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前瞻基礎建設計畫-軌道建設完整版
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2018年5月21日 星期一
‧ 在智慧軌道運輸中網路影像監控系統的應用
近年來，「智慧城市」在全球各地愈演愈烈，隨之而來智慧公共安全、智慧社會、智慧醫療等各大「智慧」專案全面展開；作為連接各大城市、地區間的主動脈，各國的軌道運輸事業，也順勢進入了智慧化的新時代。
在科技鑄就的高鐵時代裡，軌道運輸系統演變成為一個系統化、整合化的大型工程，軌道運輸指揮、生產管理、設備監控等都離不開影像監控系統，這也就對軌道運輸的影像監控系統，提出了更高的要求。
智慧軌道運輸影像監控特點
軌道運輸的影像監控系統，要求採用先進的影像監控技術，基於軌道運輸系統的IP網路，建構數位化、智慧化、分散式的網路影像監控系統，滿足公安、案件、客運、調度、車務、機務、公務、電務、車輛、供電等業務部門，及防災監控、求援搶險，和應急管理等多種需求，實現影像網路資源和資訊資源分享。
軌道運輸的影像監控系統，通常採用先進的影像編碼，及影像分析技術，實現低碼流下高清晰影像採集、編碼、傳輸、錄影、轉發及自動報警功能。
指揮人員和警務人員，透過自己工作區域內的大螢幕或電腦工作站，可以清楚地瞭解轄區和全線車站、區間、橋樑、路基、機房等重點區段，和設備的情況，並迅速、準確地處理突發事件。
軌道運輸影像監控主要需求體現在：軌道運輸影像監控應用的具體設備，包括攝影機(多數是室外 PTZ 雲台攝影機，及室內外快球一體攝影機)、編解碼器、DVR、NVR、中央管理平台(CMS)、影像分析設備、解碼顯示及儲存設備。
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| 前瞻建設增競爭力？逾6成民眾不認同僅6%挺軌道建設| 財經| NOWnews今日新聞 |
而就目前來說，切實地滿足在整個軌道運輸運輸過程中，影像監控系統的即時、可靠、全面運行，存在著諸多的困難。
首先，不同於一般的監控物件，軌道運輸影像監控點，通常比較分散、跨度比較大，一般幾百甚至上千公里。
其次，作為連接各地的軌道交通行業，軌道運輸影像監控攝影機需要戶外工作，環境通常比較惡劣，監控點多為室外高桿或鋼架上安裝，施工難度比較噠。
首先，不同於一般的監控物件，軌道運輸影像監控點，通常比較分散、跨度比較大，一般幾百甚至上千公里。
其次，作為連接各地的軌道交通行業，軌道運輸影像監控攝影機需要戶外工作，環境通常比較惡劣，監控點多為室外高桿或鋼架上安裝，施工難度比較噠。
此外，由於其惡劣的戶外環境因素影響，影像採集、編解碼及部分儲存設備，分散分佈在無人值守機房，安裝調試成本高；分析環境複雜、風霜雨雪霧、攝影機抖動、燈光等干擾因素可能導致失誤警報。
同時不能忽視的是，作為運輸旅客的工具，影軌道運輸數量眾多，系統需要有良好的許可權管理、影像流併發存取，及轉發能力支援，尤其面對時速300公里的高鐵時代，海量的資料處理與分析，也是影像監控系統操作的一大難點。
同時不能忽視的是，作為運輸旅客的工具，影軌道運輸數量眾多，系統需要有良好的許可權管理、影像流併發存取，及轉發能力支援，尤其面對時速300公里的高鐵時代，海量的資料處理與分析，也是影像監控系統操作的一大難點。
