城市轨道交通 CCTV系统发展简史

吴平

城市轨道交通组成一个庞大的路网系统，承载的客流量不断攀升，比如：北京地铁的日客运量已超过千万人次，城轨的安全运营极为重要。近些年，东京地铁沙林毒气惨案、伦敦地铁爆炸惨案、马德里地铁爆炸惨案等恐怖恶性事件向各国地铁运营者敲响警钟。一旦发生城轨袭击，政府就面临受伤人员数量巨大、灾难引起源难定位、国家损失惨重的问题，城轨成为恐怖主义袭击的重要目标；同时，城轨车站一旦出现治安事件、刑事事件或其他应急事件，均容易引起人群恐慌性行为；因此，城轨的运营者对闭路电视视频监控系统提出更高的要求。城轨中的闭路电视监控系统（CCTV）不仅提供行车调度人员对站台人流、列车开关门情况和站厅出入口等重要区域的图像进行实时观察、监视和控制，还应该能够体育分析图像、提取敏感事件并联动告警，各站图像除由本站行车值班员和警用人员监视外，还要传送到几十公里之外的控制中心，供OCC( 控制中心) 调度人员、派出所和分局警员监视，从而实现图像的远程监控。

下面，让我们结合视频监控技术的发展，来了解城轨CCTV 系统的发展史（以专用系统为例）、系统特点并展望未来。

城轨CCTV 系统基本架构

城市轨道交通CCTV 系统分为两部分：专用CCTV 系统和警用CCTV 系统。专用CCTV的调度员需要实时监视车站、车内客流以及乘客上下车等情况，以确保运营安全、快捷、准时；在发生紧急情况( 如火灾、反恐、自然灾害等) 时，为相关人员提供事发现场实时图像，方便指挥现场救援及乘客疏导。警用CCTV 的值班员负责对全线各车站的出入、人流拥挤的区域进行监视，维护日常治安并且处理突发犯罪。运营监控和公安监控都需要为事后分析原因及查明责任进行录像。

城轨CCTV 系统架构

城轨CCTV 系统发展及演变

阶段一 模拟监控系统
城轨CCTV 系统初期只实现了车站的系统建设，为典型的以矩阵为核心的模拟标清监控系统，系统主要由标清模拟摄像机、光端机、视频分配器、DVR（硬盘录像机）及模拟矩阵组成。

前端模拟摄像机通过同轴电缆（超距离通过一对光端机）接入到设备室，由视频分配器进行分配，分别给DVR、矩阵以及警用系统。矩阵及控制键盘实现本地实时图像的切换调看，DVR 实现视频的录像存储及回放。

车站模拟CCTV 系统

矩阵设备是模拟监控系统的核心，图像信号通过同轴电缆或光端机传送到视频矩阵设备。这种模拟信号传输过程中，视频信号对传输距离和转换环节的增加十分敏感，当传输距离大时，信号易产生衰耗、畸变、群延时，易受干扰和噪声积累而使接收端图像质量下降。但城轨CCTV 系统中车站数量多、图像传输距离长，且必须保证将车站图像信号不失真地传输至控制中心。模拟视频信号的传输介质主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1Km，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所，难以满足轨道交通长距离传输的要求。

模拟监控系统存储空间有限，不具备冗余功能，录像访问性能差。模拟监控系统采用传统的硬盘录像机进行音视频存储，不支持RAID 硬盘冗余保护功能，难以扩展，因此模拟监控存储不能满足大规模监控存储的可分布性和冗余性。

模拟系统维护与扩展非常复杂。根据矩阵设备不同，对输入视频信号路数有不同限制，当输入视频信号路数超出单台视频矩阵输入限制，则需要增加视频矩阵形成复杂的近距离矩阵网络，系统的扩展能力差。对于已经建好的模拟系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身。此外，矩阵系统的报警联动只能采用硬联动，对于大规模的报警系统联动接线复杂繁琐，工程上几乎无法实施。在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。因此大规模视频源的控制与管理基本不可实现。

