一种地铁综合监控集成闭路电视子系统的方案设计

经玉健

(南京国电南自轨道交通工程有限公司,江苏 南京 210032)

地铁综合监控系统(Integrated Supervisory Control System,ISCS)作为一个高度集成的综合自动化监控系统,主要是通过集成地铁多个主要弱电系统,形成统一的工业级监控层软硬件平台。

该系统采用稳定、可靠的工业级网络架构为载体,在其上搭建模块式、类似积木结构的多层软件开发平台定制应用软件,采用通用开放的硬件接口及软件通信协议,与各接入子系统实现信息交换,最终实现对相关机电设备的集中监控功能和各系统之间的信息互通、信息共享和协调互动功能[1]。

目前,综合监控系统与其集成/互联的子系统数据交互,其数据接口大多使用可靠、稳定的工业规约,唯有视频监控系统(Closed Circuit Television,CCTV)例外。

CCTV 系统通常在各车站站台、站厅、出入口、换乘通道等地点设置摄像头,对采集的视频数据进行存储,响应操作员的命令,提供视频服务和云台控制等功能,担负着地铁运营管理中的安防重任。

视频监控系统的数据内容包括工业监控常见的视频设备状态的实时数据更新、用户对某个摄像设备(球机、云台摄像机)控制需求,更多的是某种压缩格式多媒体视频数据。

众所周知,工业监控网络最基本的要求就是可靠性和实时性[2],监控集成平台的集成商也是根据这样要求来选取骨干网节点交换设备的,一旦海量的视频数据涌进综合监控网络,不仅不能保证CCTV 视频画面的播放,更危险的是可能会影响其他众多子系统的正常工业监控功能,这就需要综合监控系统以一种更巧妙的方式接入视频监控子系统。

目前,各地综合监控系统接入CCTV 系统的方式大都是由综合监控软件平台厂商封装CCTV 系统供应商提供的SDK 开发包,调用各种SDK 接口功能函数来完成与CCTV 子系统的数据交互。

开发包为视频监控提供的商业软件,多数只能在Windows 下使用,而综合监控系统更多使用Unix/Linux 服务器,即使使用Windows,也容易被系统库的版本问题所困扰。

视频码流的解码播放工作也会给非视频专业的综合监控平台软件带来相当的开发成本。

更关键的问题是随着摄像数据采集技术的飞速发展,视频画面分辨率越来越高,数据量越来越大,其接入综合监控系统一方面占用了大量网络带宽,严重影响其他系统的数据通信,另一方面大量视频压缩数据的解码计算也给系统服务器带来了非常大的负担[3]。

同时,笔者所在的公司系统平台客户端浏览器推荐使用的是Chrome,几乎没有CCTV系统供应商能提供基于Chrome 的CCTV 系统插件,这就给封装带来了更大的困难。

为了克服上述问题,文章设计了本方案,利用视频监控的数据特点将CCTV 数据平衡分成两路通道来交互,所有实时控制数据流都与综合监控其他子系统一样,直接与其服务器模块交互,进入综合监控系统网络;而工作站可以独立使用专用通道(如增配专用网卡)来实现多媒体流实时播放。

前文提到,视频监控系统按数据格式分有两种数据与综合监控交互往来。

一种是系统设备实时状态数据和用户的控制命令,这类数据其实与其他工业自动控制系统并无不同,要求实时更新、可靠性高;而另一类则是高清视频数据,这类数据体量大,对网络设备数据处理能力要求极高,但对实时性和数据包的可靠性要求不高,更像是商业软件数据,这其实与工业监控系统的特点是矛盾的。

为了解决这个矛盾,本研究设计了SVC 三角平衡结构来实现地铁综合监控系统对于CCTV 视频监控系统的集成。

综合监控系统提供两个数据端口分别接入CCTV 系统的两种类型数据。

两个数据端口分别位于系统服务器和系统工作站。

服务器端接口与CCTV 通信用于交互实时性、可靠性要求较高的实时设备状态以及用户控制命令数据,这个通道的数据是双向的。

另一个接口位于综合监控系统工作站上,专门用于接收处理高清视频数据。

其工作原理如图1 所示。

图1 SVC 平衡架构

CCTV 子系统单纯地担当起视频数据采集、控制终端以及数据存储的角色,它需要同时维护与综合监控服务器的控制流数据通道以及与综合架空客户端的多媒体流数据通道。

服务器端模块使用跟其余工业监控子系统相同的通信模块(通信模式和原理相同,仅项目具体数据点不同),实时更新视频设备状态,实时下发用户请求,并准确记录操作日志和历史数据。

大数据量的数据解码计算以及显示任务由综合监控客户端(调度工作站)完成。

随着浏览器性能的提高,前端脚本画面的丰富,越来越多的综合监控系统使用了Browser-Server(浏览器-服务器)架构,这就给本研究设计SVC 框架提供了技术便利。

浏览器脚本如Javascript 语言等可灵活地兼容各种浏览器视频插件以实现所有包括对多媒体服务的请求以及对视频格式数据的处理计算等复杂的计算工作。

而综合监控服务器与客户端之间的数据交流则通过系统内部数据传输机制来保证。

SVC 即dataSource (数据源) - View (画面) -Controller(控制器)。

dataSource 即CCTV 子系统,它被单纯地当做视频数据源以及控制命令执行终端。

View 即综合监控系统客户端(客户端浏览器+视频播放器插件无疑是最通用、最合适的视频显示客户端),它承担着视频数据的接收、解码计算、视频数据显示以及控制命令的输入、接收等任务。

