“鸟巢”之视频监控系统方案的特色分析及具体实施
时间：2009-09-24 12:27:00
来源：UltraLAB图形工作站方案网站
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作者：admin
作为奥运安保系统中数字视频传输和录像部分最大的设备供应商之一，海康威视是国家体育场奥运安保监控系统DVR独家供应商，也是奥运村、残奥村及竞赛场馆周界监控系统DVR独家供应商，参与承建并整合了31个奥运竞赛场馆到北京安保指挥中心仰山桥指挥部图像信息系统联网工程。而笔者很荣幸地参与了奥运安保的前期方案设计、设备调试和奥运期间的保驾护航工作，尤其是鸟巢监控系统项目，在此，笔者将参与该大型安保系统设计和实施的感悟，与大家一起分享。
北京奥运会最受关注的焦点就是国家体育场——鸟巢。同样，对于安防系统来说，鸟巢的安保系统也是整个奥运会场馆监控中最为典型的一个案例。在鸟巢的视频监控系统中，海康威视提供前端视频编码器、硬盘录像机以及监控中心的硬解码设备视频监控平台软件。下文就笔者参与鸟巢视频监控系统建设的经验，做一个简单的介绍和分析。
奥运安保项目的具体需求
奥运安保项目与其它大型监控项目相比，有着自己特殊的需求。而这些需求也决定了鸟巢视频监控系统与普通的场馆监控之间有着很大的不同。
图像质量要求高，控制实时
对于奥运场馆监控来说，由于监控点需要覆盖整个场馆及场馆周边区域，因此，很多监控点的覆盖范围都非常大，而且对图像清晰度的要求也非常高。以鸟巢而言，中层看台的云台摄像机，需要清楚地、快速地看见百米看台对面的人员活动情况。这就对摄像机、图像的实时控制、图像的显示等设备的要求非常高。
录像时间长，录像质量要求高
由于硬盘录像机要保证能够满足保留所有奥运会及残奥会一个月左右的录像，因此对于硬盘录像机录像文件保存时间有着很高的要求。同时为了保证特殊事件的事后取证的清晰度，因此，硬盘录像机的录像文件必须要保证高清晰的录像回放质量。对于回放质量的要求，D1已经是最为基本的图像分辨率要求。
系统要求高度稳定
鸟巢的安保系统担负着场馆内部和周边的安保运行工作，对于安保系统来说，稳定性永远是放在第一位的。如果系统不稳定，技术方案再超前，功能再丰富的系统也是失败的系统。因此，在系统方案设计上，处处都需要体现出稳定性的要求。拿鸟巢设计方案来说，从视频的压缩、网络传输、存储和显示，各个单元都进行了冗余设计，避免因任何一个单点故障而造成的整个系统瘫痪或某个监控点的失效。并结合各种设备检测措施，一旦某个环节出现问题，系统能在第一时间发现异常事件, 能及时有效给于解决。在鸟巢项目中，800多个监控点在一个多月的时间之内，各项指标均达到系统设计目标，特别是可靠性指标。
实时视频的多用户跨平台调用
对于重点场馆，关注视频的可能不仅仅是场馆内部的安保人员。很多安保相关单位，如武警、消防、公安、上级安保指挥中心、政府等部门都需要实时了解场馆信息，调用视频资料。这就要求视频监控平台是一个开放、标准的平台，允许多个系统的接入，同时，系统平台还应该是一个高性能、高稳定性的平台，允许多用户同时调用而产生的视频访问压力，提供稳定的视频点播、下载、控制等服务。
强大的预案处理功能
奥运安保监控，其中非常重要的一个需求是对于突发事件的处理能否及时、准确。奥运安保团队对于各种突发情况都制定了十分详细的相关预案，突发事件发生时不是盲目地去处理，而是根据预先设定好的预案对突发事件进行最佳的处置。而安保监控系统也需要根据这些紧急预案而自动地进行相关功能的触发，如出现紧急情况时，如何从800多个摄像头中迅速找到最佳的摄像头对事件现场进行观察，获取最为直观的视频信息，这样才能够满足奥运安保对于突发事件监控的需求。
多平台的互联互通