網路整合必然之趨
由以上軌道運輸影像監控系統的特點不難看出，「數位網路影像監控系統」是軌道運輸安全監控建設的最好選擇。但是，在其路線漫長，且穿越了各種複雜的地理環境因素下，單一的影像監控系統，顯然已經無法滿足當前軌道運輸安全運行的形勢。
隨著IVS智慧影像分析技術的功能，及應用要求須明確寫入《軌道運輸綜合影像監控系統技術規範》，在智慧軌道運輸行業建設，全天候無盲區安控監控系統，已被提上主管部門的議事日程，部分專業的系統整合商，開始有針對性地推出了先進的智慧軌道運輸監控解決方案。
那種整合了IVS智慧影像分析技術的安控監控系統，能對危及列車運行安全的自然災害、突發事件等，進行即時監測分析，精確判定各類安全隱憂、災害及故障的類型、性質和級別，從而為營運指揮中心，即時調整運行計畫、下達行車管制、搶險救援等提供強有力的資訊保障。
未來，這種先進的綜合安全保全監控方案，無疑會佔據軌道運輸安控市場的主流地位。
那種整合了IVS智慧影像分析技術的安控監控系統，能對危及列車運行安全的自然災害、突發事件等，進行即時監測分析，精確判定各類安全隱憂、災害及故障的類型、性質和級別，從而為營運指揮中心，即時調整運行計畫、下達行車管制、搶險救援等提供強有力的資訊保障。
未來，這種先進的綜合安全保全監控方案，無疑會佔據軌道運輸安控市場的主流地位。
總體而言，欲實現軌道運輸事業的智慧化，綜合網路影像監控系統的選擇是關鍵，其主要應用包括：營運調度影像監控、公安影像監控、通信/信號影像監控、牽引供電影像監控、電力供電影像監控等。並預留客運服務影像監控，和防災安全影像監控系統接入，具體業務和功能包括如下幾個方面：
(1) 營運調度影像監控：實現對全線「公路跨鐵路」立體交通陸橋的全天候遠端即時監控，對落物發現、人員入侵、設備遺失等異常情況，實施全天候監控，防止影響安全事故的發生；對各車站咽喉區即時影像監控，全天候監視列車進出站情況，對咽喉區的異物入侵、設備丟失等情況進行主動警示；對個車站行車情況即時影像監控。
(2) 通信/信號影像監控部分：對各車站通信/信號室、各信號中繼站、GSM-R基地台、維修工區的通信室等無人值守機房，進行影像監控，透過與相關系統的配合，實現告警後觸發相關影像的動作及聯動。
(3) 變配電站影像監控：對全線開閉所、牽引變電所、AT所/分區所等無人值守場所，進行影像遠端監控；對10kV配電所無人值守設備工作狀態，及場所進行遠端影像監控。
(4) 客運服務影像監控：對全線車站重點場所，以及其他相關場所進行影像監控。
典型解決方案
在國際上，早在21世紀初智慧解決方案就有很大發展；並已經擁有一些成功的智慧軌道運輸項目案例。
下面在對某國家鐵路項目中的解決案例，來詳盡談談綜合影像監控系統，在智慧軌道運輸中的運用。
下面在對某國家鐵路項目中的解決案例，來詳盡談談綜合影像監控系統，在智慧軌道運輸中的運用。
基於對專案需求的綜合分析，筆者公司選用了全網路影像監控構架，系統利用先進的電腦網路技術、通信技術、多媒體技術、微電子技術，實現具有一定實用性、先進性、可靠性、開放性的「綜合遠端監控報警管理系統」。在整個專案中，其整體設計思路如下：
前端影像採集：推薦選用高清網路高速球型攝影機、高清網路彩色槍型攝影機、高清網路寬動態槍型攝影機、高清網路半球攝影機、高清網路雲台攝影機、高清網路雷射雲台攝影機；
