南阳移动公安视频监控系统设计与实现论文.pdf

南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 摘要 摘要 南阳移动公安视频监控系统 是集视频监控技术 计算机 网络和通讯技术为一体的 大型系统 本论文旨在设计并实现一个分级联网的监控平台 提供一个视频 语音 报警 等共享数据的资源管理系统 本文通过对数字视频监控技术 网络通信技术和信息技术的跟踪研究 结合南阳公安 的项目需求分析 提出系统的设计思想 设计原则 着重分析了数字视频监控的原理和关 键技术 设计了系统的总体架构 并针对监控前端 监控中心 传输网络三部分的软硬件 进行了规划和实施 经过三个月的系统试运行 上述平台的功能测试和性能测试结果达到 了本文的设计要求 最后对论文所做的工作进行了总结 并对视频监控技术的发展提出了一些设想 关键字 视频监控 安防系统 网络视频服务器 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h ev i d e om o n i t o r i n gp l a t f o r mi nn y c m c ci sal a r g e s c a l es y s t e mi n t e g r a t i n g t h ev i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g y c o m p u t e rn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h i st h e s i si sa i ma td e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gat h r e e t i e rn e t w o r km o n i t o r i n g p l a t f o r mw h i c hp r o v i d e sar e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e md e a li n gw i t hs h a r i n gd a t a l i k ev i d e o a u d i oa n da l a r m i n gi n f o r m a t i o n v i at r a c i n gt h ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g y n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n da n a l y z i n gt h en e e d so fp u b l i cs e c u r i t y t h et h e s i s p r o v i d e st h ec o n c e p t i o na n dp r i n c i p l eo ft h es y s t e md e s i g n i n g d w e l l i n go nt h e a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g t h et h e s i sh a sd e s i g n e da ni n f r a s t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e m t h e n t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r er e l a t i n gt ot h em o n i t o rf r o n t i e r m o n i t o rc e n t e ra n dt r a n s m i s s i o n n e t w o r ka r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a f t e rt h r e em o n t h so ft r i a lo fo p e r a t i o n s y s t e m t h e s ep l a t f o r m sh a v ep a s s e dt h r o u g hf u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c et e s t sa n d p r o v e dt or e a c ht h es t a n d a r d sp r o p o s e di nt h i st h e s i s f i n a l l ya f t e rt h es u m m a r yo ft h ew o r kd o n ei nt h et h e s i s w ep u tf o r w a r ds o m e o u t l o o ko nt h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s v i d e om o n i t o r i n g s e c u r i t ya u t