列车移动视频监控解决方案
2014/4/2 10:56:00 安防知识网 关键字：列车,移动视频监控,解决方案 浏览量：
导读：随着社会经济的不断发展，城乡人员流动日益频繁，铁路负载大，是一个非常重要的交通运输工具，是整个国家的经济大动脉。铁路列车是人流非常集中的公共场合，空间狭小，人员复杂，治安形势日趋严峻，各种刑事案件频发，给管理部门带来了很大压力，成为社会的一个不安定因素。要提高列车管理，为旅客提供安全舒适的乘车环境，不能仅靠管理人员的原始方法，还应该运用高科技的技术手段和先进的装备，对整个列车的内外环境进行监控。视频监控作为成熟的技术手段，在平安城市中得到大量应用，效果显著，在铁路列车中应用也将发挥重要作用。
视频监控作为一项成熟的技术手段，在铁路安防领域得到了广泛的应用。但是如何对移动的列车进行监控和移动的列车如何与车站管理中心实现信息回传，本文与您一同探讨。
需求背景
随着社会经济的不断发展，城乡人员流动日益频繁，铁路负载大，是一个非常重要的交通运输工具，是整个国家的经济大动脉。铁路列车是人流非常集中的公共场合，空间狭小，人员复杂，治安形势日趋严峻，各种刑事案件频发，给管理部门带来了很大压力，成为社会的一个不安定因素。要提高列车管理，为旅客提供安全舒适的乘车环境，不能仅靠管理人员的原始方法，还应该运用高科技的技术手段和先进的装备，对整个列车的内外环境进行监控。视频监控作为成熟的技术手段，在平安城市中得到大量应用，效果显著，在铁路列车中应用也将发挥重要作用。
视频监控系统不仅能应用在列车安防领域，也可以应用在对列车司乘人员的管理，列车行车过程路况安全记录等等。
需求特点
列车监控效果虽然明显，但实施中有一些技术瓶颈需要克服，这也是目前列车监控没有广泛应用的重要原因。
列车的车厢并不固定，会随运力的调整不断重新编组，动力车头替换频繁，这意味着传统的有线视频监控方式不能直接拿来使用。
其次，由于列车全程高速行驶，列车上的视频数据不能传输到车站监控中心，使得整个监控网络不能连成整体，成为信息孤岛，大大降低了系统的使用价值。
本文重点要讨论的是如何解决列车行驶中和车站之间的视频传输问题。
移动数据通道的选择
现有无线传输方法的比较
目前无线移动视频传输主要有以下几种方法：卫星，微波，无线局域网和无线公网。
卫星价格昂贵，不适合大量使用，微波和无线局域网在铁路环境上应用需投资大量基站，费用大且维护不便。利用无线公网的数据通道是目前比较经济和现实的视频传输途径。
相对于卫星、微波等技术，CDMA是一种成本合理、技术门槛相对较低的无线数据传输技术，使监控系统中从列车上到远程监控指挥中心的实时图像数据传输成为可能。
CDMA是中国联通已建成的一个语音数据通信平台，其覆盖范围已遍及全国，甚至市区的隧道，大楼的电梯、地下室都有很好的信号覆盖。所以，系统应用不需要另外再架设天线或者购置其他昂贵的辅助设施。只是利用现成的联通C网来完成图像传输，实现在任何地方都能较好的传输图像的实战需求。比如在中国的任一个城市或者乡村，只要有联通CDMA信号覆盖的地方，在监控中心就能看到前端通过网络传回来的图像。
CDMA是码分多址(CodeDivisionMultipleAccess)的英文缩写，是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。
目前国内CDMA2000-1X系统对终端系统可以提供最大153KB/S的数据通信带宽，其通信带宽可满足多种业务的需求。
CDMA数据传输的优点在于:
