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標題: “鳥巢”視頻監控系統設計方案解析 [打印本頁]

作者: sunfuxue 時間: 2011-3-31 10:39 標題: “鳥巢”視頻監控系統設計方案解析

一、引言
北京奧運會最受關注的焦點就是國家體育場——鳥巢。同樣，對于安防系統來說，鳥巢的安保系統也是整個奧運會場館監控中最為典型的一個案例。在鳥巢的視頻監控系統中，海康威視提供前端視頻編碼器、硬盤錄像機以及監控中心的硬解碼設備視頻監控平臺軟件。下文就筆者參與鳥巢視頻監控系統建設的經驗，做一個簡單的介紹和分析。

二、奧運安保項目的具體需求
奧運安保項目與其它大型監控項目相比，有著自己特殊的需求。而這些需求也決定了鳥巢視頻監控系統與普通的場館監控之間有著很大的不同。
●圖像質量要求高，控制實時
對于奧運場館監控來說，由于監控點需要覆蓋整個場館及場館周邊區域，因此，很多監控點的覆蓋范圍都非常大，而且對圖像清晰度的要求也非常高。以鳥巢而言，中層看臺的云臺攝像機，需要清楚地、快速地看見百米看臺對面的人員活動情況。這就對攝像機、圖像的實時控制、圖像的顯示等設備的要求非常高。
●錄像時間長，錄像質量要求高
由于硬盤錄像機要保證能夠滿足保留所有奧運會及殘奧會一個月左右的錄像，因此對于硬盤錄像機錄像文件保存時間有著很高的要求。同時為了保證特殊事件的事后取證的清晰度，因此，硬盤錄像機的錄像文件必須要保證高清晰的錄像回放質量。對于回放質量的要求，D1已經是最為基本的圖像分辨率要求。

●系統要求高度穩定
鳥巢的安保系統擔負著場館內部和周邊的安保運行工作，對于安保系統來說，穩定性永遠是放在第一位的。如果系統不穩定，技術方案再超前，功能再豐富的系統也是失敗的系統。因此，在系統方案設計上，處處都需要體現出穩定性的要求。拿鳥巢設計方案來說，從視頻的壓縮、網絡傳輸、存儲和顯示，各個單元都進行了冗余設計，避免因任何一個單點故障而造成的整個系統癱瘓或某個監控點的失效。并結合各種設備檢測措施，一旦某個環節出現問題，系統能在第一時間發現異常事件,能及時有效給于解決。在鳥巢項目中，800多個監控點在一個多月的時間之內，各項指標均達到系統設計目標，特別是可靠性指標。
●實時視頻的多用戶跨平臺調用
對于重點場館，關注視頻的可能不僅僅是場館內部的安保人員。很多安保相關單位，如武警、消防、公安、上級安保指揮中心、政府等部門都需要實時了解場館信息，調用視頻資料。這就要求視頻監控平臺是一個開放、標準的平臺，允許多個系統的接入，同時，系統平臺還應該是一個高性能、高穩定性的平臺，允許多用戶同時調用而產生的視頻訪問壓力，提供穩定的視頻點播、下載、控制等服務。
●強大的預案處理功能
奧運安保監控，其中非常重要的一個需求是對于突發事件的處理能否及時、準確。奧運安保團隊對于各種突發情況都制定了十分詳細的相關預案，突發事件發生時不是盲目地去處理，而是根據預先設定好的預案對突發事件進行最佳的處置。而安保監控系統也需要根據這些緊急預案而自動地進行相關功能的觸發，如出現緊急情況時，如何從800多個攝像頭中迅速找到最佳的攝像頭對事件現場進行觀察，獲取最為直觀的視頻信息，這樣才能夠滿足奧運安保對于突發事件監控的需求。
●多平臺的互聯互通
奧運安保系統是一個立體的、全方位的系統，基本上涵蓋了有關安全防范的所有內容。鳥巢的整個監控系統包括視頻、報警、門禁、消防等多個子系統，而且各個子系統之間并不是完全獨立的。用戶更關心的是如何能夠把這些子系統有機的結合在一起，實現平臺級的互聯互通，這樣的效果遠大于幾個系統簡單疊加。
三、鳥巢視頻監控系統介紹
鳥巢視頻監控系統可以分為前端監控部分、核心筒視頻匯集部分、網絡傳輸部分以及監控中心部分等四個部分。
●前端監控、核心筒視頻匯集與網絡傳輸部分
   前端監控部分是分布在鳥巢各個角落的800多只攝像機。攝像機采集各個監控點的實時視頻圖像，基本實現了整個鳥巢的視頻無縫覆蓋。800多只攝像機采集的模擬視頻信號通過模擬視頻線纜送至十二個設備核心筒。在設計時，系統將整個鳥巢分為12個垂直的核心筒區域，分布在鳥巢各個樓層的監控點就近接入各個核心筒。各個核心筒將視頻信號和控制信號最終匯集到與核心筒對應的12個網絡設備間。在網絡設備間，視頻信號首先進入16分32視頻分配器，將一路視頻分為2路，一路進入硬盤錄像機進行本地化錄像，一路進入視頻服務器對模擬視頻進行數字化編碼，通過網絡交換機上傳至監控中心，其中網絡設備間與中心控制室的數據通信采用光纖。