o m a t i o ns y s t e m s a s n e t w o r kv i d e o s e r v e r n v s 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 d v r d i g i t a lv i d e or e c o r d e r 数字视频 硬盘 录像机 d v sd i g i t a lv i d e os e r v e r数字视频服务器 f t p f il et r a n f e rp r o t o c o l 文件传输协议 g i f g r a p h i c si n t e r c h a n g ef o r m a t 图形交换格式 影像压缩标准 g l o b a ls y s t e mf o rm o b il e g s m全球移动通信系统 c o m m u n i c a t i o n h t t p h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l 超文本传输协议 i i s i n t e r n e t i n f o r m a ti o ns e r v e r i n t e r n e t 信息服务 i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l i s d n 综合业务数字网 n e t w o r k l a nl o c a la r e a n e t w o r k局域网 m p e g m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p活动图像专家组 压缩技术 n a tn e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t o r网络地址翻译器 n f sn e t w o r kf i l es y s t e m网络文件系统 n s sn e t w o r ks u r v e ill a n c es y s t e m网络监控系统 n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m s n t s c 美国 国家电视系统委员会 制式 c o m m i t t e e o s do ns c r e e nd is p l a y屏幕显示 p a lp h a s ea l t e r n a t i n gl i n e 逐行倒相制式 p p p p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l 点对点协议 p t z p a nt i i tz o o m 云台 镜头的控制 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 网络服务质量 r e a l ti m et r a n s p o r tc o n t r o l r t c p实时传输控制协议 p r o t o c o l r t pr e a l t i m ep r o t o c o l 实时传输协议 r e a l t i m et r a n s p o r ts t r e a m i n g r t s p 实时传输流媒体协议 p r o t o c o l s a ss e c u r i t ya u t o m a t i o ns y s t e m安防系统 s d ks o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t 软件开发包 t c pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l传输控制协议 u d pu s e rd a t a g r a m p r o t o c o l用户数据报协议 u r lu n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r 统一资源定位符 v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意 研究生签名 谴盒日期 三堕 生三g 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其 他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权 南京邮电大学研究生部办理 研究生签名 丁 争冷导师签名 邂终期 兰 坚丛f 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 项目背景 随着城市经济与城市建设的快速发展 城市人口的急剧膨胀 流动人口的增加给社会 治安带来了很大压力 各地的警力相对不足 引入技术安全防范是解决目前综合治理系统 的 有效管理 与 经济成本 间的矛盾的必要手段 河南移动通信有限责任公司南阳分公司承担的南阳市公安报警与监控系统项目工程 既是在此背景下着力实旋的系统工程 该工程是公安系统 3 1 1l 工程的重要项目之一 也是南阳市委 市政府 平安南阳 城市综合治理的重要组成部分 