網路傳輸：車站區段影像監控系統，應採用光纖收發器+交換機的傳輸模式；沿線路橋和供變電站影像監控系統應採用EPON傳輸模式；各網站與軌道運輸單位總控中心之間，應採用SDH傳輸模式；
儲存：推薦選用嵌入式IP SAN存儲伺服器+NVR；
解碼顯示：推薦選用嵌入式機架式高清硬體解碼器、漫遊拼接控制器、高清大螢幕；
管理控制：推薦選用嵌入式網路影像管理系統+流媒體轉發伺服器+網路鍵盤的構架；
系統拓撲圖圖下圖所示：
網路影像監控系統拓撲圖
系統構架說明
前端視訊影像採集：在軌道運輸路基、路口、橋樑、隧道、公跨鐵、咽喉區、車站廣場出入口、廣場公共區域、人工售票視窗、自助售票機區域、售票廳、進站口、安檢出入口、上下扶梯口、上下樓梯口、候車廳、月臺、旅客通道、變電站、軌道運輸沿線事故多發路段，部署高清網路高速球型攝影機、高清網路彩色槍型攝影機、高清網路寬動態槍型攝影機、高清網路半球攝影機、高清網路雲台攝影機、高清網路雷射雲台攝影機，負責現場即時影像採集;
網路傳輸：車站區段影像監控系統，應採用光纖收發器+交換機的傳輸模式；沿線路橋和供變電站影像監控系統，應採用EPON傳輸模式；各網站與鐵路局總控中心之間，應採用SDH傳輸模式；
中心監控室：在中心監控室部署嵌入式網路影像綜合管理平台、流媒體轉發伺服器、IP SAN擴展存放裝置、網路控制鍵盤、影像管理工作站、高清解碼器、液晶監視器等，負責全網影像監控設備的統一管理、用戶許可權管理、流媒體儲存和轉發服務。同時實現數位矩陣、電子地圖、報警聯動、智慧分析、3D控球等實用功能；
系統構架：整個系統分3級構架。
第1級：路基路段和變電站影像監控，它負責本轄區音訊、影像、報警信號的本機存放區、本地管理、本地顯示，同時將重點視頻上傳至車站分控中心，進行影像備份，主要以NVR+IPC為核心;
第2級：車站影像監控，它負責本車站內部客流、車流、物流的即時監控和錄影，同時監控中心負責集中IP SAN儲存、流媒體轉發、報警處理、影像解碼上電視牆等，同時接收來自路基路段監控，和變電站監控的備份影像；
第3級：軌道運輸總控中心，它負責對整個專案所有監控設備進行統一管理、統一調度，它擁有最高管理許可權。
前端監控點具體說明：
針對重點監控區域、重點監控目標應採用1080P高清網路攝影機(例如：收銀區域、財物室)，以獲取更多監控畫面細節資訊，如看清車牌號碼，看清人臉臉部特徵，看清貨幣面值等；
針對一般監控區域，應採用高清網路攝影機，透過監控畫面和錄影重播，可以瞭解監控區域現場人流、車流、物流活動過程；
應針對監控現場的安裝環境、光照環境、監控視角、監控景深對攝影機進行綜合選型；
監控點位的選擇應最大限度地滿足全天候、全覆蓋、無監控死角的要求；
監控點位的選擇應滿足佈線施工簡易方便，攝影機與周邊牆體環境相協調等要求；
管理平台構架設計：
在整個綜合影像監控系統中，其管理平台是核心，也是實現整體大聯網與整合的指揮台，具有以下功能：
集中管理：網路影像監控管理平台，可以對整個系統實現集中管理，透過友好的介面，管理所有的攝影機、轉碼器、DVR、NVR、IP SAN存放裝置、網路鍵盤等，實現需求中的所有系統功能；
平台採用C/S和B/S結構：採用C/S結構時，影像使用端軟體相容Windows系列作業系統。採用B/S結構時，能支援Windows系列作業系統下的IE6.0流覽器，管理平台軟體構架如下：
