教育云计算平台及应用系统建设项目.docx
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教育云计算平台及应用系统建设项目
教育云计算平台及应用系统建设项目
技术规范书
第一部分课堂监控子系统
1、课堂监控系统概述
信息化应用正改变着老师和学生们的工作、学习、生活以及思维方式，以数字化校园为特征的教育信息化发展引发了教育行业一场新的革命。
学校基本的教学教务管理、科研管理、后勤管理、数字图书馆、视频服务系统、办公自动化系统和校园社区服务等应用系统的建设在很多学校也开始应用起来。
按照2013年邛崃市教育局工作重点目标，市教育局将以“三化联动、学有良教、提升品质”为指导思想，务必有高度的责任感，务必有正确的荣辱观，务必有超常的工作状态，深入贯彻落实十八大精神，继续围绕成都教育“三化”目标和市委“363”工作计划，紧紧扭住教育质量这一永恒主题，把办邛崃人民满意的教育作为最大的民生工程，不懈怠，不折腾，加快发展邛崃教育事业，力争用三年的时间，走在三圈层的前列。
结合当前的各地学校建设的校园监控系统管理方使用的现状，我们认为建立一个课堂监控系统可以为教育主管部门及学校提供对老师日常授课进行及时督促与指导；为学生课后可以及时通过网络点播上课视频录像（需授权），温习、回顾课堂授课内容；家长可以通过实时视频了解学生课堂表现（需授权）；有效拓宽校园监控范围，为应急系统提供资源。
为了贯彻落实《中华人民共和国义务教育法》、《中华人民共和国未成年人保护法》以及《企业事业单位内部治安保卫条例》（国务院第421号令），规范校园的安全技术防范建设工作，切实提高校园安全防范能力及管理工作水平，建立一个综合的监控系统，资源共享、统一管理已经成为校园监控系统的新趋势。
因为实现先进的远程联网视频监控；可以实现多级别、大规模的、完整可靠的安全管理功能；能够有效的监视安全运行的同时，可将防范区域内突发事故的过程收入镜头，为预防事故、安全管理、统一指挥提供有效的图像证据，各级管理部门可随时掌握实时的安全运行情况，便于做出正确的决策。
2、课堂监控系统需求分析
利用现代的电视监控录像技术及数字监控控制技术等先进的技术手段，延伸管理人员的视觉，帮助管理人员对教学楼、办公综合楼、实验楼、体育馆、图书馆各主要出入口及重点部位、学生公寓出入口、学生餐厅等；教学楼、办公综合楼、实验楼的外围、学生公寓外围、校门、设备用房、道路及路口、停车场单车棚及公共活动区域的人员活动和设备情况进行监控。
2.1校园网情况
2011年邛崃市校园网已完成建设，城域网已正常投入使用，已建设了教籍管理系统、校产管理系统。
依托成都市建设的信息化管理平台对学校进行信息管理。
城域网主干带宽120M，到各个学校及校际间带宽100M。
2.2校园监控情况
现邛崃市目前有各级各类学校131所，其中单设高中1所，高完中4所，职业技术学校2所，单设初中12所，九年一贯制学校16所，单设小学26所，特殊教育学校1所，公、民办幼儿园69所。
天网系统已经覆盖部分学校主要门口、操场、周界，教室、走道未覆盖。
本次拟对以下学校进行课堂监控管理。
合计1102个教室
学校名
班级数
学校名
班级数
学校名
班级数
学校名
班级数
邛崃一中
64
太和九义
12
水口九义
20
冉义中学
10
北街小学
38
宝林中学
25
油榨小学
12
兴贤小学
12
西街小学
25
宝林小学
13
火井小学
18
兴贤中学
13
临邛中学
18
前进小学
18
南街小学
37
回龙中学
8
白鹤九义
15
固驿中学
7
邛崃二中
41
回龙小学
13
马湖九义
8
固驿小学
14
拱辰中学
21
南君平小学
11
下坝小学
6
高埂九义
30
拱辰小学
13
西桥九义
12
平乐九义
33
高埂中学
60
桑园中学
8
银杏小学