由以上分析来看，模拟监控通常更适合于小范围的区域监控，对于跨区域、长距离、点数规模大、存储量大的视频监控系统。模拟监控系统已捉襟见肘，力不从心了。

控制中心OCC 需要调看全线各车站、车辆段、停车场的实时视频图像和回放录像。为了满足OCC 远程图像调看需求，部分城市采用了车站/ 段/ 场部分图像编码上传的方案。

模拟监控：部分图像编码上传

在每座车站/ 段/ 场部署8~16 路数字编码器，由矩阵输出模拟视频到编码器，编码器数字编码后，上传OCC，实现OCC 的远程实时图像调看；OCC 的管理平台通过站级部署的协议转换器，实现矩阵视频输出的选择以及球机云台PTZ 操作；OCC 的工作站从车站的DVR回放录像；OCC 部署的IPSAN 实现全线路重要录像的长期存储。

此系统管理复杂、应用不便、维护困难，但是实现了站级视频图像的一定数量选择上传OCC，解决了模拟图像远程传输的问题，一定程度上满足OCC 远程监控的需求，是当时技术条件下的一种好的选择。

阶段二 IP数字体育监控系统

DVR 硬盘录像机采用数字记录技术，将数字化视频图像记录与多画面图像显示功能和监视报警功能结合在一起，逐步取代传统模拟视频矩阵和模拟录像机。DVR具备简单IP网络通讯功能，可处理的网络访问有限。因此，DVR 数字监控系统非常适合以本地监控存储为主，仅有少数网络浏览需求的监控环境。

DVR 最大的优点在于它将模拟视频信号转化成数字视频数据，但自身的不足使它更像是模拟监控迈向IP 监控的过渡产品。首先DVR 不具备大规模的级联能力。单台DVR 由于集成编码功能、存储功能和IP 通信功能于一体，可处理的视频输入数目有限，通常为16 路，而轨道交通闭路电视监控系统的规模一般在上千台摄像头，数字监控系统应该需要几十台DVR 级联，由于DVR 单机集成工作的业务模式，多台DVR级联系统缺少安全性和稳定性，随着监控规模扩大，几十台或上百台DVR 很难组成稳定的联网系统；其次，DVR 的IP 通信功能较弱。不能满足大量访问网络客户端的视频回看和实时观看需求，不具备QoS 业务流质量服务。最后，数字监控系统没有解决模拟监控存储无分布性和冗余的问题，数据存储仍存在可靠性差，硬盘无RAID 保护、存储数据丢失无法恢复的严重缺陷。

因此城轨CCTV 系统采用IP 数字体育监控系统，用IPSAN 磁盘阵列代替了DVR 存储，通过编码器将车站/ 段/ 场的模拟视频全部数字编码，通过站级--OCC 级的平台级联管理，实现全线实时视频的统一管理上传和统一的录像回放。

随着数字编/ 解码技术的快速发展，端到端的编解码延时下降到300ms 内，已可满足站级的实时图像低延时需求，而矩阵的存在，使系统复杂、维护难和扩容难，因此，城轨CCTV 系统快速摒弃了模拟矩阵系统，由视频平台的数字矩阵技术实现站级实时图像的切换调看、球机云台控制，通过解码器还原模拟图像，上屏显示实时视频和视频录像。城轨CCTV 系统从此时起，基本实现了系统的数字化（除了摄像机仍然采用标清模拟摄像机）。

编码器将模拟视频信号转换成数字视频信号，根据图像质量和带宽要求不同，由编码器提供多种编解码方式，例如：MPEG II、MPEG IV、H.264、JPEG 等。由于IP 网络长距离传输无损耗的特点，数字图像在IP 网络上可以进行几千公里的长距离传送。传输到OCC 控制中心的数字信号可直接显示在视频数字客户端，也可以通过解码器显示在模拟视频终端上。调度员的访问权限可以由专用的视频管理服务器统一管理。现有的IP 体育监控用户管理系统可对用户进行60 级划分，细化用户权限，避免监控录像非法窃取和破坏系统行为。

