大型监控系统技术方案之欧阳历创编.docx
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大型监控系统技术方案之欧阳历创编
大型网络集中监控系统
时间：
2021.02.09
创作人：
欧阳历
技
术
方
案
杭州海康威视数字技术有限公司
第一部分系统概述
目前在视频监控领域，正处于数控模拟视频监控与数字视频监控共存阶段，模拟视频技术已经相对成熟，应用也较广泛，稍具规模的监控中心基本上都是以数控模拟切换矩阵为核心，基于模拟视频信号本身的特性，只能采用集中方式的、单向的信息采集网络，对于具有众多分支机构的庞大组织来说，各分支机构的监控中心形成了事实上的信息孤岛，总部无法对各分支机构的安全防范实行有效的、实时的监管。
近年来，多媒体通信技术发展迅速，视频压缩技术与流媒体实时传输技术已成熟，数字视频监控取得了快速的发展，应用也越来越广泛，数字话、网络化与智能化代表了监控的发展趋势，而数字化的网络集中监控系统特别适合具有分散机构集中监控的要求。
1.1设计方案依据及指导思想
1.1.1设计依据
《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92
《工业电视系统工程设计规范》GBJ115-87
《公安部安全技术防范工程标准》
《电视监控工程程序与要求》GA/T75-94
《电视监控工程费用概预算编制办法》GA/T70-94
《防盗报警控制器通用技术条件》GB12663-90
《入侵探测器通用技术条件》GB104081-89
《民用闭路电视监控系统工程技术规范》GB50198-94
《中华人民共和国公安部行业标准》GA27-92
1.1.2指导思想
一级风险大型工程
为了确保安全保障工作的正常进行，其电视监控报警系统应达到国际/国内先进水平，故本设计按一级风险电视监控报警工程进行设计
实用性：
本系统能对各监控点进行实时的监控、录像，采用数字水印技术录像文件不能被修改，因此能为事后取证提供可靠的保障
简易性：
本系统前端平台采用嵌入式操作系统和直观的面板操作，并且可以采用控制键盘集中操控，因此提供了相当简便的操作方式
先进性：
采用最新的H.264（MPEG-4PART10）视频压缩算法和嵌入式操作系统平台，具有极佳的清晰度、较小的系统容量占用、完全实时、一流的网传功能等诸多特点，是当前国内外一流的产品和解决方案，系统建成后在较长的一段时间里不会被淘汰
稳定性：
采用监控行业最新技术和高品质设备，设备具备专业性
兼容、扩展性：
全新“基于IP的视频切换矩阵技术”，为本系统的扩展提供了无与伦比的扩展性，只要IP资源足够，系统的扩展就不会受到限制，可根据需要任意增减监控系统前端的数量，而监控管理中心将不再需要增加任何投资
外观效果美观：
所选设备体积小巧，布线简单，充分考虑了安全性、隐蔽性和美观性
报警功能完善：
前端平台具有报警输入输出接口，充分考虑了报警功能的扩充与视频联动的需求
1.2项目建设的目标和功能：
1.2.1项目建设目标
在贵单位安全保卫制度及安全保卫体系的基础上，开发建设基本满足多级分散机构集中监控需求的规范化保卫管理信息系统；
利用现有网络条件，构建信息传输通道（主要是安防信息）；
在现有网络基础上构建一个管理中心网络化、智能化数字集中监控系统，并从单纯的监控报警系统过渡到真正的多媒体“管理”信息系统。
1.2.2系统功能
本项目将建设以下三个模块：
1）管理中心子系统模块，其主要功能是：
图像（语音）监控管理功能（包括大屏幕及电视墙）；
语音广播调度功能；
全网内报警信息管理功能；
全网内设备的远程状态监控及管理功能；
授权与安全认证功能；
2）监控中心子系统模块，其主要功能是：
音视频监控设备的监控、录像功能（DVR/DVS）；
入侵报警设备的监控功能；
外部设备（门禁）的控制功能；