创建和谐社会重要内 容之一 也是南阳移动公司推动企业信息化建设和促进社会数字化发展的一个重要举措 本项目研究目标是利用先进的视频控制技术 计算机网络技术 通信技术等 在镇平 河南省综合改革试点县 全国文明村镇建设示范点县 建立一个能够上联市局 下联各 级管理部门和各监控点的网络视频监控系统 作为试点工程 从而实现全区监控系统数据 语音 视频 三网合一 能够对主要路口 商贸社区重点部位及治安复杂场所实施动态 监视 管理人员能够在第一时间得到监控区域的直观信息与实时的动态情况 它能与公安 1 1 0 报警 区域联网报警 有线 无线通信 信息处理 交通指挥等系统有机结合 可 以在维护社会安定 预防打击犯罪等方面发挥重要的作用 1 2 视频监控技术综述 1 2 1 视频监控技术发展历程 视频监控技术目前在我国应用广泛 发展极快 市场竞争激烈 社会安防系统只是视 频监控的应用之一 但足以说明视频监控市场规模之巨大 正是进入8 0 年代以来计算机 数字编解码 网络这三大技术的旋风引来了视频监控技术的长足发展 视频监控系统解决 方案基本上经历以下三个阶段 一 本地模拟监控阶段 当黑白摄像机 黑白电视机出现时 初期的黑白图像电视监控系统也诞生了 当时的 监控系统大多采用模拟方式传输 最简单的是将图像基带信息直接送入视频传输电缆进行 传送 每一监控点的视频信息都通过一条电缆线直接连接到中心控制室的多路切换控制台 上 通过手动切换的方式选择控制点图像使之显示在电视上 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章概述 模拟监控系统功能简单 可靠性差 易受干扰 系统寿命短 二 基于p c 的多媒体监控阶段 2 0 世纪9 0 年代中期 基于p c 的多媒体监控随着数字视频压缩编码技术的发展而产生 系统在远端有若干个摄像机 各种检测和报警探头与数据设备 获取图像信息 通过各自 的传输线路汇接到多媒体监控终端上 然后再通过通信网络 将这些信息传到一个或者多 个监控中心 监控终端机是一台p c 机 也可以是专用的工业控制机 这类监控系统最多可以连接2 4 路视频 1 6 路传感器输入和l 路报警输出 集监控 录像 画面分割 画面切换 视频移动报警 回放检索 画面处理 打印的功能于一体的 自动化设备 该类视频监控产品采用m j p e g 视频采集压缩格式 它利用连续保存独立的 j p e g 图像来实现运动图像技术 运用该格式可以轻易实现丢帧报警录像 指定帧数 路录 像 图像清晰 方便打印及管理功能性较强 便于现场操作 但稳定性不够好 结构复杂 视频前端 如c c d 等视频信号采集 压缩 通信 较为复杂 可靠性不高 功耗和费用较 高 需要多人值守 同时 软件的开放性不好 传输距离明显受限 三 基于w e b 服务器的远程视频监控 2 0 世纪9 0 年代末 随着网络技术的发展 给予嵌入式w e b 服务器技术的远程网络视 频监控 而产生网络视频监控技术 基于嵌入式技术的网络数字监控系统不需要处理模 拟视频信号的p c 而是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成 i p 数字信号 远程网络数字视频监控系统 其关键设备内置嵌入式w e b 服务器的视频服务器 通常 一个嵌入式w e b 服务器 直接将其连入局域网 用于压缩视音频数据 存储和其它多种处 理 基于视频服务器的网络视频监控系统布控区域广阔 视频服务器直接联入网络 即插 即用 系统内所有设备以i p 地址标识 视频服务器硬件设备同处理器和操作系统捆绑紧 密 功能专一 因而性能更加稳定 不仅便于安装 维护 还有利于实现系统的模块化设 计 便于管理u j 从系统涉及到的关键技术来说 视频监控系统中的关键技术主要有 数字编解码技术 数字视频网络传输协议和远程数字视频监控系统软件 我们将在第三章作详细介绍 数 字编解码技术将视频数据进行大幅度合理压缩 用最小的数据量表达和传输视频信息 以 满足数据存储和计算机网络处理传输的基本要求 数字视频网络传输采用r t p u d p i p 作 为远程数字视频监控系统中实现视音频数据的传输协议 将r t p r t c p 与u d p 相结合 在 u d p 上利用r t p r t c p 进行视音频数据的封装 打包和同步 使网络传输延时达到最小 远 程数字视频监控系统的软件发展涉及到计算机操作系统 应用软件及相关算法 目前广泛 2 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第一章概述 使用的w i n d o w s n t w i n d o w s 2 0 0 0 以及w i n d o w s x p 等操作系统都支持多媒体数字视频监控 软件 1 2 2 视频监控技术现状 数字视频监控系统是以计算机为核心 结合视频处理 通讯 网络和存储显示技术的 一种监控系统 数字视频监控系统除具有传统闭路电视监视系统的所有功能外 还具有更 新更实用的功能 特别是在远距离的监控方面 数字视频监控系统具有无可比拟的优势 它与计算机网络系统的结合 使得远距离监控变得非常方便 与信息管理系统的结合 可 形成更有实用价值 功能更强大的网络管理系统 信息随时随处可得是现代信息处理的发 展趋势 而数字视频监控系统正是这种趋势的一种具体体现 由于历史及观念上的原因 我国大陆的安防产业较发达国家晚二三十年 