综合监控系统的服务器群组毋庸置疑是整个框架的Controller 角色,为了实现各子系统之间的数据共享和互动,重要的控制信息和命令下达必须由综合监控系统这个心脏来完成。

用户通过ISCS 客户端用户界面使用CCTV 子系统,相应的视频请求或操控命令由ISCS 客户端发送给ISCS 服务器,ISCS 记录请求或命令,同时将该请求或命令通过ISCS↔CCTV 之间的自定义工业规约发送给CCTV,由CCTV 返回结果。

这里结果分为两类。

一类是视频信息请求:CCTV向ISCS Server 返回相应的实时流媒体服务地址(其服务协议取决于CCTV 内部提供视频服务的方式如RTSP,RTP 等,此内容非本文讨论核心),ISCS 客户端从ISCS Server 端获得该服务地址,凭借此地址信息,ISCS 客户端可直接向CCTV 子系统请求多媒体服务。ISCS 服务器端不仅记录了用户请求和命令信息,而且规避了海量的视频格式数据。

另一类是ISCS 向CCTV 实时请求设备信息或下达控制命令,CCTV 向ISCS Server 返回所请求的设备实时状态信息或命令执行结果,再由ISCS 收到后,客户端负责展示给终端用户,此类信息数据量小但对于系统运行管理来说非常重要,不管是数值还是操作日志都需在系统中妥善保存。

2.1 Controller-ISCS Server

为了实现综合监控系统的高度集成化,各子系统能够进行联动和数据共享,CCTV 子系统必须要有足够的信息映射到综合监控系统ISCS 中,本研究在ISCS 中为CCTV 子系统设计了一系列专有对象来实现CCTV的系统功能。

CCTVController 对象用于对应CCTV 子系统的接口/视频服务器。

一方面用于记录ISCS 与之接口的通信信息和监视子系统的通信状态;另一方面则用于逻辑管理,作为下文要提到的Camera 对象的父对象(所有通过该接口被实现监控的Camera 都按其子对象管单。

Camera 对象对应每一个CCTV 系统的摄像头终端,它是CCTV 最基础最重要的对象,所有的视频画面、设备信息请求以及控制命令下达最终都会寻址到具体Camera 对象。

其重要属性包括摄像头名称或编号、设备信息描述、设备类型、设备地址、用于实时PTZ控制的各种参数(移动速度、调节速度、移动方向、缩放、焦距、光圈等)、设备工作状态、设备通信状态、预置位编号等。

User 对象用于记录当前通过ISCS 登录CCTV 子系统的用户信息,包括用户名、操作员权限、用户工作工作状态等重要信息。

2.2 View-ISCS Client

综合监控系统ISCS 客户终端,直接面向用户,其软件功能通常由客户端浏览器+浏览器视频播放插件实现,本设计以Google Chrome + VLC Media Player(基于GPL 的多媒体播放器)为例来说明。

用户选择视频设备,发出播放请求后,Controller(ISCS Server)获得所选择的设备编号,向dataSource(CCTV)发出请求视频指令,CCTV 根据编号查找到对应的视频服务地址信息,将之返回给Controller。Controller 通过综合监控系统内部通道将地址传递给View(ISCS Client)。

其余的工作完全由Chrome 视频播放插件来完成。

至此,View↔dataSource 之间就变成了单纯的多媒体流服务,而两者之间的数据通道则是工作站增配的专用网卡,这样多媒体数据完全不会影响原有的综合监控系统网络。

2.3 dataSource-CCTV

本设计中处于数据源角色的CCTV 系统在本分流平衡架构中提供双通道接口服务,一路是对ISCS Server 提供控制流数据的处理响应服务,其通信数据流遵循本设计自定义的接口通信规约;另一路是对ISCS Client 提供视频数据的多媒体视频服务。

ISCS Client提供通用的多媒体客户端可支持目前常用的多媒体数据流格式。

2.4 Controller↔dataSource 自定义通信规约

本设计的目的就是使ISCS 服务器规避数据量巨大、数据复杂的多媒体数据流,仅需处理量小关键的实时控制流数据。

控制流数据通信双方遵循自定义的ISCS-CCTV control-interface 1.0 规约。

该规约与普通工业规约类似,定义严谨规范。

随着视频监控功能被越来越多地集成到综合监控系统中,最为困扰综合监控设计师的是高清视频数据对工业监控网络的冲击以及专业的视频解码渲染带来的额外开发成本。

本设计利用视频监控的数据特点和交互需求对其进行逻辑分流,使用巧妙的三角平衡架构帮助高清视频数据避开了综合监控主干网络,而摄像头画面播放则交给成熟的浏览器视频解码插件解决。

当然,随着国内地铁建设的蓬勃发展,各地项目规划各有特色,综合监控集成平台对各子系统的数据接入方式还需具体情况具体分析,只要能以用户需求为本,理清软件数据的脉络,最后一定能找到高效的系统设计方案。

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