·传输速率高，最高理论带宽可达到230.4kb/s，实测是目前公网传输中实测最高的,适合图像数据传输；
·永远在线，可以实时传输数据；
·基站覆盖范围广，漫游性能好，高速移动时仍然能传数据；
·多种资费可以选择，价格合理；
·基于IP协议可以访问整个Internet。
CDMA满足列车高速运动的特性
由于铁路列车的不断提速，在高速运动中无线数据通道的可靠性变得非常重要。联通CDMA使用频分双工FDD技术，上下行链路靠不同的频率来区分，同时收发，因此FDD是连续控制的系统，根据国际电信联盟要求，FDD系统移动速度可以达到500km/h。现在新的TD-SCDMA使用了时分双工TDD系统，TDD是时间分隔控制的系统，在高速移动时，多普勒效应会导致很快衰落，移动速度只能达到250km/h，当然频率资源会节省一半。因此，联通CDMA高速运动中传输的理论值完全能满足现有列车时速的要求，通过实际测试，在列车200km/h的速度下依然能正常工作，更高速度的特性有待于进一步现场测试。
多通道捆绑，突破带宽瓶颈
虽然CDMA信道的传输速率理论值很高，但实际测试的结果却远未达到，根据地区不同，一般只能稳定在30?70kb/s，这样的速率满足不了监控图像的清晰传输，因此笔者提出了多信道捆绑的方法来解决，通过8个CDMA信道的捆绑使用，使信道理论带宽达到240?560kb/s，完全满足1路CIF图像的实时传输，在D1的分辨率下也能传输3?5帧/秒。在传输图像的同时能传输声音，声音的传输具有较高的优先权，保证声音实时到达，通过无线网络实现远程对讲实时指挥。
多信道捆绑带来了新的问题，特别是随着通道捆绑数的不断增多，信道可靠性处理的复杂程度呈几何级数上升，现有的网络TCP/IP传输协议是建立在有线宽带可靠的条件下，而CDMA无线却是不可靠的窄带，时延和丢包随时会发生，笔者通过建立完整的网络优化模型，数据包分拆调度策略，数据纠错机制以及多通道高频抗干扰方法来最大限度的整体提升信道有效带宽。并且，图像压缩的数据流必须能有效控制，可根据带宽速率的飘移随时调整压缩，生成和带宽像适应的图像数据，最终完成数字视频图像的高质量传输。
系统组网方案
移动终端采集到图像数据信息后，要把数据发送到监控中心，前端CDMA与监控中心的连接总体上有两种方案：CDMA+Internet连接；CDMA+联通内网连接。
图像数据采集
在联通CDMA信号能够覆盖的任何地方，都可以通过移动终端把采集到的数据回传中心。
公网接入
只要是一台具有公网IP或者域名的服务器即可，启动接收服务后，就等待各个监控终端的连接，特点是费用低，方便快捷，但是保密性相对差些。
联通专线接入
专门的客户名和密码认证，保密性好；由于通过专线接入，图像数据无需再通过公网上传和下发，因此，图像还原后延时小。
系统拓扑结构
系统拓扑结构如图1所示。
系统实现
移动终端部分
·视频采集模块：实现的功能是从普通的视频摄像头中捕捉瞬时的视频信号，然后压缩。该模块支持不同的压缩比和图像大小，用户可以根据需要选择图像格式和帧率。对图像帧率、抓拍、抓帧功能等都有完整管理设置；
·无线数据传输模块：视频采集压缩后就可以将压缩好的视频图像文件传送到中心：传送的方式是通过8块联通的CDMA捆绑式模块，将图像分别拆包传输，同时，系统具有CDMA的PPP拨号过程，内嵌实现了TCP/IP协议、支持动态IP；
·视频图像记录模块：移动视频监控系统除了利用CDMA进行图像传输之外，也是一台数字硬盘录像机，具有硬盘录像机的录像、回放、控制、备份、自动存储及删除等一切功能。可将现场传输时不够清晰的图像记录下来，回放时高清晰还原；
