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工厂高清网络视频监控系统的解决方案
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            1.1 背景分析

      随着产业不断升级,生产技术越来越发达,中国制造为世人所熟知,中国作为真正的世界工厂也为时不远。现今,工厂的现代化管理手段越来越丰富,准确性也越来越高,各种先进的技术手段比如视频监控系统,可有效的加强对各种场合,特殊设备以及人员的直观管理,及时、有效的反映重要地点区域的现场情况,增强安全保障措施,同时进一步规范各岗位的生产管理。目前监控手段已经从传统的模拟视频监控发展到了高清网络数字视频监控,利用现有的办公网络、企业专网,光纤专网敷设,甚至互联网和无线网络都能够构建工厂的高清网络视频监控系统;与此同时,百万像素网络摄像机的大规模普及也解决了传统模拟视频监控系统清晰度不足的尴尬局面;Aipstar公司开发的基于低码率、高清画质、多功能等特性的720P、1080P高清网络摄像机与VMP网络视频监控管理平台为不同规模工厂提供了多结构,多用途,良好扩展性的新一代高清视频监控解决方案。

      1.2 需求分析 

      系统主要满足两大部分的需求,一是工厂公共区域安全防范的需要;二是工厂生产区域监控管理的需求。

      工厂安全防范

      周界视频监控系统:在工厂周界区域部署感红外的固定高清网络枪式摄像机,满足全天候24小时监控。

      园区监控:在工厂园区一些制高点安装云台摄像机,实施大范围监控

      出入口监控:在厂房出入口、园区出入口以及其他重要区域的出入口安装高清摄像机。

      厂房内部:在厂房内部部署大范围监控的摄像机,以满足对整个厂房的全局监控。

      库区监控:在库房内外部署摄像机,严密监视现场情况。

      生产区域管理

      重要设备监控:在车间、厂房一些重要的设备处安装高清摄像机,对设备运行状态、防盗、防破坏进行监视。

      生产过程监视:对于一些生产线上、操作岗位进行重点监控,记录操作过程和生产线上的生产过程。

      其他需求

      整个系统应该采用模块化、数字化、网络化架构,满足结构简单化和系统可扩展的需求

      利用平台管理软件来统一管理前后端物理设备和虚拟软件模块,做到模块化部署、集中化管理的新一代监控功能。

      视频监控管理平台应能与红外报警系统、消防系统、门禁系统等实现联动,满足协同管理、统一调度。

      第二章 系统设计 

      按照技术领先、结合实际,统一规划、协同部署的指导思想,在实现工厂安全防范的同时,又能通过高清视频监控系统对生产环节进行集中视频监控管理,同时通过视频传输专网将相关视频资源传输到上一级部门实现远程联网监控,充分利用计算机、视频压缩、网络通信等领域的稳定的、先进的技术,实现对安全、环境、生产、人物等各类信息资源科学有效的管理和应用,进一步提高工厂的安全防范管理工作和生产效率。

      2.1 总体设计

      系统分为前端监控资源采集、视频传输、后端平台组建、多系统联动建设等几部分,整个系统采用全网络数字视频监控架构,前端都采用高清网络摄像机进行视频采集,通过摄像机的网络端口直接接入到工厂视频传输网络中去,传输到后端进行集中存储和管理。传输主干网采用千兆光纤网,后端通过HD-VMP集中管理平台来完成整个视频监控系统的集中预览、控制、管理、存储以及视频分发等功能。实现工厂高清数字视频监控系统集中管理。总体设计严格遵循用户要求和行业规范,满足用户功能需求为主要目的,提高安全防范管理效率。

      2.2 前端监控资源采集

      前端监控资源的采集主要是指现场视频、音频等信息的采集,当然也涉及个别点位有前端报警联动信号的输入。系统设计中前端点位的布置是否合理,以及所采用的设备是否恰当都是整个系统的关键所在。

      因此本次设计中,前端监控设备根据用户需求分析全部采用网络数字摄像机。通过需求分析我们得知总共约有200多个点位,我们选用基于基于标准的H.264 Main Profile @ Level 4.1算法的百万像素网络摄像机来采集前端视频,根据每个监视区域的范围不同选用合适的高清镜头,它采用500万像素的逐行扫描图像传感器,摄像机采集压缩后的有效分辨率为最高可达1920*1080,1280*720,预览和回放的图像线数也达到了700-1000TVL广播级图像画质, 而且动态视频为全实时30帧/秒。