奥运安保系统是一个立体的、全方位的系统，基本上涵盖了有关安全防范的所有内容。鸟巢的整个监控系统包括视频、报警、门禁、消防等多个子系统，而且各个子系统之间并不是完全独立的。用户更关心的是如何能够把这些子系统有机的结合在一起，实现平台级的互联互通，这样的效果远大于几个系统简单叠加。 #p#page_title#e#
鸟巢视频监控系统介绍
鸟巢视频监控系统可以分为前端监控部分、核心筒视频汇集部分、网络传输部分以及监控中心部分等四个部分。
前端监控、核心筒视频汇集与网络传输部分
前端监控部分是分布在鸟巢各个角落的800多只摄像机。摄像机采集各个监控点的实时视频图像，基本实现了整个鸟巢的视频无缝覆盖。800多只摄像机采集的模拟视频信号通过模拟视频线缆送至十二个设备核心筒。在设计时，系统将整个鸟巢分为12个垂直的核心筒区域，分布在鸟巢各个楼层的监控点就近接入各个核心筒。各个核心筒将视频信号和控制信号最终汇集到与核心筒对应的12个网络设备间。在网络设备间，视频信号首先进入16分32视频分配器，将一路视频分为2路，一路进入硬盘录像机进行本地化录像，一路进入视频服务器对模拟视频进行数字化编码，通过网络交换机上传至监控中心，其中网络设备间与中心控制室的数据通信采用光纤。
图1 网络设备间组织结构图
监控中心部分
监控中心配备了海康威视自主研发的5.0版集中监控平台软件，并根据监控的具体需求，配置管理服务器、流媒体服务器、存储服务器、控制中心PC、控制键盘、电视墙服务器（包括嵌入式解码器和PC式解码主机）等硬件设备。
管理服务器是整个系统的核心，各监控中心必须得到管理中心的授权才可以接入系统，同时，管理中心还对监控中心的各类服务器（电视墙服务器，存储服务器，流媒体服务器）、接入的前端编码设备（硬盘录像机、视频编码器）、控制中心的操作用户进行管理。管理中心具有系统巡检功能，实时对系统内所有硬件设备进行巡检，当发现有故障设备时会产生报警并启动冗余替代方案，以保证系统的稳定运行。
电视墙服务器包括解码器和解码主机，利用48个DS-6001D解码器解码上电视墙。鉴于电视墙规模较大，为便于值班人员进行有效监视，监视器选择单画面显示方式。同时配备2台16路解码主机（每台4块DS-4004MD解码卡）解码输出，解码主机解出的模拟视频有4路供监控中心4路大屏进行集中显示，16路供16路PC DVS进行二次编码上传仰山桥安保指挥中心。
存储服务器为整个系统提供存储服务。存储服务器可以自动存储正在电视墙上轮巡显示的图像，前端报警信号上传后，报警点关联的视频图像，硬盘录像机故障时，存储服务器会自动连接与故障硬盘录像机关联的相关视频服务器，并调取视频服务器的图像进行中心存储。接收控制中心命令，启动指定通道的定时录像。同时存储服务器还为各个客户端提供视频录像的VOD点播服务。
流媒体服务器为各个客户端提供流媒体转发服务，并为其它监控系统，如武警、公安、政府、消防等单位提供视频流转发服务。
控制中心相当于客户端软件，提供视频预览、云镜控制、本地录像、视频回放、报警联动、远程配置、电子地图显示等功能。但是与普通的客户端不同的是，它还提供了许多对于服务器的控制功能。例如，在控制中心可以控制存储服务器对前端监控点的录像操作，可以控制硬解码服务器的解码上墙的切换以及轮巡的操作，并具有双屏显示功能。如果连接控制键盘，可以在控制键盘上实现对电视墙的矩阵切换功能。
图2 监控中心组织结构图
鸟巢视频监控系统的技术特点
鸟巢视频监控系统在设计和实施过程中始终清晰的贯彻鸟巢用户的特殊需求，采用了许多别的监控系统中没有使用过的技术措施，为鸟巢监控系统量身定制相关的硬件产品，从整体效果来看，正是因为有了这些有鲜明特点的技术措施和稳定、高效的硬件产品，才能保证鸟巢的视频监控系统充分满足了奥运期间安保团队对于视频监控的极高的要求。在此，笔者总结了几点比较贴近体育场馆监控应用需求的技术特点。
采用稳定的视频编码器和网络硬盘录像机