●監控中心部分
監控中心配備了海康威視自主研發的5.0版集中監控平臺軟件，并根據監控的具體需求，配置管理服務器、流媒體服務器、存儲服務器、控制中心PC、控制鍵盤、電視墻服務器（包括嵌入式解碼器和PC式解碼主機）等硬件設備。
管理服務器是整個系統的核心，各監控中心必須得到管理中心的授權才可以接入系統，同時，管理中心還對監控中心的各類服務器（電視墻服務器，存儲服務器，流媒體服務器）、接入的前端編碼設備（硬盤錄像機、視頻編碼器）、控制中心的操作用戶進行管理。管理中心具有系統巡檢功能，實時對系統內所有硬件設備進行巡檢，當發現有故障設備時會產生報警并啟動冗余替代方案，以保證系統的穩定運行。
電視墻服務器包括解碼器和解碼主機，利用48個DS-6001D解碼器解碼上電視墻。鑒于電視墻規模較大，為便于值班人員進行有效監視，監視器選擇單畫面顯示方式。同時配備2臺16路解碼主機（每臺4塊DS-4004MD解碼卡）解碼輸出，解碼主機解出的模擬視頻有4路供監控中心4路大屏進行集中顯示，16路供16路PCDVS進行二次編碼上傳仰山橋安保指揮中心。
存儲服務器為整個系統提供存儲服務。存儲服務器可以自動存儲正在電視墻上輪巡顯示的圖像，前端報警信號上傳后，報警點關聯的視頻圖像，硬盤錄像機故障時，存儲服務器會自動連接與故障硬盤錄像機關聯的相關視頻服務器，并調取視頻服務器的圖像進行中心存儲。接收控制中心命令，啟動指定通道的定時錄像。同時存儲服務器還為各個客戶端提供視頻錄像的VOD點播服務。流媒體服務器為各個客戶端提供流媒體轉發服務，并為其它監控系統，如武警、公安、政府、消防等單位提供視頻流轉發服務。
控制中心相當于客戶端軟件，提供視頻預覽、云鏡控制、本地錄像、視頻回放、報警聯動、遠程配置、電子地圖顯示等功能。但是與普通的客戶端不同的是，它還提供了許多對于服務器的控制功能。例如，在控制中心可以控制存儲服務器對前端監控點的錄像操作，可以控制硬解碼服務器的解碼上墻的切換以及輪巡的操作，并具有雙屏顯示功能。如果連接控制鍵盤，可以在控制鍵盤上實現對電視墻的矩陣切換功能。

圖2監控中心組織結構圖

四、技術特點
鳥巢視頻監控系統在設計和實施過程中始終清晰的貫徹鳥巢用戶的特殊需求，采用了許多別的監控系統中沒有使用過的技術措施，為鳥巢監控系統量身定制相關的硬件產品，從整體效果來看，正是因為有了這些有鮮明特點的技術措施和穩定、高效的硬件產品，才能保證鳥巢的視頻監控系統充分滿足了奧運期間安保團隊對于視頻監控的極高的要求。在此，筆者總結了幾點比較貼近體育場館監控應用需求的技術特點。
●采用穩定的視頻編碼器和網絡硬盤錄像機
對于整個視頻監控系統來說，最為重要的，也是最為基本的有兩件事。第一，實時的視頻圖像能否及時、準確、穩定地傳輸至監控中心和各個客戶端。第二，各個監控點的視頻圖像能否安全、完整地保存在硬盤錄像機中，以便事后查閱。這兩點說起來很簡單，但是實際做起來難度就非常高。對于一個有著將近900個監控點的大型系統來說，能夠完成視頻網絡傳輸和視頻本地存儲是一項非常艱巨的工作。它對硬盤錄像機和視頻編碼器的穩定性提出了非常高的要求。
本次方案中采用的兩款產品均采用高性能的DSP處理芯片和H.264視頻壓縮算法，性能穩定可靠，視頻圖像無論預覽、回放還是網傳均能實現全部通道最高D1分辨率。事實證明，在奧運會和殘奧會這一個多月的滿負荷工作中，300多臺設備，沒有一臺發生故障。硬盤錄像機完整記錄了整個奧運會和殘奧會的所有監控點圖像，并為多起盜竊、緊急狀況等處置提供了準確的視頻資料，沒有漏錄任何視頻信息，是整個視頻監控系統穩定運行的堅實基礎。