安全目标报警处理功能（紧急处理方案）；
3）媒体服务及桌面级分控端软件模块，其主要功能是：
实时图像及语音的传输、接收与流量（带宽）控制；
报警信息（开关量数据、图像和语音）的接收与处理；
具备多级权限管理机制的客户端软件（接收与点播图像、语音及报警信息）；
适用于网络QOS的动态编码功能；
第二部分项目建设方案
2.1技术原理
本项目的技术原理基于海康威视提出的“基于IP的超大规模视频切换矩阵”技术，其技术原理如下：
随着宽带技术的发展，远程集中监控的需要越来越多，规模也越来越大，一种是重建专用网，利用现有的CATV技术，包括WDM技术，将模拟信号不做处理直接传到监控中心，进行集中监控，其缺点是网络建设费用非常高，采用WDM技术，必须是裸光钎（中间是无源的），在有些应用场合，在一个小的区域范围内，还是可行的，只是实现集中监控的代价很大，费用很高。
另一种方法技术利用现有的数字网络，对视音频信号进行数字化压缩，将压缩码流组成IP报文，通过TCP/IP协议，把这些IP报文传到监控中心实时解码出视频图像，进行集中监控，这个数字网络可以是VPN，可以是专网，也可以是公网，如PSTN、ISDN、GPRS、CDMA、ADSL、宽带城域网、INTERNET等。
下图是一个典型的应用：
在上述应用框图中，PC管理主机可以通过IP网络，对前端的每一台硬盘录像机/视频服务器进行配置、管理、控制，可以实时监控每一台硬盘录像机/视频服务器的视频图像。
如果视频图像的数量太多，整个网络太大，一台管理主机可以同时监控很多台硬盘录像机/视频服务器的图像，通过PC机的显示器显示视频图像，并通过事先设定的规则切换图像信号。
如15秒切换一次，要求一分钟进行一次循环，以一台PC机能同时进行16路解码计算，一台PC机可以同时监控64路视频图像，两台PC机就可以监控128路视频图像，可以依次类推。
如果在PC机中插入多片视频解码卡，视频解码卡支持AV输出，可以组成电视墙，多台PC机可以组成巨大的电视墙，方便集中监控、管理。
视频输出支持画面分割，每路视频输出最多可划分为16窗口，视频矩阵以窗口为单位进行图像切换。
每个视频输入源，都可以输出到任意一块解码卡的任意一路输出通道中的任意一个窗口进行显示。
2.2系统整体架构及概述
2.2.1系统结构示意图
管理中心建设系统结构示意图
在总队建设管理中心，设立管理服务器、报警管理主机、流媒体服务器、主控管理主机模块，可根据需要增设电视墙管理主机、分控管理主机、网络键盘等模块。
管理服务器用以管理、定制本系统中所有用户的权限，可以巡检系统中硬盘录像机及报警管理主机的工作状况，对各个用户的操作进行记录和查询，对硬盘录像机上传至报警管理主机的报警量进行记录、查询与管理，每天定时对硬盘录像机进行时间的校对，以确保各个事件及录像文件的时间的准确。
报警管理主机用以接收由硬盘录像机上传的报警信号量，并带有电子地图，可以直观地看到报警的地点并进行记录与转发至各级主控管理主机或授权用户。
设立流媒体服务器，可以解决同一个通道被多个用户访问时带宽的重复占用及系统资源的占用问题。
采用网络键盘，可以快捷方便地进行云台的控制，管理、监控中心的操作人员可以很快地掌握系统操控。
增设电视墙管理主机，可以将实时监看到的现场视频输出显示到电视墙或大屏上。
系统中各模块的功用将在后面作详细说明。
总队只需要在管理中心的基础上增设硬盘录像机、显示设备、摄像机和报警设备即可组成监控中心。
各级监控中心建设系统结构示意图
在各级建设监控中心，用于对自己辖区内的看守所、本单位需要监控的地点进行视频监控与报警量的处理，在各级设立主控管理主机，用以接收管理中心报警管理主机所转发过来的报警量、实时监看各监控点的现场情况并对云台进行操控、回放存储在前端硬盘录像机中的录像文件。
根据各级辖区监控点的数量与分控客户机的数量来选择是否设立流媒体服务器。