对于整个视频监控系统来说，最为重要的，也是最为基本的有两件事。第一，实时的视频图像能否及时、准确、稳定地传输至监控中心和各个客户端。第二，各个监控点的视频图像能否安全、完整地保存在硬盘录像机中，以便事后查阅。这两点说起来很简单，但是实际做起来难度就非常高。对于一个有着将近900个监控点的大型系统来说，能够完成视频网络传输和视频本地存储是一项非常艰巨的工作。它对硬盘录像机和视频编码器的稳定性提出了非常高的要求。本次方案中采用的两款产品均采用高性能的DSP处理芯片和H.264视频压缩算法，性能稳定可靠，视频图像无论预览、回放还是网传均能实现全部通道最高D1分辨率。事实证明，在奥运会和残奥会这一个多月的满负荷工作中，300多台设备，没有一台发生故障。硬盘录像机完整记录了整个奥运会和残奥会的所有监控点图像，并为多起盗窃、紧急状况等处置提供了准确的视频资料，没有漏录任何视频信息，是整个视频监控系统稳定运行的坚实基础。 #p#page_title#e#
监控系统所有节点均实现双路冗余备份
采用性能稳定的硬件设备是保证系统稳定的先决条件，但是如果把整个系统的稳定性都寄托在设备的稳定性上，这样的系统设计显然是不周到的。必须采取周到的冗余设计，考虑到所有环节可能出问题的地方并采取相应的方案来保证出问题后如何处理，这才称得上是一个真正稳定的系统。
在鸟巢方案设计中，处处体现出为了保证稳定性而采取的冗余设计。具体来说，从视频编码、传输、录像、解码上墙等方面得到了充分的体现。
前端视频编码和录像部分我们没有按照传统的方案采用硬盘录像机作为编码、录像一体的设备，而是采用视频分配器将同一路视频信号分为2路，分别接入硬盘录像机和视频服务器。硬盘录像机和视频服务器互为备份，实现编码和录像的双冗余。
当管理中心巡检到视频编码器故障，通知控制中心，控制中心将通过调用相应的DVR（硬盘录像机）视频通道代替故障视频编码器的相应通道，从而不影响控制中心正常显示图像。
而当控制中心一旦收到硬盘录像机故障等类似报警后，控制中心就开始查找其对应的视频编码器信息，并且立即发送命令给存储服务器要求存储服务器对相应视频编码器的通道图像做远程网络存储。
网络传输部分，网络设备间的交换机到中心控制室敷设单模6芯光纤。网络设备间内每台视频监控系统使用的网络交换机配备2个光纤网络接口，分别接2条独立的光纤，汇集入中心控制室的核心交换机，保证整条光纤链路的线路冗余。
监控中心电视墙显示部分，48个监视器采用单路解码器进行解码输出，而不是采用多路的解码主机，这样避免因为解码主机出故障而导致多路监视器不能显示图像，如有单个解码器故障，也不会影响其它监视器解码输出。2台硬解码主机分别为4路大屏和长峰编码设备提供解码输出视频，每台解码主机都多备了1倍的解码卡，当解码卡有故障时可以实现在线切换。同时，两台解码主机也可实现互为备份。
高性能的数字矩阵系统
此次鸟巢监控系统中，并没有使用传统的模拟矩阵系统来作为集中显示设备。而是采用高性能的数字矩阵系统作为集中显示设备。对于传统的模拟矩阵系统和新型的数字矩阵系统来说，业内普遍存在这样的看法，模拟矩阵系统视频信号无损传输、显示，图像质量优于数字矩阵；模拟矩阵控制实时，数字矩阵控制延时不能忍受；模拟矩阵可用键盘实现切换、云镜控制，控制方便，数字矩阵通过鼠标操作，操作困难。在鸟巢系统中，数字矩阵系统对于这些问题都给出了较为圆满的解决方案。数字矩阵系统的核心，解码器设备在使用D1格式分辨率的条件下，得到了近似于模拟图像的效果。这一效果经受了公安部一所检测中心以及十几名监控行业专家的3次严格检验。在视频图像延时方面，数字矩阵系统延时控制的非常好，800多个监控点，公安部一所的检验人员每个点都用秒表进行了仔细的测试，所有监控点延时均在系统验收要求的500ms以内，云镜控制非常流畅。而在操作方面，为了适应操作人员的操作习惯，控制中心配置了1台控制键盘。控制键盘与控制中心PC的串口相连，通过串口直接控制解码设备，可以实现对网络视频的选择、切换以及云镜控制等操作。