·云台摄像机控制模块系统对云台的控制，摄像机的变焦，预置位及巡航，可实现远程指挥中心对前端的控制。
车站监控中心部分
车站监控中心实现移动视频终端的数据接收、显示、解压上墙、流媒体转发等功能，同时可以对前端设备进行参数设置、控制、远程唤醒。
·视频接收模块：接收远程无线数据，解码成可视图像，并根据无线网络工作状态和移动视频终端协调成最佳工作模式，通过嵌入式的专门设备可实现多达16路图像数据的接收；
·视频流媒体转发模块：由于无线传输带宽有限不能同时向多个用户发送图像，在接收端必须做流媒体转发，在同一个网络中的其他用户可以通过向视频流媒体转发服务器请求获得远程的无线图像，实现图像资源的共享；
·图像编码下行模块：接收数字图像数据或模拟图像数据进行压缩编码，通过联通的网络下行到前端移动视频终端，在移动视频终端中可以选择看到指挥中心的任意图像，适合建立临时指挥中心；
·数字矩阵模块：接收的图像数据可以通过网络进行分发，但如果需要进入模拟监视设备或模拟矩阵，图像数据必须转换成模拟信号，数字矩阵物理上完成了数字转模拟的过程，是大型监控网络中的必要设备；
·GPS定位模块：移动视频终端配备了最新高灵敏度的GPS接收模块，实时检测自身的位置，通过CDMA无线网络通道上传到车站监控中心，车站监控中心在实时看到前端图像的同时显示列车在地图上的位置。
系统的安全性
图像监控本身非常重要，无线传输过程中的安全性变得非常关键，一个没有安全保障的无线传输图像不但不能起到加强安全监控的作用，相反还带来安全隐患，给车站造成损失。本系统在传输中采用多种加密方式和手段来保障数据和图像安全。
·图像数据的分拆多通道并行发送。每次压缩完的图像数据都被分拆成若干个包分别传送，很难同时被截获，即使被截获也很难按顺序拼接；
·图像的关键帧使用IDEA加密。IDEA(InternationalDataEncryptionAlgorithm)使用长度为128bit的密钥，数据块大小为64bit。从理论上讲，IDEA属于强度非常大的加密算法，至今还没有出现对该算法的有效攻击算法；
·联通专线的IP绑定。图像数据在传输中，可以直接通过联通的专网到用户指挥中心而不必通过互联网。联通提供IP绑定功能，可以把特定的UIM卡只能连接到指定的IP地址，杜绝了安全漏洞存在的可能；
·本系统网络传输会话协议具有隐蔽性，目前除了自带接收端软件可以解析网传数据外并没有公开的软件能解析该网传数据；
·用户名密码的认证。移动视频系统和指挥接收中心需提供用户名密码的认证，未经授权的用户不能取得图像和远程控制；
·指挥接收中心可以使用防火墙和网闸对联通的网络进行隔离，进一步提高整个传输系统的安全性。
系统关键技术阐述
·具备专利的CDMA无线多通道捆绑技术：系统实现了无线通道的平衡调度和容错使用，对无线窄带下的网络传输协议进行优化，对不可靠的无线连接中的数据高效纠错重发，最大限度的利用了无线带宽；
·多天线复用与信号放大：系统在使用多通道捆绑时，对每个无线模块的天线实现了复用，合并复用后的无线高频信号进行功率匹配放大，使复用后的CDMA信号的灵敏度要高于复用以前的独立通道信号；
·具备自主知识产权的编解码算法：系统使用了最先进的H.264视频编码算法，编解码算法具备自主知识产权，在实际应用上该音视频编解码算法不但可实现低码流下高质量的图像，还可以和无线通道的捆绑有机结合起来，根据通道的状态动态调整编码算法，使图像更加清晰流畅；