管理中心的设计强化全系统人、物及信息流的监管，监控中心的设计强化“执行”，采集、存储、发送与处理。
2.2.2系统中数据流向、原理示意图
视频监控远程预览原理、数据流向图
注：
图中黄色的线表示客户机在发送预览请求时所经过的路径，红色的线表示硬盘录像机在接收到用户的预览请求后将视频流返回给客户机数据所经过的路径。
详解：
当客户机发送请求时：
当客户机需要预览现场的视频时，需先发送一个指令至管理服务器，管理服务器通过客户机的用户名、密码等条件来检索该用户是否具有预览该通道视频的权限，若不通过，返回错误信息给该用户；若通过，返回访问路径给该用户并将此操作记录在操作日志中。
该用户根据管理服务器返回的访问路径，首先检索流媒体服务器是否正常工作，若正常工作，将需要访问的硬盘录像机IP及通道号发送给流媒体服务器，流媒体服务器再根据此路径与访问硬盘录像机并告知硬盘录像机所需要访问的通道号；当流媒体服务器未正常工作时，该用户将直接访问到硬盘录像机并告知硬盘录像机所需要访问的通道号。
当硬盘录像机收到访问请求时：
硬盘录像机将客户（客户机或流媒体服务器）所需访问通道的视频进行压缩处理后发送给客户（客户机或流媒体服务器），即完成这一操作（若客户是流媒体服务器，再由流媒体服务器转发给发送预览请求的客户机）。
远程控制、回放、设置、对讲、广播等操作原理与视频预览的原理类似。
流媒体服务器的工作原理及作用图
注解：
当网络中有多个视频监控用户要访问同一台硬盘录像机的同一个通道时，若不采用流媒体服务器转发机制，每个用户的每个访问都通过广域网与硬盘录像机进行连接，所需广域网带宽=每路视频的码流×视频的路数×访问的用户数。
若采用流媒体服务器转发机制，由流媒体服务器通过广域网与硬盘录像机进行连接，多个用户通过局域网与流媒体服务器进行连接以获取所需视频流，所需广域网带宽=每路视频的码流×视频的路数。
从以上工作原理中可以看到，采用流媒体服务器转发机制大大提高了网络带宽的利用率，在有限的带宽资源里提供了更多用户更多通道数的访问。
报警信息工作原理图
注解：
当发生报警时，报警量传送到硬盘录像机上，硬盘录像机将发生报警的时间、地址、类型发送到报警管理主机上，报警管理主机将硬盘录像机发送过来的报警信息上传至管理主机并获取报警转发地址，管理主机将报警信息记录在报警日志里并告知报警管理主机需要转发的ip地址，报警管理主机根据管理主机返回的地址将报警信号的转发给相应的视频管理主机，视频管理主机连接到相应的硬盘录像机上，弹出报警画面并发出报警声音以提示监控室值班人员。
电视墙管理主机工作原理图
注解：
前端安装的摄像机将视频信号传送到硬盘录像机，硬盘录像机将视频信号进行压缩处理后通过网络传送到电视墙管理主机，电视墙管理主机通过PCI总线将传输过来的视频流传输到解码卡上，解码卡通过板载的DSP将压缩过的视频流转换为模拟的视频流，模拟的视频流输送到板载的视频处理单元，视频处理单元将视频流（或将多个视频流进行画面组合后形成一个视频流）输出到监视器、大屏幕等显示设备上。
2.2.3系统概述
本系统构建于现有网络平台，把网络连接看作一个整体，我们可以理解为：
在网络平台上，前端通过硬盘录像机接入了N个图像、语音、报警输入，通过网络传输及控制，所有这些保卫信息可以实时（视网络资源而定）的传输至信息管理中心，信息管理中心通过网管、电视墙管理、媒体服务器一系列管理设备实施对全网的信息处理和远程管理，从而真正实现了一个典型的“IP矩阵”应用案例。
围绕“IP矩阵”的概念，本系统的重点在于解决以下几个部份：
做为硬盘录像的本地处理功能（DVR）
做为信息处理和传输节点的网络功能（DVS）
三种信息流的控制与处理：
视（音）频流、控制指令流、报警信息流
网络管理与资源控制（网管、代理服务与流媒体服务）
2.3系统组成部分及功能说明
本案主要由以下三个部分组成：
管理中心模块
监控中心模块
流媒体服务及分控端软件模块