但是近年 来 随着我国经济的快速发展 人民物质生活水平的提高和消费观念的改变 安防从过去 提倡人防发展为以技防为主 人防为辅 并成为现代管理的重要手段 据权威部门统计 1 9 9 8 年全国监控系统的市场总额为6 5 0 亿元 近年来一直以每年1 5 至3 0 的速度快速增 长 我国的监控行业正面临着良好的发展机遇 监控系统的市场可以划分为两部分 一部分是前端采集用的通用产品 有镜头 摄像 机 云台及防护罩 报警开关等 另一部分是后端的控制系统 主要包括主机控制设备 视频采集卡 视频压缩卡 解码器 总控设备和监控软件系统 前端的产品大部分都是通 用产品 以美国 日本和台湾产品居多 占据了市场的大部分份额 相对而言 后端的控 制系统是互相封闭的 各厂家之间的设备和系统不能互联 也没有通用的工业标准 这部 分市场正是数字视频监控系统要开拓的主要目标 数字视频监控系统不仅符合信息产业的未来发展趋势 而且代表了监控行业的未来发 展方向 视频监控发展经历了模拟视频监控 半数字监控 数字监控三个阶段 对于视频 监控 数字化存储带来的是一场革命性的变化 随着计算机 编解码 网络传输技术的发 展 经历了三个阶段的飞跃发展 目前正朝着数字化 智能化 i p 化 网络化继续发展 同时视频监控同其他技术相结合 产生了许多新的应用 2 1 1 2 3视频监控的核心技术 该系统的的建设主要是实现公安系统的 3 1 1 1 工程 3 是表示在省市县三级 第一个 l 是在每一个省确定一个市 第二个 l 是每个市确定一个县 第三个 l 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章概述 是有条件的县设定一个区或者一个派出所 镇平本次本期工程共有4 6 个监控点 这样的 大型视频联网监控系统的核心技术要点如下 第一 图象的清晰度 现在的标准评价体系里面清晰度指标分成两大类 一大类是 标准清晰度的s d 系列 另一个是c i f 系列 好一点的就是d l 图象 这中间还有我们国内 自己搞的一些标准 现在无论是电视体系 还是视频监控系统 都在从标准清晰度向高 分辨的h d t v 过渡 第二 图象的数字化所采取的压缩技术 当然最流行的是h 2 6 4 和m p e g 4 特别是 h 2 6 4 需要的带宽和需要的存储容量都要优于m p e g 4 是未来发展的主流 第三 图象的传输带宽需求 对于标准格式的清晰度来说一般需要l 到2 m 的带宽 按照一般的标准带宽是1 到2 m 如果是高清图象的带宽那要求还要高的多 第四 要求海量的存储容量 一台普通摄像机如果每天连续摄像产生的数据量是5 5 个g 高清摄像机每天连续摄像产生的数据量2 2 到4 4 个g 如果系统有成千上万台摄像 机 这样就需要有相应的大容量的存储装置 目前主要还是硬盘 主要的有网络硬盘录像 机n v r 还有磁盘阵列 磁盘阵列可以用到几十个 还可以采用网络外挂存储 网络虚拟 存储技术 第五 物摄像机的宽动态范围也是一个重要指标 如果如果这个摄像机有宽动态范围 那么它能够取得比较好的图象 第六点 需要很好的视频分析软件包 这个视频分析软件包难度很大 包括整麴探测 生物特征的识别 人体行为的分析和事件的侦测 3 1 3 本文主要工作 本论文旨在镇平设计并实现一个覆盖镇平全区的4 6 个监控点的信息网络 组建镇平 县综合治安监控系统 以此为试点 建设全区8 县4 区的可管理 可运营的电信级视频监 控系统 包括流视频监控系统的搭建和骨干传输网的组建 配套设计相应的功能模块和综 合管理系统 通过对视频监控技术的跟踪研究 进行了南阳公安监控系统的具体需求分析 作者提 出南阳该系统的设计思想 设计原则 设计了系统的总体架构 并对系统进行了软硬件设 计和功能设计 并着重对系统的三个组成部分的关键技术和应用进行了重点分析和介绍 突出了系统的特点和优势 笔者在本项目中主要负责前期方案制定 工程协调及验收测试等工作 为了圆满地完 成本次建设任务 笔者通过对系统各项技术的研究分析 制定了周密详细的方案 并通过 4 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第一章概述 实际建设 发现问题解决问题 最终满足设计要求 建成一个功能完善的视频监控系统 2 0 0 6 年6 月 由南阳移动公司网络部 集团客户中心 新兴公司 南阳移动公司 南阳 公安局 共同完成了对系统的测试验收 验收小组一致认为 镇平移动视频监控系统技术 先进 功能完善 达到了设计要求 并将本项目评为 优良工程 并于2 0 0 6 年8 月举 办了 镇平平安建设观摩会 邀请了市委领导和省公安厅的相关人员 随后在全区开展 了全区平安南阳的建设工作 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 需求分析及设计思想 城市公共安全已成为社会公共安全的重中之重 安全已成为衡量城市现代化的重要标准之一 一个城市 不管经济多发达 如果没有安全感 这个城市就谈不上现代化 更谈不上文明城市 今后 随着社会的发展和要求 技术防范的覆盖率必将成为衡量城市现代化的重要指标之一 所 以城市治安管理监控系统能够对主要路口 商贸社区重点部位及治安复杂场所实施动态监视 管 理人员能够在第一时间得到监控区域的直观信息与实时的动态情况 也能与公安 1 1 0 报警 区 域联网报警 以及交通指挥等系统有机结合 