6
平乐中学
53
牟礼中学
13
桑园小学
12
卧龙小学
12
孔明乡九义
13
牟礼小学
14
茶园九义
12
付安小学
6
道佐小学
6
泉水小学
12
石坡小学
6
永丰小学
8
夹关九义
31
羊安中学
17
大同九义
11
新安九义
12
临济九义
18
羊安小学
33
火井中学
18
北街小学文昌校区
16
石头九义
11
冉义小学
16
高何小学
6
南街小学南河校区
10
天山九义
10
实验中学
60
高何九义
17
羊安小学仁和校区
8
需求如下：
2.2.1监控前端需求
（1）对教室区域实施24小时实时监控，每个教室安装一个摄像点，摄像点配置一台720P以上像素全实时百万像素数字高清半球型网络摄像机，和高保真拾音器；
（2）对教室区安装一台高性能交换机满足教学网络扩展；
（3）实施所必需的相应辅材。
2.2.2监控中心需求
（1）监控中心建在邛崃市教育云计算平台建设及应用中心机房内，进行集中管理；配置大型管理平台软件、服务器（集中管理、流媒体、集中存储）、客户端和网络硬盘存储柜（IP/SAN）；
（2）监控中心设置4*4电视墙拼接显示器，包括（高清网络数字解码器、4X4液晶拼接单元、电视墙控制主机、拼接处理器、大屏控制软件、大屏控制专用音视频矩阵）；
（3）实施所必需的相应辅材。
2.2.3分监控中心需求
（1）每个学校建立存储分中心，合计60个；早上八点到学校学生放学时段需存储。
系统使用高清网络视频录像机进行图像的实时监看及存储，2M码流图像的保存不少于一个月的时间；网络硬盘录像机需支持WIFI、3G功能（可实现无线连接需加密或授权）满足随时监控需要；
（2）为分中心分别配置一台高性能UPS保证断电时间能顺畅调用实时视频数据；
（3）充分利用学校内部现有的传输资源，如网络、光纤、普通视频线路；
（4）实施所必需的相应辅材。
2.2.3系统功能要求
1.实时图像点播：
应能按照指定设备、指定通道进行图像的实时点播。
支持点播图像的显示、缩放、抓拍和录像。
2.存储与备份：
监控控制平台的数据库在记录图像信息的同时还应记录与图像信息相关的检索信息，如设备、通道、时间、报警信息等。
平台应能存储视音频信息并支持各种录像方式，如计划存储、告警联动存储，对于超出时间段的存储空间应能实现自动覆盖。
3.双向对讲：
根据应用需要，能支持在监控点和监控中心以及各监控中心之间实现语音双向对讲功能。
4.系统的人机交互：
应具有直观、友好、简洁的人机交互界面；应能反映自身的运行情况，对正常、报警、故障等状态给出指示；要具有电子地图显示功能。
5.预留联网接口，方便以后教育部门的升级联网。
6.能按照用户要求进行定制升级。
3、系统规划设计
本设计方案基于校园网络，采用数模结合方式来完成信号采集、传输、显示、存储及其功能拓展等。
做到从项目的具体实际出发，做到配置合理，留有扩展余地，技术先进，性价比高，确保系统性能高质量，高可靠性。
3.1设计原则
秉承技术先进、扩展性、系统实用、稳定性、结构合理、产品主流、低成本、低维护量、安全可靠性作为基本原则，进行系统构架设计。
并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。
1）技术的先进性
整个系统选型、软硬件设备的配置均需符合高新技术的潮流，关键的视频数字化压缩、解压、码流传输均采用国内外工程建设中被广泛采用的技术与产品。
在满足功能的前提下，系统设计具有先进性，并且在今后一段时间内保持一定的先进性。
2）扩展性
为使本系统能保持在一定时期内不落后，及未来系统互联的方便性，在该系统的设计时，采用先进开放的技术和产品。
系统应采用模块化设计，便于系统规模和功能易于扩充，系统配套软件需具有升级能力。
3）实用性
在设备选型时，主要依据实际情况结合目前安防监控系统建设市场上的占有率高的各类产品，选择具有最优性价比和扩充能力强的产品。