2.3.1管理中心模块
本系统中的设计我们更着重强调了“中心”的概念，把安全性和稳定性放在系统建设的首要位置。
管理中心构建网络管理主机的目的正是在于：
对全网内所有前端设备进行统一监控（运行状态）和管理，确保前端设备的稳定运行，同时杜绝内部人员对前端设备参数的恶意修改造成系统运行混乱，体现管理中心的监管职能。
本模块是整个系统的灵魂和核心，负责全网的安全管理（用户及其权限设置与维护，操作权限认证）、前端设备管理、报警信息管理及操作日志、报警日志与系统日志的记录并提供查询，具体由以下几台管理主机或服务器来实现：
管理中心服务器
报警管理主机
主控管理主机
流媒体服务器
电视墙管理主机
2.3.1.1管理中心服务器
管理中心服务器是一个基于数据库建立的后台程序，它负责对全网内的客户端权限进行认证和管理，负责所有控制指令信息流和报警信息流的转发以及记录（生成日志）。
具体的功能如下：
用户与监控信息的设置与维护：
统一建立系统内的所有用户，并设置权限，采用灵活的菜单级设置方法；采用树型数据结构方式统一建立系统内的监控信息，监控信息包括监控点、硬盘录像机、上级/下级机构所属关系；
操作权限认证：
用数据库来管理全网内的所有客户端软件，实现灵活、强大的权限控制功能，统一管理机制保障了安全性，避免敏感画面泄露。
所有客户端在请求访问目的画面或进行远程控制（如云台等）时，所有控制指令的请求先发给代理服务器，经代理服务器认证该客户端具备相应权限后再将指令转交给前端设备（硬盘录像机），前端设备方响应指令要求向有权限的客户端发送指定画面或执行相应控制指令；
对报警信号进行集中管理和分发处理：
接收到报警信号以后，确认该报警信息属何种类型报警、报警的等级是什么、有哪些客户端需要（或有权限）接收这些告警信息，再将告警信息发送给指定客户端，同时记录在报警日志中；
巡检与校时：
定时对前端硬盘录像机进行巡检，当系统设备有故障，产生报警信息；可以统一对系统内所有硬盘录像机进行时间校正；
系统日志记录：
记录整个网络及前端设备的工作状态，包括硬盘工作状态、摄像机工作状态等，特别是出错记录和故障提示；
报警日志记录：
前端报警信号的集中管理、处理及与处理相关的一些要素记录；
操作日志记录：
任何对前端参数设置的操作进行记录；
2.3.1.2报警管理主机
报警管理主机以电子地图的方式显示全网内所有监控点的报警状态，包括开关量的报警、视频信号丢失报警、移动侦测报警、外部传感器报警、设备运行状态报警等多种报警信息。
当报警发生时，自动将报警信息上传给管理中心服务器，同时以语音、图形及文字的方式提示中心值班人员，直到人员干预解除报警，所有报警信息同时生成日志记录到数据库中，方便以后查询和检索。
2.3.1.3主控管理主机
我们把远程操作与控制的功能交给主控管理主机来完成，每个软件的特点和功能如下：
远程浏览：
界面友好操作简单，经过管理中心服务器认证后，能自动以树形结构将浏览的前端设备和摄影头编排列出来，可以根据职能或业务进行分组，使查看得目的性更加明确，同时结合手工自由点播，可以非常直观、方便的查看权限许可的实时或非实时画面；
报警信息的接收与处理：
当权限许可范围的前端设备发生告警时，报警信息经报警主机和管理中心服务器转发，能够精确的将报警信息传送到本机，同时具备语音、图像（画面弹出）的提示，并在本机生成报警日志，报警提示可根据设备一直发生作用，终止条件是操作人员人工进行干预；
语音对讲与广播：
能与自己权限许可的前端设备之间进行双向的实时语音对讲，同时具有对前端设备分组进行语音广播，这样就为保卫部门的管理提供了又一条方便的途径；
远程操作：
对指定的远端硬盘录像机进行远程操作，如硬盘录像机的参数设置、通道参数的设置、串口参数的配置及报警参数的设置，同时可以远程控制云台、镜头；
具备高安全性：
所有操作只有在管理中心服务器的授权下，才可以进行操作；
2.3.1.4电视墙管理主机