●監控系統所有節點均實現雙路冗余備份
采用性能穩定的硬件設備是保證系統穩定的先決條件，但是如果把整個系統的穩定性都寄托在設備的穩定性上，這樣的系統設計顯然是不周到的。必須采取周到的冗余設計，考慮到所有環節可能出問題的地方并采取相應的方案來保證出問題后如何處理，這才稱得上是一個真正穩定的系統。在鳥巢方案設計中，處處體現出為了保證穩定性而采取的冗余設計。
具體來說，從視頻編碼、傳輸、錄像、解碼上墻等方面得到了充分的體現。前端視頻編碼和錄像部分我們沒有按照傳統的方案采用硬盤錄像機作為編碼、錄像一體的設備，而是采用視頻分配器將同一路視頻信號分為2路，分別接入硬盤錄像機和視頻服務器。硬盤錄像機和視頻服務器互為備份，實現編碼和錄像的雙冗余。當管理中心巡檢到視頻編碼器故障，通知控制中心，控制中心將通過調用相應的DVR（硬盤錄像機）視頻通道代替故障視頻編碼器的相應通道，從而不影響控制中心正常顯示圖像。而當控制中心一旦收到硬盤錄像機故障等類似報警后，控制中心就開始查找其對應的視頻編碼器信息，并且立即發送命令給存儲服務器要求存儲服務器對相應視頻編碼器的通道圖像做遠程網絡存儲。
網絡傳輸部分，網絡設備間的交換機到中心控制室敷設單模6芯光纖。網絡設備間內每臺視頻監控系統使用的網絡交換機配備2個光纖網絡接口，分別接2條獨立的光纖，匯集入中心控制室的核心交換機，保證整條光纖鏈路的線路冗余。監控中心電視墻顯示部分，48個監視器采用單路解碼器進行解碼輸出，而不是采用多路的解碼主機，這樣避免因為解碼主機出故障而導致多路監視器不能顯示圖像，如有單個解碼器故障，也不會影響其它監視器解碼輸出。2臺硬解碼主機分別為4路大屏和長峰編碼設備提供解碼輸出視頻，每臺解碼主機都多備了1倍的解碼卡，當解碼卡有故障時可以實現在線切換。同時，兩臺解碼主機也可實現互為備份。
●高性能的數字矩陣系統
此次鳥巢監控系統中，并沒有使用傳統的模擬矩陣系統來作為集中顯示設備。而是采用高性能的數字矩陣系統作為集中顯示設備。對于傳統的模擬矩陣系統和新型的數字矩陣系統來說，業內普遍存在這樣的看法，模擬矩陣系統視頻信號無損傳輸、顯示，圖像質量優于數字矩陣；模擬矩陣控制實時，數字矩陣控制延時不能忍受；模擬矩陣可用鍵盤實現切換、云鏡控制，控制方便，數字矩陣通過鼠標操作，操作困難。
在鳥巢系統中，數字矩陣系統對于這些問題都給出了較為圓滿的解決方案。數字矩陣系統的核心，解碼器設備在使用D1格式分辨率的條件下，得到了近似于模擬圖像的效果。這一效果經受了公安部一所檢測中心以及十幾名監控行業專家的3次嚴格檢驗。在視頻圖像延時方面，數字矩陣系統延時控制的非常好，800多個監控點，公安部一所的檢驗人員每個點都用秒表進行了仔細的測試，所有監控點延時均在系統驗收要求的500ms以內，云鏡控制非常流暢。而在操作方面，為了適應操作人員的操作習慣，控制中心配置了1臺控制鍵盤。控制鍵盤與控制中心PC的串口相連，通過串口直接控制解碼設備，可以實現對網絡視頻的選擇、切換以及云鏡控制等操作。