IP 体育监控+ 矩阵过渡系统

IP 体育监控系统在继承了数字监控系统诸多功能外，它解决了不易扩展、弱IP 通信和存储无冗余等诸多监控领域的棘手问题。例如：IP 数字体育监控无性能瓶颈-- 首先一个理想的监控系统在局部区域内是多设备分工协作，避免单个设备完成所有功能而存在瓶颈效应。IP 体育监控中的模拟视频信号数字化编码由编码器单独完成，视频数据的存储由单独的存储服务器完成，客户端用户的视频访问由单独的视频管理服务完成。由此实现多个设备协同工作，提高系统性能，防止像DVR 一样单个设备的系统瓶颈。其次，IP 数字体育监控对于可访问网络的用户数目没有限制-- 只要网络可达，只要用户有访问权限就可以访问IP 体育监控系统，让视频共享及综合利用变得简单灵活。

IP 数字体育监控系统

再次，IP 数字体育监控解决了存储的无分布性，无冗余的缺点--IP 体育监控系统通过专有设备进行存储管理，具有专业的存储管理能力：IP 监控解决方案采用专业的IP SAN 存储系统，不同于传统监控采用的硬盘储存。IP SAN 存储系统在分布式部署、集中管理、可扩展性、数据共享等方面拥有独特的优势，使之尤其适合于大规模监控应用。视频信息存储可采用块写入方式操作，既减少了系统资源开销，又提高了稳定性。

IP 高清体育监控系统

最后，IP 数字体育监控提供多种数据存储保护措施-- 如可实现Active-Active 模式的故障保护，主用切换到备用时，切换过程对编码器、IPC、IP SAN 等其他监控设备透明。支持存储资源的整机冗余保护，当系统中的一台存储设备发生故障时，可以手动把数据切换到备用存储设备上等；IP 数字体育监控提具备灵活高效的管理机制-- 提供多种自动化的存储管理机制，如可为每个监控接入设备制定存储计划，使之可以根据策略实现自动存储；可制定存储备份计划，实现数据自动备份等。

IP 数字体育监控实现视频编码、传输、控制、显示的全数字化，提供数字化的控制、视频接口，为后续的视频体育分析技术部署提供了条件。

阶段三 IP高清体育监控系统

随着监控行业进入高清时代，在全国城轨行业，武汉地铁4 号线首先实现了IP 全高清体育CCTV 系统设计和成功开通运营；近几年，各城市的新建城轨CCTV 系统开始全面采用IP 高清体育监控系统；城轨CCTV 系统从此时起，全面进入全面IP 数字化、高清化时代。

IP 高清系统的最大变化为：标清40 万像素的模拟摄像机（通常称为D1 画质）替换为高清200 万像素的网络摄像机（通常称为1080P 画质），有效解决了标清图像常见的“看得见，而看不清”的问题；高清网络摄像机自己输出IP 视频信号，不再需要编码器，系统更为简化，并且摄像机可网管，增强了CCTV 系统的可维护性。

模拟摄像机采用同轴线缆传输视频信号，传输距离远，基本可满足车站大部分摄像机的传输需求，部分距离远的摄像机可通过一对光端机进行传输。高清网络摄像机标配采用网线传输，受限于90 米传输距离，大量的远距离摄像机需要考虑可靠传输问题，如果大量采用光纤收发器，会带来故障点多的风险，不便于维护，因此高清网络摄像机内置光口，通过光纤接入设备室交换机是一个非常好的方式。

高清监控的另外一个变化是摄像机输出码流由标清的实况4M、存储2M 变为实况6M、存储6M，另外摄像机的点位密度要求更高，因此对系统的压力急剧上升，要求整个系统、IPSAN 存储具有更高性能、更高的可靠性。

系统建设模式的变化

在标清CCTV 系统时代，一般专用和警用分为2 个系统进行建设，由视频分配器将共享的模拟视频分别提供给专用CCTV 系统和警用CCTV 系统，2 个系统间网络物理隔离；2 个系统的设备组成基本一致，只是专用系统由站级--OCC 两级组成，警用系统由站级-- 派出所-- 地铁分局三级组成。

标清模拟视频的共享

在IP 高清系统时代，前端IPC 摄像机的输出接口为网络接口，因此需要采用其它的技术或系统建设方案来进行专用CCTV 系统和警用CCTV 系统建设。经过这几年的探讨和实践，基本形成以下2 类基础的系统建设方案：