搭载我公司的硬解码卡，可以在一台工控PC机上实现多路视频的解码输出（输出接口是AV）和一路音频输出。
根据电视墙规模的大小来决定同时解码输出的路数（与需要显示的电视屏数目相等）。
它的工作流程如下：
前端的任意多台视频服务器响应电视墙管理主机的请求→将需要的画面和语音通过网络实时传输到管理中心的电视墙管理主机→管理主机通过硬解压卡配合相应软件对这些数据进行解码并完成至AV的转换→可通过软件设置解码输出的画面排列顺序和进行画面切换或轮巡的机制（方式和时间）→最后输出至电视墙→在电视墙上得到最直观的效果。
它的特点如下：
全硬件解码，不占用过多的系统资源，对主机系统配置要求不高；
音视频同步解码；
灵活的画面排列组合方式和轮巡机制；
配套软件支持与前端设备硬盘录像机进行双向语音对讲；
2.3.2监控中心模块
监控中心是“分散”的，即可根据需要在分支机构进行设置，结合数字化、网络化的设备来构建数字视频的监控中心，主要完成视音频的采集、存储、发送，同时具有报警联动与报警处理。
本案对于监控中心的构建思路是以分支机构为核心的分散存储方式，同时借助于网络平台，由管理中心来完成集中控制。
监控中心设立以下主机、服务器及设备：
前端（采集与视频服务）
分控管理主机
流媒体服务器（可选）
2.3.2.1前端
前端设备的核心是我公司自主研发和生产的嵌入式网络硬盘录像机，主要完成视音频采集、压缩、记录及网络传输，提供现场的开关量报警联动及所有报警信息的上传，同时提供透明通道，支持云镜控制以及视频信号的在线检测等一系列强大功能，其组成及主要特性与功能如下：
基本部分
1、控制主板：
控制主板是整个产品的核心，是必选件，支持硬盘读写、网络传输、文件回放、报警输入/输出、RS-232接口、RS-485接口等基本功能。
2、前面板：
提供操作前面板按键。
3、嵌入式软件：
嵌入式系统软件。
4、机箱和电源
扩展部分
1、H.264硬件压缩板：
H.264硬件压缩板完成对视频信号和音频信号的实时压缩。
不同应用需求不同的视频和音频的路数，选择不同路数的压缩板。
目前有两路视频和两路音频压缩板、四路视频和四路音频压缩板。
2、实时视频和声音预览切换板：
实时视频和声音预览切换板具有画面分割器、切换矩阵的功能，目前支持1/4/9/16画面的分割，实现输入画面和声音的实时预览、16路视频和16路音频的矩阵切换，可用于任何一路视频信号和音频信号的远程网络传输，而不影响本地全实时记录。
3、语音对讲板：
支持监控中心和监控现场的语音对讲。
4、流协议和WEB服务器模块：
流协议保证网络传输的更加稳定、更加流畅，可以实现变码率、变帧率。
WEB服务器功能保证用户用IE浏览器可以通过INTERNET实时监看视频图像。
嵌入式网络硬盘录像机基本功能
1、采用嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）和嵌入式处理器，完全脱离PC平台，系统调度效率高，代码是固化在FLASH中的，系统更加稳定可靠；
2、采用H.264硬件压缩技术，压缩比高，且处理非常灵活；
3、多级用户权限管理，保证系统安全；
4、支持一个RS-485接口，可以控制云台；
5、支持一个RS-232C接口，支持MODEM连接；
6、支持16个开关量输入和4个开关量的输出，支持本地报警和网络报警联动；
7、前面板按键操作，全中文下拉式菜单管理，使用非常方便；
8、采用19英寸标准机箱，安装方便。
压缩处理功能
1、支持多达16路视频信号，每路皆可实时每秒25帧CIF分辨率的PAL制式独立硬件压缩，视频压缩采用H.264压缩技术，不仅支持支持变码率，而且支持变帧率，在设定视频图像质量的同时，也可限定视频图像的压缩码流；
2、以支持多达16路音频信号，每路音频信号实时压缩，音频压缩标准采用G.729，压缩码率为8Kbps；