      由于高清网络摄像机的显示比例为标准的16:9宽屏显示比例,具有比传统模拟摄像机更大的可视范围,而且由于有效像素和分辨率更高,所得到的视频画面比传统模拟摄像机更清晰地效果。同时其他需要动态监视的区域我们设计采用电动二可变镜头+云台+高清摄像机的方式来组建,如果对监控现场清晰度要求不是很高的区域可以选择采用FULL-D1画质的网络高速球来部署,网络高速球是基于标准H.264的FULL-D1画质进行压缩和传输,由于采用了最新的算法和压缩模块,使得整个清晰度也比原来的模拟摄像机加非标H.264算法视频编码器的效果更好。而且和其他网络摄像机摄像机一样,从球机出来就是网络数字信号,通过摄像机本身的标准网络接口就可以直接接入到视频传输网络中去,并入整个监控网络中,实现统一管理;无须再摄像机和后端管理系统中间再增加额外的设备,减少故障环节、简化系统结构。同时我们还建议在各个厂区的制高点架设1080P全高清网络摄像机配合大倍数镜头和云台实现全范围的高清监控,以便掌握整个园区的状况。

      2.3 网络传输系统 

      网络传输系统的组建对于高清网络视频监控系统的组建至关重要,如果传输系统不能满足网络视频流的传输要求,那么网络监控也就无从谈起。本系统总共有200 多台网络数字摄像机,分布在多个厂区,我们设计每个厂区的建筑物内部根据摄像机点位的分布采用双绞线进行汇聚,然后统一接入光纤主干网进行传输。部分公共区域、独立区域的点位可就近单独敷设传输资源;根据产品特点,每路1080P全高清网络摄像机的传输带宽为4Mbps,720P高清网络摄像机的推荐传输带宽为2Mbps,标清FULL-D1的传输带宽为1Mbps;所以在为视频监控系统划分传输通道时应考虑每个区域汇聚后到中心的传输带宽,同时各个厂区汇聚交换机和监控中心的核心交换设备也应该具备较强的数据交换能力和承载突发多用户大容量的高峰访问能力,以便网络视频数据的快速交换,满足数据访问请求的快速响应。由于前端摄像机主要由720P构成,因此每个厂区各自到监控中心的主干光纤带宽资源已经完全够用,中心核心交换机建议采用背板带宽和包转率较高的千兆交换机来承担。视频监控传输网络可以根据要求与工厂内部局域网规划到一起,或者通过物理设备将两个网络互联起来。这样工厂其他部分就可在获得授权后直接前端摄像机的视频资源。

      2.4 集中监控管理平台设计 

      由于本次系统建设覆盖多个区域和多个用户群体,工厂成立集中监控指挥中心,因此我们设计采用二级架构,即工厂指挥中心为一级监控中心,保卫部门和其他管理部门为二级中心,指挥中心具有最高权限可对所有设备以及下属两个分中心用户群体的视频监控终端进行集中管理,统一调度;指挥中心完成视频数据存储和转发任务, 各个分中心或者其他用户通过工厂公司内部局域网访问视频监控系统平台中的转发服务器,获得视频和其他相关的监控资源。

      2.4.1 集中用户验证服务设计

      用户验证服务是整个网络视频监控的核心模块,它完成所有设备信息和用户信息的注册、验证、授权、访问控制等功能。

      我们设计在指挥中心部署一台集中用户验证服务器(安装用户验证软件模块)来完成所有前端网络摄像机的信息注册、后端软件模块注册以及用户信息的验证;同时可根据用户需求部署冗余备份用户验证服务器,以便当主认证服务器故障时,可启动备用冗余用户验证服务器,继续提供验证服务,保障指挥中心和其他用户可继续访问视频监控系统;用户验证服务器采用专业级服务器配置,如双千兆网口、至强服务器中央处理器、专业服务内存、服务器电源、高速总线带宽等。

      2.4.2 集中管理控制 

      对于大型的多级联网视频监控系统,如何有效的对前后端物理设备、虚拟软件模块进行统一管理、控制、信息收集、处理等都是首要考核的条件,VMP管理平台中的集中管理控制模块是针对管理员对系统的配置、操作而设计的。