●靈活的預案處置機制以及高效的電子地圖調用手段
對于奧運會這一特殊的安保監控項目，當出現突發情況時如何進行處置是檢驗一個安保系統是否真正有效的重要標志。在專家驗收的時候，許多專家都著重檢驗這一點，系統采用了先進的設備、先進的技術，但是，能否真正好用，還需要實踐的檢驗。在系統平臺軟件中，控制中心為用戶提供了快速定位、自動聯動、大信息量顯示等多項功能。系統內所有的報警點、門禁開關以及消防探頭都與相關的視頻進行了聯動。當有任意一個點被觸發，系統都會自動彈出相關的視頻，并提供準確的文字、聲音等提示手段。
另外，如何在800多個監控點中迅速定位某個監控點，對于任何使用者都是一個很大的挑戰。系統平臺軟件中的電子地圖系統，用30多張場館平面圖以及區域地圖把所有監控點都囊括進來。每張地圖之間都有相應的聯系，可通過熱區的功能在各個地圖之間方面的跳轉。當有報警發生時，電子地圖系統會自動將報警點所在的地圖彈出顯示，并在電子地圖上以醒目的圖標閃爍提示用戶報警點所在位置。在實際使用當中，正是強大的電子地圖功能，在許多突發事件處理過程中，為公安人員迅速定位監控點，了解事件現場情況提供了及時、準確的幫助。
●大信息容量的雙屏顯示功能
此外，本系統平臺軟件的一個非常有特色的地方就是它的雙屏顯示系統。一個控制中心客戶端PC可以帶2臺顯示器，一臺顯示器顯示監控畫面，一臺顯示器顯示電子地圖，這樣很好地解決了單一顯示器上顯示內容過于繁雜、顯示信息量小的問題。用戶可以通過點擊電子地圖圖標，直接在監控界面上顯示監控點圖像。信息獲取方便直接，一目了然。

●多平臺之間的互聯互通
鳥巢安保系統的互聯互通包括2個方面，一個是場館內部的視頻監控、消防、門禁、報警等安防系統之間的互聯互通，一個是場館內部視頻監控系統與奧運安保指揮調度系統的互聯互通。系統軟件通過開放的平臺很好地解決了這兩個問題。場館內部安保系統總集成是A公司，他們自己有一套EBI系統，可以將門禁、報警和消防系統集成在一個平臺下。在方案設計的時候，我們與A公司充分溝通，向他們提供了我們的視頻調用、顯示模塊，在他們的EBI系統中可以實現任意監控點的視頻調用、顯示及控制。而同時EBI系統也和系統平臺軟件約定了網絡傳輸協議，將門禁、報警和消防的報警信息通過網絡傳送給平臺軟件，平臺軟件接收到報警信息后，可以在控制中心實現相關的報警聯動視頻顯示、錄像等功能。 B公司的奧運安保指揮系統是一個架構于各個場館之上的綜合性管理平臺。在這個平臺上可以實現任意場館的視頻調用、報警上傳、視頻控制等操作。如何更好地與B公司奧運安保指揮系統對接，實現流暢的控制，是很大一考驗。在與該奧運安保指揮系統聯通的方案中，采取通過網絡進行視頻控制、通過解碼主機進行視頻傳輸的方式。B客戶端軟件可以通過網絡向平臺軟件指定的客戶端軟件發送視頻調用和視頻控制的命令，客戶端軟件接收到命令后，會自動控制指定的解碼主機，將B系統需要的視頻解碼輸出，并將控制命令送到前端的視頻編碼器中，由編碼器實現對快球和云臺等的控制。視頻解碼主機的輸出口連接B編碼器的視頻輸入口，B編碼器將視頻編碼后傳送至仰山橋指揮中心。

圖3多平臺之間互聯互通

   對于這兩個系統的互聯互通，都是在平臺與平臺之間的層面上實現的，大家規定網絡協議，通過網絡傳輸控制指令和相關信息。這樣做的好處是控制功能可根據要求進行設計，沒有硬件連接的局限性；可實現許多復雜的功能。開放的平臺使用開放的協議，兼容性強。

五、結束語
綜上所述，像鳥巢這樣的大型場館設施，因為其監控對象、監控場景、建筑物布局、使用目的，有著自身許多特殊的地方。我們設計監控系統時一定要把握這些特殊點，充分了解用戶的需求才能設計和實現真正適合用戶使用，滿足用戶需求的系統。

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