3、视频和音频信号压缩后生成复合的H.264码流，也可设置不用音频；
4、支持定时录像、手动录像、动态侦测录像、报警录像、移动侦测|报警、移动侦测&报警、串口命令触发七种录像模式；
5、支持多种分辨率，从FULLD1（704*576）到QCIF（176*144）；
6、支持视频画面实时预览和视频信号切换；
7、支持硬盘文件回放；
8、支持多区域移动检测；
9、支持OSD，日期和时间的位置、灰度可以设置，日期和时间自动增加；
10、支持透明LOGO或非透明LOGO，LOGO的位置可以在视频图像中的任何位置，特别适合于集中监控或部分图像需要遮挡的应用；
11、支持水印（WATER-MASK）技术。
网络功能
1、支持一个10M/100M兼容的以太网端口；
2、支持一个RS-232C串口，可以支持MODEM的拨入和拨出；
3、支持TCP/IP协议，可以通过应用软件或浏览器设置参数、实时浏览视频和音频信号、查看视频服务器状态，可以通过网络报警，可以通过网络存储压缩码流；
4、通过网络控制云台的旋转和控制摄像头的相关参数，如光圈大小、焦距远近等；
5、具备码流抑制功能，能精确控制传输图像对网络带宽的占用；
6、可以通过网络独立浏览任何一路或多路视频信号及音频信号；
7、可以通过网络实现远程升级；
8、RS-232C串口和RS-485接口皆支持网络透明通道连接，PC管理主机可以通过网络硬盘录像机的透明通道控制串行设备；
9、支持网络电话，管理主机和网络硬盘录像机之间可以通IP电话；
10、WEBSERVER功能，可以通过浏览器访问。
存储功能
10、硬盘录像机可以支持八个IDE硬盘，每个IDE硬盘的容量可达160GB；
11、硬盘文件系统同DOS兼容，可以在PC平台上操作；
12、八个硬盘上文件可以循环记录；
13、管理主机可以通过网络下载硬盘上的文件，也可以通过网络播放网络硬盘录像机上记录的文件；
14、管理主机也可以通过网络实时记录视频压缩码流；
15、文件记录有七种模式：
定时录像、手动录像、动态侦测录像、报警录像、移动侦测|报警、移动侦测&报警、串口命令触发；
16、文件切换时不丢失任何视频信号。
2.3.2.2分控管理主机
设立分控的目的主要是由分散的监控中心拥有一个或多个自己的监视与控制平台，其操作权限的设置与认证以及控制的对象均由管理中心来授权和指定。
主要功能与主控管理主机相同。
分控管理主机的另一个用途是供相关领导的远程浏览。
2.3.2.3流媒体服务器
流媒体服务器的多级设置可提高响应访问的效率，系统中可设立多台，主要功能如下：
实现转发的功能：
多个客户端需要同时看某远程的相同画面时，势必会造成在一条广域网线路上的同时点播，从而会占过多个相同带宽，严重浪费网络资源。
流媒体服务器支持视音频流的转发，支持局域网内多个用户对一个视音频流的访问，当有多个局域网客户端需要同时访问同一远程画面时，可以通过流媒体服务器进行转发，从而在广域网上只占用一个通道的资源，在局域网内再进行转发；
解决多级浏览级联问题：
当更上级单位需要查看越级机构的图像时，可以直接访问流媒体服务器，而不用都去直接访问网络带宽资源有限的下级机构，从而解决多级浏览级联的问题。
2.4本系统技术特点
本系统采了代表国内最高技术水平和理念的架构和产品来进行构建，具备先进性、高稳定性、高安全性、高可扩展性、低成本等特点。
2.4.1先进性
压缩算法的先进性：
我公司研发的H.264代表了国内外最高和最新水准的视频压缩技术，具备高压缩比、清晰、码流可控、适合网络传输等特点；
前端平台的先进性：
采用嵌入式前端平台，是真正的专用安防产品，而非基于PC平台的DIY产品；
整体架构的先进性：
“IP矩阵”技术的典型应用案例，顺应技术发展的潮流，也代表了今后网络化安防产品的发展方向；
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