·图像上下行解决方案：通过同一台移动终端设备完成图像的上行和下传，在终端也可以选择观看到指挥中心的图像，一台设备完成多个功能。
应用前景
针对整个技术方案，笔者在K87列车进行了视频传输技术试验，在野外和高速时都取得了良好的试验效果。借用分布全国的中国联通CDMA网络，移动视频终端及其整个监控网络系统，在铁路系统移动监控中具有广阔的应用前景，随着3G网络等先进技术的逐步实施，必将完善和提高铁路列车的监控能力，从“平安城市”扩展到“平安铁路”时代。
需求背景
随着社会经济的不断发展，城乡人员流动日益频繁，铁路负载大，是一个非常重要的交通运输工具，是整个国家的经济大动脉。铁路列车是人流非常集中的公共场合，空间狭小，人员复杂，治安形势日趋严峻，各种刑事案件频发，给管理部门带来了很大压力，成为社会的一个不安定因素。要提高列车管理，为旅客提供安全舒适的乘车环境，不能仅靠管理人员的原始方法，还应该运用高科技的技术手段和先进的装备，对整个列车的内外环境进行监控。视频监控作为成熟的技术手段，在平安城市中得到大量应用，效果显著，在铁路列车中应用也将发挥重要作用。
视频监控系统不仅能应用在列车安防领域，也可以应用在对列车司乘人员的管理，列车行车过程路况安全记录等等。
需求特点
列车监控效果虽然明显，但实施中有一些技术瓶颈需要克服，这也是目前列车监控没有广泛应用的重要原因。
列车的车厢并不固定，会随运力的调整不断重新编组，动力车头替换频繁，这意味着传统的有线视频监控方式不能直接拿来使用。
其次，由于列车全程高速行驶，列车上的视频数据不能传输到车站监控中心，使得整个监控网络不能连成整体，成为信息孤岛，大大降低了系统的使用价值。
本文重点要讨论的是如何解决列车行驶中和车站之间的视频传输问题。
移动数据通道的选择
现有无线传输方法的比较
目前无线移动视频传输主要有以下几种方法：卫星，微波，无线局域网和无线公网。
卫星价格昂贵，不适合大量使用，微波和无线局域网在铁路环境上应用需投资大量基站，费用大且维护不便。利用无线公网的数据通道是目前比较经济和现实的视频传输途径。
相对于卫星、微波等技术，CDMA是一种成本合理、技术门槛相对较低的无线数据传输技术，使监控系统中从列车上到远程监控指挥中心的实时图像数据传输成为可能。
CDMA是中国联通已建成的一个语音数据通信平台，其覆盖范围已遍及全国，甚至市区的隧道，大楼的电梯、地下室都有很好的信号覆盖。所以，系统应用不需要另外再架设天线或者购置其他昂贵的辅助设施。只是利用现成的联通C网来完成图像传输，实现在任何地方都能较好的传输图像的实战需求。比如在中国的任一个城市或者乡村，只要有联通CDMA信号覆盖的地方，在监控中心就能看到前端通过网络传回来的图像。
CDMA是码分多址(CodeDivisionMultipleAccess)的英文缩写，是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。
目前国内CDMA2000-1X系统对终端系统可以提供最大153KB/S的数据通信带宽，其通信带宽可满足多种业务的需求。
CDMA数据传输的优点在于:
·传输速率高，最高理论带宽可达到230.4kb/s，实测是目前公网传输中实测最高的,适合图像数据传输；
·永远在线，可以实时传输数据；
·基站覆盖范围广，漫游性能好，高速移动时仍然能传数据；
·多种资费可以选择，价格合理；
·基于IP协议可以访问整个Internet。
CDMA满足列车高速运动的特性