灵活的预案处置机制以及高效的电子地图调用手段
对于奥运会这一特殊的安保监控项目，当出现突发情况时如何进行处置是检验一个安保系统是否真正有效的重要标志。在专家验收的时候，许多专家都着重检验这一点，系统采用了先进的设备、先进的技术，但是，能否真正好用，还需要实践的检验。
在系统平台软件中，控制中心为用户提供了快速定位、自动联动、大信息量显示等多项功能。系统内所有的报警点、门禁开关以及消防探头都与相关的视频进行了联动。当有任意一个点被触发，系统都会自动弹出相关的视频，并提供准确的文字、声音等提示手段。
另外，如何在800多个监控点中迅速定位某个监控点，对于任何使用者都是一个很大的挑战。系统平台软件中的电子地图系统，用30多张场馆平面图以及区域地图把所有监控点都囊括进来。每张地图之间都有相应的联系，可通过热区的功能在各个地图之间方面的跳转。当有报警发生时，电子地图系统会自动将报警点所在的地图弹出显示，并在电子地图上以醒目的图标闪烁提示用户报警点所在位置。在实际使用当中，正是强大的电子地图功能，在许多突发事件处理过程中，为公安人员迅速定位监控点，了解事件现场情况提供了及时、准确的帮助。 #p#page_title#e#
大信息容量的双屏显示功能
此外，本系统平台软件的一个非常有特色的地方就是它的双屏显示系统。一个控制中心客户端PC可以带2台显示器，一台显示器显示监控画面，一台显示器显示电子地图，这样很好地解决了单一显示器上显示内容过于繁杂、显示信息量小的问题。用户可以通过点击电子地图图标，直接在监控界面上显示监控点图像。信息获取方便直接，一目了然。
多平台之间的互联互通
鸟巢安保系统的互联互通包括2个方面，一个是场馆内部的视频监控、消防、门禁、报警等安防系统之间的互联互通，一个是场馆内部视频监控系统与奥运安保指挥调度系统的互联互通。系统软件通过开放的平台很好地解决了这两个问题。
场馆内部安保系统总集成是A公司，他们自己有一套EBI系统，可以将门禁、报警和消防系统集成在一个平台下。在方案设计的时候，我们与A公司充分沟通，向他们提供了我们的视频调用、显示模块，在他们的EBI系统中可以实现任意监控点的视频调用、显示及控制。而同时EBI系统也和系统平台软件约定了网络传输协议，将门禁、报警和消防的报警信息通过网络传送给平台软件，平台软件接收到报警信息后，可以在控制中心实现相关的报警联动视频显示、录像等功能。
B公司的奥运安保指挥系统是一个架构于各个场馆之上的综合性管理平台。在这个平台上可以实现任意场馆的视频调用、报警上传、视频控制等操作。如何更好地与B公司奥运安保指挥系统对接，实现流畅的控制，是很大一考验。在与该奥运安保指挥系统联通的方案中，采取通过网络进行视频控制、通过解码主机进行视频传输的方式。B客户端软件可以通过网络向平台软件指定的客户端软件发送视频调用和视频控制的命令，客户端软件接收到命令后，会自动控制指定的解码主机，将B系统需要的视频解码输出，并将控制命令送到前端的视频编码器中，由编码器实现对快球和云台等的控制。视频解码主机的输出口连接B编码器的视频输入口，B编码器将视频编码后传送至仰山桥指挥中心。
图3 多平台之间互联互通
鸟巢视频监控系统的技术特点
鸟巢视频监控系统在设计和实施过程中始终清晰的贯彻鸟巢用户的特殊需求，采用了许多别的监控系统中没有使用过的技术措施，为鸟巢监控系统量身定制相关的硬件产品，从整体效果来看，正是因为有了这些有鲜明特点的技术措施和稳定、高效的硬件产品，才能保证鸟巢的视频监控系统充分满足了奥运期间安保团队对于视频监控的极高的要求。在此，笔者总结了几点比较贴近体育场馆监控应用需求的技术特点。
采用稳定的视频编码器和网络硬盘录像机