可以在维护社会安定 预防打击犯罪等方面发挥重 要的作用 一个现代化的全面的公共安全系统指挥中心 首先应符合 金盾工程 建设方案中对 指挥 自动化 建设要求的精神 我国的 金盾工程 建设尚处在初级建设阶段 从公安部到基层的公 安单位 大家尚没有形成一致的意见 但维护国家安定团结的政治局面 保障社会主义建设的顺 利进行 更好的保证人民的生命 财产安全 已成为所有公安干警的共识 2 1 1 监控系统需求分析 1 镇平公安局监控中心可实时监控到街道 社区等所有监控网点的任何一路图像 在监控 中心的显示屏上对各监控网点的监控进行实时分割监控 并可随时进行视频切换 2 监控中心不仅可以对该系统进行集中管理 还能进一步对派出所的重要机房保障系统进 行统一监控 包括机房环境 供电 空调等设施的工作状态的远程监控 建立统一的综合智能管 理平台 为未来公安系统全部信息的统一管理奠定基础 3 在充分利用原有的硬件的基础上 以最小的投资完成最好的系统改造 4 各级监控中心采用统一的数字监控系统 在一个系统中对所有信息进行集中监 控管理 5 系统设计本着先进可靠的原则 在满足现有需求同时 系统还应具备灵活的接 口 可以在未来根据需求方便的进行扩展 2 1 2 网络系统需求分析 1 城市治安监控系统对社区公共安全带来的影响不言而喻 与其他领域的监控系 6 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 统相比 城市治安监控系统要求设备具有2 4 小时连续工作的能力 稳定可靠性高 且由 于图像的数据流量较大 因而在如此庞大复杂的监控系统中 为保障多路视频的实时发 送 画质的高分辨率和数据的综合分析能力 也对各组成部分产品的数字化性能提出了 更高的要求 2 城市治安监控系统的监控范围在市区所辖的各个社区 覆盖面广 通常监控点 之间的距离较远 位置分散 且现场环境也较复杂 因此 视频信号的传输也就成为整 个系统正常运作的关键 现在 很多解决方案都是采用光纤传输视频信号 这种解决方 案虽然具有图像清晰度高 延时小等特点 但是其缺点也很明显 无论是租用运营商的 光纤还是铺设专用光纤费用都非常高 而且安装技术难度大 施工周期长 组网灵活性 不高 利用现有的i p 网络资源 采用数字压缩和传输技术 实现远程图像的传输 播放和 存储是目前应用较多 也是最经济的解决方案 近几年 我国的宽带网络普及速度很快 很多城市还相继建起了高速的城域网 南阳的i p 城域网已经覆盖到了城市的各个角落 为利用已有的这些网络来传输视频图像提供了基础 现在已经有一些城市的治安监控系 统采用了基于i p 网络的视频传输方案 根据使用的效果来看是能够满足实际需求的 并 且具有费用底 易于扩容 组网方便 配置灵活 施工周期短等特点 2 3 3 设计指导思想 原则 一般 视频监控系统主要由三部分组成 监控前端 图像信息采集 信号传输 监 控中心 遥控切换控制和显示记录设备 随着计算机技术的高速发展 根据前面的两个 需求 我们可以把该项目的具体需求分解为以下三个方面 1 本期工程共有4 6 个监控点 分布于城区各主要街道路口和广场 建立连接镇 平县公安局 两个所 城关派出所 城郊派出所 4 6 个监控点的信息网络 这是组建镇 平县综合治安监控系统的基础 2 在县公安局建立监控中心 配备专业的视频调配管理系统 能够统一调度与管 理所有监控点视频流的传输 设立电视墙进行集中显示 3 视频的传输采用i p 网络方式 网络拓扑结构要求在县公安局建立网络总中心 两个派出所为网络分中心 将4 6 个监控点分别就近连接到两个网络分中心 系统设计成 多级结构 在派出所建立分监控中心 组成从监控点一 派出所一 县公安局的三级视 频监控系统 能够通过多级转发机制从最大程度上减少网络资源的占用 选用网络设备时要充分考虑系统后期扩容的需求 从县公安局到派出所采用千兆光 7 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 接口 从派出所到各个监控点网络至少要达到百兆 并且各个网络设备要预留充足的扩 容接口 根据以上具体需求 我们提出了以下项目的设计思路 1 前端接入的设计思路 南阳市城市报警与监控系统前端监控点分布于城区及乡 镇各主要治安复杂 案件多发 地段 街面 市场内外 政府办公场所出入口 车站 小区主要出入口等处 采用模拟或数字传输方式先接入本地控制中心 本地控制中心的 摄像机信号采用模拟或数字的方式再传送至辖区派出所监控中心 2 视频网络管理平台的设计思路 将南阳市治安监控和道路监控 电子警察等接 入公安信息网 并用一个统一的平台进行管理 各警种可以通过办公室的计算机可在分 配的权限内切换 调用 察看 控制全市任一场所 街道 单位 广场的云台 摄像机图像 设计时应考虑统一的用户管理 权限管理 设备管理 网络管理 安全管理 报警 联动和统一的数据库管理 要考虑与现有系统的整合 周边系统和将来的扩容作预留 3 网络系统的设计思路 南阳市城市报警与监控系统 是逐步建立以南阳市公安 局指挥中心 一级监控中心 为核心 县 区公安局监控中心 二级监控中心 为支撑 派出所监控中心 三级监控中心 为基础 道路监控系统及治安监控系统为外围的模拟 和数字通道组成的城市报警与监控网络 在实际的设计和建设中 我们提出并遵照了以下设计原则 1 统一领导 统一规划 统一标准 分期建设 统一管理 在 南阳镇平综合治安监控系统 领导小组的统一领导下 