公专合一系统方案：专用在车站统一部署前端IPC，一套管理平台和IPSAN 存储；车站警用只设置工作站、解码器及监视器，共享IPC、平台和IPSAN；通过防火墙、工作站串口控制、封闭工作站多余端口等方式实现网络隔离控制；站级警用设备由专用的平台管理；站级平台实现专用、警用IPC 访问权限分配，同时受上级OCC 平台、派出所平台的管理、控制。

公专合建站级CCTV 系统示意

公专分建系统方案： 专用在车站统一部署前端IPC， 一套管理平台和IPSAN 存储；车站警用共享IPC，部署自己的平台和IPSAN；2 个系统间通过防火墙进行进行网络隔离；前端IPC 的图像在专用IPSAN 和警用IPSAN 同时存储，警用存储时间长于专用；站级专用平台和警用平台实现2 个系统的对接，并实现专用、警用IPC 访问权限分配。也有一些城市，对于只有公安关注的公共区域，由警用系统补点部署警用的IPC。

公专分建站级CCTV 系统示意

阶段四 城轨CCTV 系统发展趋势

城市轨道交通作为最为重要的公共区域， 人群密集，CCTV 系统肩负运营公司的调度疏导，公安部门治安管理、查案乃至反恐的重要职责。现在，全国城轨CCTV系统均已陆续开始高清系统建设，建设模式成熟，后续系统建设将着重考虑以下需求： 每座站部署的摄像机一般为100 台~200 台，全线摄像机数量数千台，存储的录像数千TB~ 上万TB，如此多的摄像机图像如何快速调看，如何在应急指挥工作人员间传递指挥信息，如何从海量视频中快速检索所需要的录像，如何形成人员在路网中的出行视频轨迹，如何识别乘客的身份信息等等；宇视科技基于多年参与地铁CCTV 系统建设的经验，认为应从以下几个方面进行考虑：

◆ 基于城轨路网特点，构建路网、车站、站内的电子地图，基于电子地图实现图像的快速调用，如框选摄像机调用、线选摄像机调用、基于坐标信息的点击调用、网格化视频追踪等；

基于地图快速调看图像

◆ 即时、丰富的录像回放：即时回放当前时刻之前的摄像机录像，长时间录像的切片查找，同步回放某个场景的多路视频，帧预览查找目标录像位置而不影响录像正常回放；

◆ 用户间通信：应急指挥时，向一个或者多个用户发送实时信息，信息中可以包含文字、图片、视频点位、录像、地理位置等信息，便于快速传递视频信息；
◆ 视频体育分析：人群密度检测及人流计数为运营公司提供调度、疏导数据；人脸识别为公安提供管控人员的识别信息；
◆ 目标特征信息提取：提取人员的挎包、拉杆箱、口罩、眼镜、性别、身高等特征信息，构建特征信息库并关联原始视频，从全线路的重要位置摄像机基于特征信息进行快速检索、排序，提高筛查效率；
◆ 以图搜图：输入人员照片信息，从全线路的重要位置摄像机进行以图搜图比对检索；
◆ 人员轨迹视频链：基于目标特征信息、以图搜图等技术，辅以人工确认，快速形成人员在路网中的轨迹视频链；
◆ 物联网技术：如采用具有WIFI 探测功能的摄像机，主动采集出行人员手机信息，识别人员身份；

宇视科技积极参与并推动了地铁CCTV 系统的数字化、高清化历程，为全国城轨CCTV系统标志性线路提供了系统解决方案和产品：

全国第一条全高清地铁线路--- 武汉地铁4 号线专用CCTV 及警用监控；
全国的三条高清数字非压缩地铁线路--- 昆明地铁1/2/6 号线专用CCTV 及警用监控；
全国最大规模的地铁高清线路--- 北京地铁16号线专用CCTV 及警用监控；
标准化建设的地铁线网中心--- 武汉地铁线网中心；

宇视科技的解决方案从多个维度保障城轨CCTV 系统运行的可靠性，确保整个系统不存在单一故障点，满足日常业务和应急事情处理，为维护人员提供丰富的运维手段，致力于新技术的创新和落地应用，产品高品质、并切合地铁站级工程布局和环境设计。截至2016 年3月，已服务于30 个城市，近70 条城轨正线线路、近90 个专用或警用CCTV 项目。