对于整个视频监控系统来说，最为重要的，也是最为基本的有两件事。第一，实时的视频图像能否及时、准确、稳定地传输至监控中心和各个客户端。第二，各个监控点的视频图像能否安全、完整地保存在硬盘录像机中，以便事后查阅。这两点说起来很简单，但是实际做起来难度就非常高。对于一个有着将近900个监控点的大型系统来说，能够完成视频网络传输和视频本地存储是一项非常艰巨的工作。它对硬盘录像机和视频编码器的稳定性提出了非常高的要求。本次方案中采用的两款产品均采用高性能的DSP处理芯片和H.264视频压缩算法，性能稳定可靠，视频图像无论预览、回放还是网传均能实现全部通道最高D1分辨率。事实证明，在奥运会和残奥会这一个多月的满负荷工作中，300多台设备，没有一台发生故障。硬盘录像机完整记录了整个奥运会和残奥会的所有监控点图像，并为多起盗窃、紧急状况等处置提供了准确的视频资料，没有漏录任何视频信息，是整个视频监控系统稳定运行的坚实基础。 #p#page_title#e#
监控系统所有节点均实现双路冗余备份
采用性能稳定的硬件设备是保证系统稳定的先决条件，但是如果把整个系统的稳定性都寄托在设备的稳定性上，这样的系统设计显然是不周到的。必须采取周到的冗余设计，考虑到所有环节可能出问题的地方并采取相应的方案来保证出问题后如何处理，这才称得上是一个真正稳定的系统。
在鸟巢方案设计中，处处体现出为了保证稳定性而采取的冗余设计。具体来说，从视频编码、传输、录像、解码上墙等方面得到了充分的体现。
前端视频编码和录像部分我们没有按照传统的方案采用硬盘录像机作为编码、录像一体的设备，而是采用视频分配器将同一路视频信号分为2路，分别接入硬盘录像机和视频服务器。硬盘录像机和视频服务器互为备份，实现编码和录像的双冗余。
当管理中心巡检到视频编码器故障，通知控制中心，控制中心将通过调用相应的DVR（硬盘录像机）视频通道代替故障视频编码器的相应通道，从而不影响控制中心正常显示图像。
而当控制中心一旦收到硬盘录像机故障等类似报警后，控制中心就开始查找其对应的视频编码器信息，并且立即发送命令给存储服务器要求存储服务器对相应视频编码器的通道图像做远程网络存储。
网络传输部分，网络设备间的交换机到中心控制室敷设单模6芯光纤。网络设备间内每台视频监控系统使用的网络交换机配备2个光纤网络接口，分别接2条独立的光纤，汇集入中心控制室的核心交换机，保证整条光纤链路的线路冗余。
监控中心电视墙显示部分，48个监视器采用单路解码器进行解码输出，而不是采用多路的解码主机，这样避免因为解码主机出故障而导致多路监视器不能显示图像，如有单个解码器故障，也不会影响其它监视器解码输出。2台硬解码主机分别为4路大屏和长峰编码设备提供解码输出视频，每台解码主机都多备了1倍的解码卡，当解码卡有故障时可以实现在线切换。同时，两台解码主机也可实现互为备份。
高性能的数字矩阵系统
此次鸟巢监控系统中，并没有使用传统的模拟矩阵系统来作为集中显示设备。而是采用高性能的数字矩阵系统作为集中显示设备。对于传统的模拟矩阵系统和新型的数字矩阵系统来说，业内普遍存在这样的看法，模拟矩阵系统视频信号无损传输、显示，图像质量优于数字矩阵；模拟矩阵控制实时，数字矩阵控制延时不能忍受；模拟矩阵可用键盘实现切换、云镜控制，控制方便，数字矩阵通过鼠标操作，操作困难。在鸟巢系统中，数字矩阵系统对于这些问题都给出了较为圆满的解决方案。数字矩阵系统的核心，解码器设备在使用D1格式分辨率的条件下，得到了近似于模拟图像的效果。这一效果经受了公安部一所检测中心以及十几名监控行业专家的3次严格检验。在视频图像延时方面，数字矩阵系统延时控制的非常好，800多个监控点，公安部一所的检验人员每个点都用秒表进行了仔细的测试，所有监控点延时均在系统验收要求的500ms以内，云镜控制非常流畅。而在操作方面，为了适应操作人员的操作习惯，控制中心配置了1台控制键盘。控制键盘与控制中心PC的串口相连，通过串口直接控制解码设备，可以实现对网络视频的选择、切换以及云镜控制等操作。