用科学的理论和系统的 方法统一规划和设计 采用和制定统一的技术标准 分期建设 并实现系统建设的统一 管理 确保系统建设有效性 2 网络结构稳定 易于升级 扩展 应用系统灵活 易于共享 互通 大型网络运行的经验表明 网络结构的稳定对于信息系统的开发和使用至关重要 选择正确的技术路线 既可保持网络结构的稳定 又易于今后的升级扩展 为应用系统 提供灵活使用 信息共享的坚实平台 3 网络安全 稳定可靠 高效运行 要把网络安全放在首位 确保网络和系统具有稳定性和可靠性 高效率运行特性 4 整体性 实用性 先进性 经济性 高可扩展性 从网络和系统的整体性出发 选择先进且成熟的技术 满足当前的实用性 并适应 未来的技术发展 节约有限的投资 8 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 2 2系统总体设计方案 2 2 1 系统总体架构 镇平城市报警与监控系统是由镇平市4 6 个监控点所组成的一个大型城市报警与监控 系统 该系统采用基于i p 网络的视频传输方案 把所有的监控监控点组网到一起 目前 该系统只实现了视频监控功能 各个分局的监控网络系统分为两级结构 监控中心 公 安分局 监控点两级 系统总体结构图见图2 1 图2 1 系统总体结构图 监控点分布在主要路口 商贸社区重点部位 治安复杂场所以及各县直单位 监控 前端系统主要由点由彩色 黑白一体的摄像机 含云台 单路视频编码器 接入交换机 等组成 摄像机将监控场所的摄录下来的图像通过视频电缆传送到视频编码器 模拟图 像经视频编码器处理后变成数字信号接入交换机 监控中心一般设在区县公安分局的1 1 0 指挥中心 主要由视频管理和存储服务器 视频解码器 大屏幕和电视墙 网络交换机 网络监视客户端 电视机 组成 将南阳市 治安监控和道路监控 电子警察 智能卡口接入公安信息网 并用一个统一的平台进行 o 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 管理 各警种可以通过办公室的计算机可在分配的权限内切换 调用 察看 控制全市任 一场所 街道 单位 广场的云台 摄像机图像 每个监控中心通过网络交换机以1 0 0 0 m b s 的光纤接入i p 专网中 安装1 2 个视频解 码器 可以提供该系统内1 2 个前端摄像机图像 供上级机关随时调用 安装1 2 台电视 机和4 2 寸等离子大屏幕电视 大屏幕除了可显示数量较多的图像之外 在发生重大事件 时为分局统一指挥调度提供直观和便利 配置1 台视频管理存储服务器 完成各监控前 端视频图像的存储 调度 对监控图像建立目录服务 负责整个系统中各种应用的分配 和管理 配置存储磁盘阵列通过网络存储构架完所有视频流按需存储 存储容量按7 2 4 小时计算 存储空间的管理由平台中央管理中心负责 网络交换机将做为核心交换平台 完成各路视频图像信号和控制信号切换处理 2 2 2 传输网络设计 南阳移动传输网骨干层有8 个2 5 g 汇聚环和1 个1 0 g 汇聚环 其上承载的业务主要 有基站电路 集团客户电路和其它电路等 传输网的电路使用率较高 本次工程每个网点的监控业务带宽需求约为4 m 左右 而且分布较为集中 大部分都 在市区和县城城区范围内 若考虑使用传输网来承载监控视频图像业务压力较大 因而 在建设初期 除了满足现有要求之外 还必须考虑系统的可扩容性 以保证今后发展的 需求 故本次工程将采用基于i p 网络的视频传输方案 公安监控i p 网络按三层结构进行部署 对应传输机房 基站 网点分别设置三层结 构 这三层结构分别是核心层 汇聚层 接入层 网络逻辑结构见图2 2 图2 2 公安监控i p 专网逻辑结构图 1 0 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 核心层主要负责数据的高速传输 汇聚层负责业务汇聚 接入层为各监控网点提供 1 0 m 1 0 0 m 接口接入用户 建设任务主要包括核心层设备配置及网络组织 汇聚层 接入 层设备配置及网络组织 具体网络通信系统图可参见图2 3 玉雕一圊碱l 竺竺竺塑卜雕蚺h 竺坠竺 碱 雠d l 圆嘲蚺i 咂帅 i i l 雕 i 1 j 广一i 一 ii 图2 3 网络通信系统图 本工程采用三层的网络架构 根据用户需求 选用网络设备时充分考虑系统后期扩 容的需求 以公安分局和分公司各i p 城域网汇聚节点作为核心层 核心层设备采用华为 6 0 5 6 高端路由交换机和 5 6 2 4 p 高端千兆交换机 提供多个1 0 0 0 兆g e 光口 满足用户 大容量数据交换功能 完成网络内视频监控图像业务的高速传输 核心交换机之间通过 g e 光接口互联 根据网络建设的需要 在监控点分布密集区域附近的基站选定为汇聚节点 设备采 用 2 4 0 3 汇聚交换机 汇聚节点与核心节点上行链路为i 0 0 兆带宽 通过光纤收发器进 行互联 满足用户上行链路大带宽的需求 主要提供该区域内监控视频图像业务汇聚功 能 同时也可以解决周边单位视频接入 根据光缆建设情况 将一些重要的监控对象设置为接入节点 主要解决周边监控网 点视频图像业务的接入 接入节点设备采用 2 0 1 6 接入交换机 接入节点与汇聚节点上 行链路为1 0 1 0 0 兆带宽 通过光纤收发器进行互联 向下为用户提供1 0 m 的接入带宽 满足周边单位视频接入需求 一 i p 