採用嵌入式高整合度結構：為了保證系統運作的穩定性，採用嵌入式方式開發。該系統整合了平台軟體、伺服器、存放裝置的所有功能，後台管理無需採用，伺服器及磁碟陣列/NAS/IP SAN等存放裝置，使用RAID做硬碟管理(16盤位元)，最大可支援16個SATA硬碟。
在此專案中，為了充分滿足高速中的資料處理，與特殊事故環境下的系統修補，其選擇的綜合管理平台，還具有相應的增強功能：
管理平台主備冗餘功能：
靈活強大的擴容功能：
速度與安全，對於軌道運輸交通來說是兩個老生常談的話題。軌道運輸交通要向著，安全與速度並行的智慧化方向發展。
切實給旅客提供一個安全的出行環境，這是目前智慧軌道運輸發展的目標；而在達成這個目標的過程中，高清的圖像回饋、即時的軌道運輸通信資料處理、高效的軌道運輸車輛調度、準確的報警聯動等，監控指揮系統的應用成為了關鍵。
簡言之，智慧軌道運輸全面實施的前提，是智慧型網路監控系統的全面普及——這也是目前安控行業的一大期待。79140220
切實給旅客提供一個安全的出行環境，這是目前智慧軌道運輸發展的目標；而在達成這個目標的過程中，高清的圖像回饋、即時的軌道運輸通信資料處理、高效的軌道運輸車輛調度、準確的報警聯動等，監控指揮系統的應用成為了關鍵。
簡言之，智慧軌道運輸全面實施的前提，是智慧型網路監控系統的全面普及——這也是目前安控行業的一大期待。79140220
．視訊傳輸須知：如何以 1Gbps 傳輸 4K 網路視訊影像
Watching a 4K Video at 1000Mbps
(Gigabit Fiber Optic Internet)
來源：投影时代
隨著影像解析度的日漸提高，市場對高清影像的傳輸與交換方案，也提出了更多要求。對這類高清影像的傳輸與交換而言，頻寬是亟待突破的首個瓶頸。
傳輸諸如4K或超高清（UHD）之類的高清影像，需要非常大的網路頻寬。4K影像（2160p60）在全彩與無壓縮情況下傳輸，需要佔用12 Gbps頻寬，而全彩的1080p影像，即使在每秒60幀的情況下傳輸，也只需要3 Gbps頻寬。
這些障礙之所以存在，其最大的原因，是現行網路標準幾乎無法匹配相應的頻寬需求，尤其當高清影像的分配，多於一個房間時。傳輸無壓縮 4K影像，對纜線要求極其嚴格，甚至可能需要用到光纖，這也就導致傳輸系統的安裝成本大大提高。
更令人頭疼的是，現行的分配傳輸技術（千兆乙太網、萬兆乙太網、3G-SDI或HDBaseT）均無法達到2160p60解析度下的全彩取樣要求。1 Gbps的千兆乙太網（GbE）與2.97 Gbps的3G-SDI，甚至無法支持全彩無壓縮的1080p60影像的傳輸。
更令人頭疼的是，現行的分配傳輸技術（千兆乙太網、萬兆乙太網、3G-SDI或HDBaseT）均無法達到2160p60解析度下的全彩取樣要求。1 Gbps的千兆乙太網（GbE）與2.97 Gbps的3G-SDI，甚至無法支持全彩無壓縮的1080p60影像的傳輸。
下表中羅列了無壓縮，普通高清與超高清影像，在不同解析度、像素、幀率、色彩取樣率情況下，傳輸所需要的頻寬，其中多數高清影像，所要求的頻寬均超過1 Gbps。
如需利用現有的分配和交換技術，來傳輸高清影像，應考慮對影像做一定程度的壓縮處理。例如，採用JPEG2000 壓縮標準，並進行合理設置，壓縮後影像佔用的頻寬將大大降低，不僅可在現有的標準纜線中傳輸，還可透過使用者現有的IP網路進行切換。
提及專業應用領域的影像壓縮，人們通常擔心的，是想像中的延時（即原始信號與播放終端之間的時間差），以及劣質的畫面。而這些聯想，多是由各大網路流媒體網站所造成的。