      我们设计指挥中心部署一台集中管理控制服务器(安装管理控制软件模块),保卫分中心和生产管理部门各自部署一台副控管理控制服务器(安装副控软件模块);集中管理控制服务器硬件配置采用了满足高清网络视频图像处理能力的专业级服务器,能够同时支持8画面高清720P图像解码预览、满足全范围信息收集显示、具有快速响应等功能。分中心通过向指挥中心验证服务器进行用户验证,通过后获取各自管辖区域的视频监控资源。

  2.4.3 存储转发系统设计

      本解决方案中,针对工厂视频监控的需求分析,我们设计将存储服务和转发服务部署在同一硬件平台上,以满足系统的可靠性和合理性。

      存储转发系统主要用于完成前端摄像机传回的网络视频数据存储和分发任务,通过存储软件模块和转发软件模块的组合部署同步完成数据的存储和数据分发。通过前端点位设计可知,整个系统有200多路高清网络视频数据流,按照15天的存储时间计算也会有上百个TB的存储容量,如此大的存储容量对于视频监控来说最佳的存储方式主要有基于IP-SAN架构的区域存储解决方案和基于网络视频存储服务器的分散式存储解决方案。为了满足功能实用性、系统可靠性的需求,我们设计采用分散式的HD-VMP视频存储服务器解决方案。同时利用每台分散式存储服务器的强大网络资源可同步做视频流媒体转发服务,那么每台服务器就只需要承受几十路视频存储和并发,存储转发服务器之间不会相互影响,各自负责相关区域的存储,当某台服务器出现故障时不会影响到其他区域,提升整个系统的稳定性、冗余性。

      存储转发硬件服务器均采用专业的服务器,通过双千兆网口负载均衡,提升网络数据吞吐能力,高达4GB大容量内存及时读取,以及RAID5高速硬盘I/O速度,都为整个存储转发系统提供了强有力的资源保障和稳定性保障。存储软件提供多种视频记录方式,如实时流存储、计划备份、报警录像等;流媒体转发提供多种转发模式,如多级转发等。

      视频存储容量计算公式:

      1080P高清摄像机:20路*4Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=12TB

      720P高清摄像机:140路*2Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=43TB

      FULL-D1网络高速球:40路*1Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=6 TB

      2.4.4 电子地图系统设计 

      在工厂高清网络视频监控系统中,摄像机数量众多,如果仅仅靠集中管理控制模块或者是其他监控终端来浏览视频图像资源和控制前端设备,是不利于发挥集中网络视频监控系统的网络化、数字化、简单化的基本理念的,只有通过完善的后端管理平台和操作平台快速查询和定位图像资源才能及时的对所有摄像机覆盖的区域进行监视,及早发现可疑行为,事发后也能及时切换到现场。因此针对大型网络视频监控系统而开发的报警电子地图模块解决了上述难题,它通过GIS电子地图载入,将前端摄像机,乃至前端报警探测器等在电子地图上进行标注,通过点击电子地图上的点位标注图标调用该点的视频图像,而且还可将报警系统集成到一起实现报警联动提示,当报警点位产生报警信号后会自动联动附近关联的摄像机的图像在电子地图上弹出进行现实显示,也可弹出到电视墙上进行显示。且摄像机本身具备的移动侦测功能也可向中心电子地图服务器进行联动提示。在高清网络视频监控系统中,通过这些方式在配合前端高清摄像机的清晰图像可以快速定位某一个点位的摄像机,当发生异常行为后可自动切换该点位的摄像机进行图像显示。

      在本系统中指挥中心配置一台报警电子地图服务器,可通过大屏显示系统来显示,不管从功能上还是从系统的先进性上都会有很好的体现,将所有点位通过地图形式表现出来,直观方便,其他分中心可通过客户端或者是电子地图软件模块向中心下载地图信息,实现多级地图联网监控。

      2.4.5 监控中心拼接显示系统 

      在监控中心我们设计采用一套46寸3*3的大屏拼接系统来显示监控图像。我们再后端配置4台数字矩阵服务器,与拼接系统进行连接。虚拟数字矩阵每台最高可支持8画面高清720P或者4画面1080P高清视频图像的分割显示,通过数字矩阵服务器的显卡VGA接口送至大屏幕拼接器后在拼接墙上进行显示。