地址需求 一 i i 丌 甜甲 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 本期工程中需要的i p 地址主要有二类 用户地址 设备管理地址 l 用户地址 用户地址主要是监控点视频编码器设备所需 每个监控点需要1 个地址 具体每个 用户i p 地址分配由监控厂家进行分配 目前使用私网地址段 2 设备管理地址 工程中需要分配i p 地址的设备主要有以太网交换机 设备所属v l a ni d 号为1 i p 地址规划采用私网1 9 2 1 6 8 0 0 2 4 和1 9 2 1 6 8 1 0 2 4 2 个i p 地址段 具体每个节点的 以太网设备管理地址由分公司统一分配 二 网络部署和路由策略 核心节点机房 5 6 2 4 p 之间或 6 5 0 6 p 之间采用默认路由策略 三 网管系统建设方案 本期工程配置以太网管理系统i m a n a g e rn 2 0 0 0 安装在高新局核心机房 本期工程 配置的以太网交换机根据所属监控区域通过核心交换机均由该网管系统管理 四 路由和网络安全策略 为了保证网络安全 需要从公安局应用和网络特性两个层面进行安全控制 1 公安局应用方面 所有接入城市报警与监控系统网络的计算机设备安装杀毒软件 并定期更新 提高网络的安全性 可靠性 2 网络方面 对单位进行v l a n 隔离 防止病毒扩散 对单位接入端口进行流量限 制 防止网络流量突发导致整个网络失效 增加必要的网管系统 缩短故障修复时间 网络关键路由采用i i 冗余路由 网络设备关键模块采用冗余配置 制定i p 策略限制非 法地址入侵等提高网络的健壮性 2 2 3 监控前端设计 根据监控对象的不同 前端监控点主要分为如下几类 政府机构门口 如县委县府 政府机关单位 金融 行政机构门口 如银行 工商 税务 保险业等 人口分布稠密处 如住宅小区 集贸市场 宾馆 公园 娱乐场所 大型商场等 交通要道 如十字路口 立交桥等 对以上重点场所将进行全天候2 4 个小时监控 将这些场所的视频图像信息实时传送 到各分局及各警区派出所的监控中心 为快速处理区域内重大刑事案和突发事件提供重 要信息和依据 1 2 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 具体监控点名称和建设方案见图2 4 镇平县数据接入网网络拓扑结构 图2 4 镇平县数据接入网网络拓扑结构 2 2 4 监控中心设计 本方案对于监控中心的构建思路是以分支机构为核心的 视音频文件分散存储方式 借助于网络平台 由管理中心完成集中控制 主要由网络视频调度主机 视频解码器 大屏幕和电视墙 网络交换机 网络监视客户端 多级网络视频监控系统示意图 见图2 5 1 3 南京邮电 学t 程顿十w 究生学位论文 第二章系统总体方寨设计 削2 5 多级网络视频监控系统示意图 网络视频调度主机 用于录像检索与回放 系统配置与管理功能 如 按照列间和 f 5 期回放任何 个摄像机的录像资源 按照事件 报警和动态侦测检索回放 将选定的 视频下载到本地硬盘 录像触发 摄像机分组管理功能 每个摄像机的图像监视和录像 参数 如清晰度 帧速率 对比度 亮度 色调 饱合度等等 每个摄像机对应视频编 码器的网络参数 多播 存储服务器多播或u d p 摄像机分组管理功能 p t z 摄像机或 一体化球机选择p t z 协议 用户 密码及用户权限设置 视频服务器 由分散的前端采集模块与中心模块组成 即前端的视频接八终端 编 码器 和中心的视频输出终端 解码器 组成 它将所有外隔设备集于一体 完成视音频 的采集 存储 发送 同时实现本地报警雕动及报警信号上传功能 支持多级音视频转 发 从而最大程度的减少网络带宽的占用 支持多种网络传输拂议 u d p t c p r t p 支持多种传输方式 单播 组播 广播 网络监视客户端 实现实时的系统监控 可以同时查看1 6 路实时摄像机图像 手动 触发录像和录音 可以在监视的同时进行摄像机的上 下 左 右转动及变倍 聚焦 14 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 光圈等操作 可以通过i e 浏览器实时查看视频图像并进行云台控制 实时查看系统事件 通过外接键盘控制远端摄像机或将该视频流切换到指定的视频解码器输出 2 3 监控软硬件结构设计 2 3 1 监控软硬件功能需求 数字监控的基本需求决定了产品的功能 性能 决定了产品所采用的技术 对于数 码监控来说 基本功能需求如下 压缩功能 能对输入的模拟视音频信号进行数字化采样 然后对采样的数据进行压 缩 录像功能 能把数字化后压缩的视音频信号记录到硬盘上 并具备多种录像触发方 式 如手动录像 计划录像 报警录像 移动侦测录像 备份功能 能把记录在硬盘上的视音频信号通过外部接口 如u s b i d e s a t a 1 3 9 4 等 备份到各种移动介质上 网络功能 能将压缩或记录在硬盘上的视音频信号通过网口输出 云台镜头控制 能通过控制键盘 硬盘录像机面板或网络来控制云台 镜头 报警输入输出 能接收 处理和输出报警信号 具备报警联动功能 键盘支持 可以通过控制键盘来控制一台或多台硬盘录像机 2 3 2软硬件结构设计 以网络硬盘录像机为例 一 监控硬件结构设计 包含以下几个处理单元 视音频采样 视音频压缩处理模块 视音频预览模块 视 音频回放模块 记录模块 