為了將影像傳輸，給各類網路中成千上萬的使用者，流媒體網站多會採用MPEG2、MPEG4或 H.264格式影像，網路頻寬要求低，因此，也就要求其中的影像經過高度壓縮。
不過，在一個更受控制的專業環境下，透過對壓縮技術的精心挑選與應用，壓縮後的影像，亦可兼具高清晰度與低延時性。
為了將影像傳輸，給各類網路中成千上萬的使用者，流媒體網站多會採用MPEG2、MPEG4或 H.264格式影像，網路頻寬要求低，因此，也就要求其中的影像經過高度壓縮。
不過，在一個更受控制的專業環境下，透過對壓縮技術的精心挑選與應用，壓縮後的影像，亦可兼具高清晰度與低延時性。
要瞭解壓縮技術，對延時與畫質的影響，首先應瞭解網路音視訊的分配傳輸原理。當進行IP影像傳輸時，首先必須對影像進行「編碼」，將影像信號轉為網路可辨識的數位信號。
當信號傳輸至播放終端，再將信號「解碼」，即將網路數位信號轉回影像視訊信號，最後透過電視或投影機顯示。整個影像傳輸過程涵蓋四個步驟，每個步驟都會對影像終端延時造成影響。
用飛機航班來比喻影像傳輸過程，再貼切不過。第一步的編碼好比登機，即將目標影像傳上網路。第二步的傳輸將信號從源設備傳輸至終端設備，這就是飛機的整個航程。第三步的解碼就是下機，網路信號將重新轉化為影像信號。最後一步的播放，就好似乘客提取行李離開機場。
這其中涉及到的播放速度，是整個影像傳輸分配過程中，常常被忽略的環節。哪怕整個影像傳輸過程極其給力，但只要顯示器無法進行快速的像素還原，都有可能造成影像播放的延時。多數顯示器都設有「遊戲」模式（不同廠商的叫法不一），可以更快速地還原影像畫面，並將延時最小化。
與真實的飛機航行不同，影像的「航程」（傳輸速度）是整個傳輸過程中，用時最短的環節，多數網路音視訊技術下的傳輸延時，比一幀畫面還要短。而編碼過程中的壓縮（以及解碼過程中的解壓縮），則是影響影像品質與延時性的最關鍵因素。
JPEG2000（應用於AMX SVSI N2000系列）與基於行的小波壓縮（LBWC，應用於AMX SVSI N1000系列）可實現幀壓縮或幀內壓縮，不存在傳統多幀壓縮所帶來的附加延時。
此外，JPEG2000支持區塊化（Tiling）技術，可將圖像分成若干區塊進行傳輸。利用JPEG2000 壓縮與區塊化技術，壓縮後影像的延時，可由全幀的 32-50 毫秒降低至 10-15 毫秒。
低延時高保真編解碼技術，能以小於1 Gbps的網路頻寬，傳輸高品質影像。當影像達到現有頻寬要求，那麼利用現有的企業IP網路，即可實現影像的傳輸與交換；也就是說，使用端利用現有的網路基礎設施，即可傳輸專業級高品質影像，這將大大降低整個系統的成本、簡化系統安裝程序、給予系統更好的擴展性。
SVSI 的4K影像採用了JPEG2000 編解碼技術，無需1Gbps頻寬亦能輕鬆傳輸。將該編解碼技術與區塊化技術相結合，不僅給予了視頻高品質畫質，亦將延時減少至一幀以內。
事實上，JPEG2000 所帶來的高品質影像效果，已令這一編解碼技術在各大電影工作室、電視網路，甚至美國國會圖書館得以廣泛應用。
事實上，JPEG2000 所帶來的高品質影像效果，已令這一編解碼技術在各大電影工作室、電視網路，甚至美國國會圖書館得以廣泛應用。
將低頻寬傳輸技術與高品質編解碼技術融合，專業級高品質影像，也能以低成本的方式，實現在校園內的分配傳輸。