式,另外一种采用前端DSP方式,目前,越来越多的人倾向前端DSP方式,即分布式智能分析,主要表现在以下方面。

    DSP方式可以使得视频分析技术采用分布式的架构方式,在此架构下,视频分析单元一般位于视频采集设备附近,这样,你可以有选择地设置系统,让系统只有当报警发生的时候才传输视频到控制中心或存储中心,相对于服务器方式,大大节省的网络负担及存储空间。另外,此方式可以使得视频分析单元直接对原始或最接近原始的图像进行分析,而后端服务器方式,服务器得到的图象经过网络编码传输后已经丢失了部分信息,因此精确度难免下降。视频分析是复杂的过程,需要占用大量的系统计算资源,因此服务器方式可以同时进行分析的视频路数非常有限,而DSP方式没有此限制。

    基于以上原因,目前市场上主流视频分析技术均采用DSP方式,基于摄像机或编码器。

铁路视频监控系统中的存储
    存储的部署应该是灵活的,可以选择报警触发存储、预置时间表存储、手动启停存储等;存储的架构应该是主流架构如DAS、NAS、SAN等,一般采用RAID5冗余方式。存储的需求一般是正常录像和报警录像分开并设置不同周期,例如正常录像7天,报警录像30天。存储系统的规划设计应该根据项目需求情况、网络情况进行部署。[nextpage]

·应支持对视频图像信息的手动备份存储;
·视频信息的录像存储、事件触发存储和计划存储功能;
·系统应支持用户根据时间、地点、事件等多种条件进行检索和回放;
·系统应支持多用户同时调用检索视频图像;
·DVR、NVR可以工作在多种存储归档模式下;
·系统应支持下载到本地回放录像和远程直接回放录像的方式。

铁路视频监控系统中的平台软件
    系统软件平台包括核心数据部分和客户端工作站,核心数据服务器包含系统数据库及核心软件,而工作站系统应包括用户管理、权限管理、配置管理、故障管理、日志管理等功能。平台应支持对各种视频设备资源、设备的运行状态进行监视及维护、通过软件对系统设备参数进行配置、对系统用户的注册、认证、删除及权限分配进行管理等功能。系统应具有日志管理功能,能够通过操作日志对操作人员进入、退出系统的时间和主要操作情况进行记录,支持日志信息查询和报表制作等功能。

·数据管理:全线所有设备的类型、版本、数量、编号的集中“登记注册”于数据库;
·监视功能:对全线所有监控网点可通过网络进行实时图像调用,为领导应急指挥和决策调度时显示提供参考;
·网管功能:对全线所有监控系统的网元设备运行情况进行监控和管理,实时显示各种设备的运行数据和告警信息;
·告警管理:记录并显示设备、系统和通信部分的告警,并记录告警的处理情况,可以导出普通文件格式;
·控制功能:对全线所有监控网点的PTZ控制和及继电器输出节点控制;
·语音对讲:对前端安装有语音设备的监控点,可实现实时语音对讲,或单向“喊话”功能;
·数据存储:支持视频的本地存储和中心备份,具有多种自动、手动存储方式。

结语
    到目前为止,全国铁路客运专线项目已经开工建设近1万公里,2009-2010年还将开工建设约1万公里。按照现在的建设速度,到2012年,将有1.3万公里客运专线建成投产。北京南站、天津站、武昌站、青岛站等一批现代化客站将投入使用,包括近几年相继建成的51座现代化新客站。这一切都预示着铁路视频监控系统的市场前景。

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[责任编辑:ally]

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