网络模块 报警输入输出模块 人机界面模块等 以下是一 个网络硬盘录像机的典型物理结构示意图 其中包含了压缩模块 预览模块 记录模块 硬盘控制器 及主控模块 各模块之间的数据通过p c i 内部总线进行传输 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 图2 6 网络硬盘录像机硬件结构示意图 采样的视音频数据由压缩模块进行处理 处理后的视音频数据供预览 录像或通过 网络传输 视音频处理的核心部件为数字信号处理器 d s p 系统资源的管理与调度由 主控模块完成 其核心部件为主控c p u 即m p u 4 二 软件架构设计 在数码监控中 录像 预览 控制 报警处理 网络传输等功能需要实时 并 发处理 所以软件系统必须具备多任务 实时性要求 以下是软件结构示意图 l 糍 r r f 塔簿 内存镑j l 髫 p l l 辕入 输滋 乐统 簿挈迎 1 7 幻i 弗h m n 4 n l r c a 徭h 露 e t h e r a 喀 强妻 薯d 薹i 5 秘 习i f 噔尹 图2 7 软件系统的结构示意图 整个系统分为四层 分别是应用层 操作系统层 硬件抽象层与物理层 软件系统 的核心是操作系统层 它负责对系统中运行的多个任务的管理 资源调度 以达到多任 务 实时性处理要求 4 1 1 6 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章系统总体方案设计 三 应用软件结构设计 监控的具体功能由应用软件直接来实现 以下是一个典型的硬盘录像机应用软件的 结构示意图 其中包含了视音频接收 视音频记录 视音频回放 报警 移动侦测 菜 单 云镜控制 网络请求 日志等事件的处理程序 图中实线为事件处理的数据流 虚 线为控制数据流 网络硬盘录像机应用软件结构示意图 图2 8 应用软件结构示意图 应用软件用例 当报警事件发生时 调用报警处理模块 可触发以下任务 日志处 理模块 p t z 控制模块 异常处理模块 调度模块 录像模块等等 2 4监控应用功能设计 考虑到南阳市治安监控今后要和道路监控 电子警察 智能卡口接入公安信息网 并用一个统一的平台进行管理 各警种可以通过办公室的计算机可在分配的权限内切换 调用 察看 控制全市任一场所 街道 单位 广场的云台 摄像机图像 以及公安信息 网与与现有系统的整合 周边系统和将来的扩容等要求 对于该系统得应用功能进行以 下设计 2 4 1系统控制功能 公安分局监控中心的控制台不仅能控制本级节点的切换 控制矩阵和前端摄像机 还 能控制下级监控中心 各派出所 和监控点 重点企事业单位 居民小区 的切换 控制 矩阵和前端摄像机 各级监控中心之间的控制主要有 上级节点的监控中心对所有下级节点切换 控制矩 阵 前端摄像机的切换控制 下级节点的监控中心对上级节点切换 控制矩阵 前端摄像 机的切换控制 1 7 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 系统程序化管理功能 系统所有功能均可通过软件编程实现 以便最大限度地利用 系统硬件实施最有效的控制 为操作者带来更多的方便和灵活性 组网后各子系统仍保持原单机系统所具备的一切管理功能 即各子系统单机能按照 原单机系统的程序化管理功能进行编程 组网后系统一级网站具有网络集中管理的功能 它汇集了各级网络的管理程序 构成了新的多功能集中式管理系统 菜单管理 该功能为系统的设置 维护等提供了详细的菜单管理器 其菜单操作可 以因人而异 授予不同操作人员不同的控制级别 用户编程操作 系统支持用户编程操作 可以用一个指令集完成多个复杂命令的自 动快速运行 这些指令集可以由用户直接编程 存储和运行 动态视频编排 系统可以对视频显示顺序进行动态编排 而不拘泥于物理输入顺序 为系统管理提供方便 2 4 2系统接口功能 网络监控系统具有灵活的系统功能 能兼容多个厂家的监控设备 因此使网络监控 系统的扩展变得极为方便 在扩展过程中仅需将新过多种传输媒体接入视频网络控制主 机 通过软件编程就可以实现对新入网的系统进行的系统通管理 并使新入网的系统共 享网络的各种功能 系统提供网络接口和串行接口 以便与多个第三家产品进行集成和联网 接口符合 i e e e 8 0 2 等工业标准 支持t c p i p 通讯协议 2 4 3系统软件功能 全中文图形汉化界面 采用中文w i n d o w s 或n t 操作平台 下拉式多层次菜单使用方 便 各种工具条和窗口均可根据用户习惯任意缩放 符合w l n d o w s j 羽户的使用习惯 便 于熟悉和掌握 用户使用系统提供的绘图工具 方便地绘制系统平面图 平面图可分区或分层绘制 随时调用 可根据前端设备实际安装位置 在平面图上标明所有安装的前端设备 如摄像机 球形一体化高速云台等的位置 以图标方式显示 便于调用 系统工具栏中有 平面图 的快捷按钮 操作者可随时调用平面图 并在不同的平 面图之间自由切换 是大型闭路电视监控系统必不可少的控制 管理手段之一 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 视频窗口可全屏显示或任意缩放 可放置在屏幕任何位置 在视频窗口可随时进行视频图像存储 用鼠标点击工具栏中 抓拍 的快捷键 即 可将当前视频窗口的图像以图片的方式压缩后存储在计算机硬盘中 以备日后查询或打 印输出 利用多