灵活的预案处置机制以及高效的电子地图调用手段
对于奥运会这一特殊的安保监控项目，当出现突发情况时如何进行处置是检验一个安保系统是否真正有效的重要标志。在专家验收的时候，许多专家都着重检验这一点，系统采用了先进的设备、先进的技术，但是，能否真正好用，还需要实践的检验。
在系统平台软件中，控制中心为用户提供了快速定位、自动联动、大信息量显示等多项功能。系统内所有的报警点、门禁开关以及消防探头都与相关的视频进行了联动。当有任意一个点被触发，系统都会自动弹出相关的视频，并提供准确的文字、声音等提示手段。
另外，如何在800多个监控点中迅速定位某个监控点，对于任何使用者都是一个很大的挑战。系统平台软件中的电子地图系统，用30多张场馆平面图以及区域地图把所有监控点都囊括进来。每张地图之间都有相应的联系，可通过热区的功能在各个地图之间方面的跳转。当有报警发生时，电子地图系统会自动将报警点所在的地图弹出显示，并在电子地图上以醒目的图标闪烁提示用户报警点所在位置。在实际使用当中，正是强大的电子地图功能，在许多突发事件处理过程中，为公安人员迅速定位监控点，了解事件现场情况提供了及时、准确的帮助。 #p#page_title#e#
大信息容量的双屏显示功能
此外，本系统平台软件的一个非常有特色的地方就是它的双屏显示系统。一个控制中心客户端PC可以带2台显示器，一台显示器显示监控画面，一台显示器显示电子地图，这样很好地解决了单一显示器上显示内容过于繁杂、显示信息量小的问题。用户可以通过点击电子地图图标，直接在监控界面上显示监控点图像。信息获取方便直接，一目了然。
多平台之间的互联互通
鸟巢安保系统的互联互通包括2个方面，一个是场馆内部的视频监控、消防、门禁、报警等安防系统之间的互联互通，一个是场馆内部视频监控系统与奥运安保指挥调度系统的互联互通。系统软件通过开放的平台很好地解决了这两个问题。
场馆内部安保系统总集成是A公司，他们自己有一套EBI系统，可以将门禁、报警和消防系统集成在一个平台下。在方案设计的时候，我们与A公司充分沟通，向他们提供了我们的视频调用、显示模块，在他们的EBI系统中可以实现任意监控点的视频调用、显示及控制。而同时EBI系统也和系统平台软件约定了网络传输协议，将门禁、报警和消防的报警信息通过网络传送给平台软件，平台软件接收到报警信息后，可以在控制中心实现相关的报警联动视频显示、录像等功能。
B公司的奥运安保指挥系统是一个架构于各个场馆之上的综合性管理平台。在这个平台上可以实现任意场馆的视频调用、报警上传、视频控制等操作。如何更好地与B公司奥运安保指挥系统对接，实现流畅的控制，是很大一考验。在与该奥运安保指挥系统联通的方案中，采取通过网络进行视频控制、通过解码主机进行视频传输的方式。B客户端软件可以通过网络向平台软件指定的客户端软件发送视频调用和视频控制的命令，客户端软件接收到命令后，会自动控制指定的解码主机，将B系统需要的视频解码输出，并将控制命令送到前端的视频编码器中，由编码器实现对快球和云台等的控制。视频解码主机的输出口连接B编码器的视频输入口，B编码器将视频编码后传送至仰山桥指挥中心。
图3 多平台之间互联互通
对于这两个系统的互联互通，都是在平台与平台之间的层面上实现的，大家规定网络协议，通过网络传输控制指令和相关信息。这样做的好处是控制功能可根据要求进行设计，没有硬件连接的局限性；可实现许多复杂的功能。开放的平台使用开放的协议，兼容性强。
结语
综上所述，像鸟巢这样的大型场馆设施，因为其监控对象、监控场景、建筑物布局、使用目的，有着自身许多特殊的地方。我们设计监控系统时一定要把握这些特殊点，充分了解用户的需求才能设计和实现真正适合用户使用，满足用户需求的系统。