      2.5 系统拓扑图

      第三章 高清视频监控系统的优势 

      基于720P,1080P等超百万像素的高清网络数字摄像机的网络视频监控系统的整体优势非常明显,这使得在各行业、各领域的视频监控系统工程中变得实实在在,而且所带来的视觉震撼和强大功能是传统网络视频监控系统无法比拟的,其主要优势如下。

      3.1 百万像素的前端视频采集 

      基于标准H.264压缩算法和500万图像传感器百万像素网络摄像机可轻松对监控区域实施清晰的有效的监视,所带来的视觉效果是传统网络视频监控系统无法比拟的。前端摄像机在进行高清视频采集的同时还可通过摄像机本身集成的音视频输入输出、报警输入输出、485控制接口等功能实现音频监听和报警探测器联动、控制等扩展功能。前端摄像机高度集成性和功能性使得百万像素网络摄像机与传统摄像机相比不仅仅是清晰的提升,还有功能上多样化。同时百万像素网络摄像机为全数字化、全网络化,可轻松接入平安城市传输网络中去,并接入到后端管理平台。

      3.2 基于H.264的低码流传输和存储优势

      目前很多用户甚至包括很多视频监控行业的人士都觉得高清视频监控附加的是高码流的传输压力和存储压力,但我们所采用的720P高清网络摄像机是基于标准的 H.264 Main Profile @ Level 4.1算法,在完成720P百万像素全实时成像的时候只需要1.5-2Mbps的低码流,1080P也只需要4Mbps的码流,这对于工厂等大型系统来说,这样的码流在网络传输上已经非常成熟,因为在传统网络监控系统来说也是需要这样2Mpbs的码流才能满足FULL-D1的视频效果。同样存储压力也并没有因为前端是高清摄像机而提升,因此我们实现了高清视频监控系统的低码流传输和存储实用性的革命性突破,将高清视频监控系统推向了大规模的实际应用。

      3.3 系统构架灵活 

      高清网络摄像机具备强大的网络功能和功能接口,省去了传统网络视频监控系统的复杂结构,比如不需要单独的视频编码器或者是DVR这些设备,摄像机本身就可利用已有的局域网、光纤专网、城域网、微波传输、互联网和即将到来的3G传输等进行接入,将前端的音视频、控制、报警信号直接通过摄像机的网络接口传输上级监控中心。同时在系统建设时可分步、分级逐步实施,不会影响其他区域,可适应不同类型工厂的复杂环境和特殊功能需求。

      3.4 配套设施功能强大 

      配合高清网络数字摄像机我公司推出配套的高清网络视频监控管理平台,整个平台基于大型网络视频监控系统架构,采用模块化设计,适用于不同类型的高清视频监控系统;比如可以根据需要部署相应模块实现本地高清视频。诸如视频转发、报警处理等模块可实现多结构、多用途的集中管理平台,多级转发可适应各种终端用户的视频访问请求;报警处理可集成周界报警系统、消防联动接口、门禁信号联动接口、防盗报警联动接口等,将这些系统与VMP管理平台对接,可实现这些联动信号与视频监控系统联动控制,比如联动视频弹出、报警联动录像、报警联动监控摄像机预置位调用、电子地图防区管理等等。

      3.5 工程施工方便 

      采用全网络,全数字化架构,前端高清网络数字摄像机只需要考虑网络接入就可以了,不需要在为视频线、控制线等繁杂的工序头疼,减少了故障节点。而且减少了干扰的可能性,强大的网络功能更方便设备安装、调试,使整个系统的可靠性和稳定性大为提高。主干光纤网的建设在系统更新换代时还可以重复使用,具有更长的使用有效期。

      3.6 应用前景

      工厂高清网络视频监控解决方案的实施将极大的改善目前类似的行业应用现状,除去在清晰度上有本质提升外,其全新的网络化、数字化的架构更为工厂监控的灵活扩展和系统升级提供了保障。高清红外摄像机、高清一体机、高清智能球机的不断涌现,为更多复杂的监控场景和应用模式提供了解决依据,高清网络视频监控系统在实现了工厂安全防范工作的同时也为生产管理提供了更有力的技术保障手段。

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