由于铁路列车的不断提速，在高速运动中无线数据通道的可靠性变得非常重要。联通CDMA使用频分双工FDD技术，上下行链路靠不同的频率来区分，同时收发，因此FDD是连续控制的系统，根据国际电信联盟要求，FDD系统移动速度可以达到500km/h。现在新的TD-SCDMA使用了时分双工TDD系统，TDD是时间分隔控制的系统，在高速移动时，多普勒效应会导致很快衰落，移动速度只能达到250km/h，当然频率资源会节省一半。因此，联通CDMA高速运动中传输的理论值完全能满足现有列车时速的要求，通过实际测试，在列车200km/h的速度下依然能正常工作，更高速度的特性有待于进一步现场测试。
多通道捆绑，突破带宽瓶颈
虽然CDMA信道的传输速率理论值很高，但实际测试的结果却远未达到，根据地区不同，一般只能稳定在30?70kb/s，这样的速率满足不了监控图像的清晰传输，因此笔者提出了多信道捆绑的方法来解决，通过8个CDMA信道的捆绑使用，使信道理论带宽达到240?560kb/s，完全满足1路CIF图像的实时传输，在D1的分辨率下也能传输3?5帧/秒。在传输图像的同时能传输声音，声音的传输具有较高的优先权，保证声音实时到达，通过无线网络实现远程对讲实时指挥。
多信道捆绑带来了新的问题，特别是随着通道捆绑数的不断增多，信道可靠性处理的复杂程度呈几何级数上升，现有的网络TCP/IP传输协议是建立在有线宽带可靠的条件下，而CDMA无线却是不可靠的窄带，时延和丢包随时会发生，笔者通过建立完整的网络优化模型，数据包分拆调度策略，数据纠错机制以及多通道高频抗干扰方法来最大限度的整体提升信道有效带宽。并且，图像压缩的数据流必须能有效控制，可根据带宽速率的飘移随时调整压缩，生成和带宽像适应的图像数据，最终完成数字视频图像的高质量传输。
系统组网方案
移动终端采集到图像数据信息后，要把数据发送到监控中心，前端CDMA与监控中心的连接总体上有两种方案：CDMA+Internet连接；CDMA+联通内网连接。
图像数据采集
在联通CDMA信号能够覆盖的任何地方，都可以通过移动终端把采集到的数据回传中心。
公网接入
只要是一台具有公网IP或者域名的服务器即可，启动接收服务后，就等待各个监控终端的连接，特点是费用低，方便快捷，但是保密性相对差些。
联通专线接入
专门的客户名和密码认证，保密性好；由于通过专线接入，图像数据无需再通过公网上传和下发，因此，图像还原后延时小。
系统拓扑结构
系统拓扑结构如图1所示。
系统实现
移动终端部分
·视频采集模块：实现的功能是从普通的视频摄像头中捕捉瞬时的视频信号，然后压缩。该模块支持不同的压缩比和图像大小，用户可以根据需要选择图像格式和帧率。对图像帧率、抓拍、抓帧功能等都有完整管理设置；
·无线数据传输模块：视频采集压缩后就可以将压缩好的视频图像文件传送到中心：传送的方式是通过8块联通的CDMA捆绑式模块，将图像分别拆包传输，同时，系统具有CDMA的PPP拨号过程，内嵌实现了TCP/IP协议、支持动态IP；
·视频图像记录模块：移动视频监控系统除了利用CDMA进行图像传输之外，也是一台数字硬盘录像机，具有硬盘录像机的录像、回放、控制、备份、自动存储及删除等一切功能。可将现场传输时不够清晰的图像记录下来，回放时高清晰还原；
·云台摄像机控制模块系统对云台的控制，摄像机的变焦，预置位及巡航，可实现远程指挥中心对前端的控制。
车站监控中心部分
车站监控中心实现移动视频终端的数据接收、显示、解压上墙、流媒体转发等功能，同时可以对前端设备进行参数设置、控制、远程唤醒。
·视频接收模块：接收远程无线数据，解码成可视图像，并根据无线网络工作状态和移动视频终端协调成最佳工作模式，通过嵌入式的专门设备可实现多达16路图像数据的接收；
·视频流媒体转发模块：由于无线传输带宽有限不能同时向多个用户发送图像，在接收端必须做流媒体转发，在同一个网络中的其他用户可以通过向视频流媒体转发服务器请求获得远程的无线图像，实现图像资源的共享；
·图像编码下行模块：接收数字图像数据或模拟图像数据进行压缩编码，通过联通的网络下行到前端移动视频终端，在移动视频终端中可以选择看到指挥中心的任意图像，适合建立临时指挥中心；
·数字矩阵模块：接收的图像数据可以通过网络进行分发，但如果需要进入模拟监视设备或模拟矩阵，图像数据必须转换成模拟信号，数字矩阵物理上完成了数字转模拟的过程，是大型监控网络中的必要设备；
·GPS定位模块：移动视频终端配备了最新高灵敏度的GPS接收模块，实时检测自身的位置，通过CDMA无线网络通道上传到车站监控中心，车站监控中心在实时看到前端图像的同时显示列车在地图上的位置。
系统的安全性
图像监控本身非常重要，无线传输过程中的安全性变得非常关键，一个没有安全保障的无线传输图像不但不能起到加强安全监控的作用，相反还带来安全隐患，给车站造成损失。本系统在传输中采用多种加密方式和手段来保障数据和图像安全。
·图像数据的分拆多通道并行发送。每次压缩完的图像数据都被分拆成若干个包分别传送，很难同时被截获，即使被截获也很难按顺序拼接；
·图像的关键帧使用IDEA加密。IDEA(InternationalDataEncryptionAlgorithm)使用长度为128bit的密钥，数据块大小为64bit。从理论上讲，IDEA属于强度非常大的加密算法，至今还没有出现对该算法的有效攻击算法；
·联通专线的IP绑定。图像数据在传输中，可以直接通过联通的专网到用户指挥中心而不必通过互联网。联通提供IP绑定功能，可以把特定的UIM卡只能连接到指定的IP地址，杜绝了安全漏洞存在的可能；
·本系统网络传输会话协议具有隐蔽性，目前除了自带接收端软件可以解析网传数据外并没有公开的软件能解析该网传数据；
·用户名密码的认证。移动视频系统和指挥接收中心需提供用户名密码的认证，未经授权的用户不能取得图像和远程控制；
·指挥接收中心可以使用防火墙和网闸对联通的网络进行隔离，进一步提高整个传输系统的安全性。
系统关键技术阐述
·具备专利的CDMA无线多通道捆绑技术：系统实现了无线通道的平衡调度和容错使用，对无线窄带下的网络传输协议进行优化，对不可靠的无线连接中的数据高效纠错重发，最大限度的利用了无线带宽；
·多天线复用与信号放大：系统在使用多通道捆绑时，对每个无线模块的天线实现了复用，合并复用后的无线高频信号进行功率匹配放大，使复用后的CDMA信号的灵敏度要高于复用以前的独立通道信号；
·具备自主知识产权的编解码算法：系统使用了最先进的H.264视频编码算法，编解码算法具备自主知识产权，在实际应用上该音视频编解码算法不但可实现低码流下高质量的图像，还可以和无线通道的捆绑有机结合起来，根据通道的状态动态调整编码算法，使图像更加清晰流畅；
·图像上下行解决方案：通过同一台移动终端设备完成图像的上行和下传，在终端也可以选择观看到指挥中心的图像，一台设备完成多个功能。
应用前景
针对整个技术方案，笔者在K87列车进行了视频传输技术试验，在野外和高速时都取得了良好的试验效果。借用分布全国的中国联通CDMA网络，移动视频终端及其整个监控网络系统，在铁路系统移动监控中具有广阔的应用前景，随着3G网络等先进技术的逐步实施，必将完善和提高铁路列车的监控能力，从“平安城市”扩展到“平安铁路”时代。