4）稳定性
该系统应设计合理，结构简单，切合实际，有效地提高工作效率，满足技术开发及信息管理的需求，要具有充足的备品、备件。
5）架构合理性
采用先进成熟的技术来架构各个分中心及前端组成稳定可靠的课堂监控系统，使其能安全平稳地运行，有效地消除各个分中心及前端可能产生的瓶颈，选用合适的设备来保证各个分中心及前端具有良好的扩展性。
良好的数据共享，实时的故障修复，实时备份等才能形成完整的管理体系。
6）经济性
在满足系统功能及性能要求的前提下，尽量降低系统建设成本。
采用经济实用的技术和设备，利用现有设备和资源，综合考虑系统的建设、升级和维护费用，不盲目投入。
7）规范性
控制协议、编解码协议、接口协议、视频文件格式、传输协议等应符合相关国家标准、行业标准等技术规范。
8）可维护性
所设计的系统和采用的产品应该简单、实用、易操作、易维护。
系统易操作性和易维护性是保证非计算机专业人员使用好本系统的条件。
并且，系统应具备自检、故障诊断及故障弱化功能，在出现故障时，应能得到及时、快速的维护。
9）可管理性
前端设备、各分中心集中于中心统一控制，实施对所有远端设备的控制、设置。
以保证系统的高效、有序、可靠的发挥其管理职能。
10）安全性
对系统采取必要的安全保护措施，防止病毒感染、非法访问、病毒感染和黑客攻击，防雷击、过载、断电和人为破坏等，具有高度的安全性。
11）可靠性
采用成熟、稳定和通用的技术和设备，关键部分应有备份、冗余措施，能够保证系统长期稳定运行，有较强的容错和系统恢复能力。
12）追求最优化的系统设备配置
在满足校园监控系统对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。
13）保留足够的扩展容量
该项目设备的控制容量上保留一定的余地，以便在系统中改造新的控制点；系统中还保留与其他计算机或自动化系统连接的接口；也尽量考虑未来科学的发展和新技术的应用。
3.2设计依据
（1）《民用闭路监视电视系统工程技术规范》（GB/50198-2011）
（2）《安全防范工程技术》（GB50348-2004）
（3）《视频安防监控系统工程设计规范》（GB50395-2007）
（4）《系统接地的型式及安全技术要求》（GB14050-93）
（5）《安全防范工程程序与要求》（GA/T75-94）
（6）《安全防范工程验收规则》（GA/T308-2001）
（7）《工业电视系统工程设计规范》（GBJ115）
（8）《建筑电气安装工程质量检验评定标准》（GBJ303-88）
（9）《安全防范工程费用预算编制办法》（GA/T70-94）
（10）《智能建筑设计标准》（GB／T50314—2000）
（11）《建筑智能化系统工程设计标准》（DB32/191-1998）
（12）《城市住宅建筑综合布线系统工程设计规范》（CECS/119-2000）
（13）教育局及安全主管部门提出的统一要求
3.3设备选型原则
系统一般由前端、传输、控制及显示记录四个主要部分组成。
前端部分包括一台或多台摄像机以及与之配套的镜头、云台、防护罩、解码驱动器等，传输部分包括电缆和/或光缆，以及可能的有线/无限信号调制解调设备等；控制部分主要包括视频切换器、云台镜头控制器、操作键盘、各类控制通信接口、电源和与之配套的控制台、监视器等；显示记录设备主要包括监视器、录像机、多画面分割器等。
系统的设计应基于对现场的实际勘察，根据环境条件、监视对象、投资规模、维护保养以及监控方式等因素统筹考虑。
系统的设计应符合有关风险登记和防护级别的要求，符合有关设计规范、设计任务及建设方的管理和使用要求。
根据系统规模，可设置独立的视频监控室，也可与其他系统共同设置联合监控室，监控室内放置中心控制设备，并为值班人员提供值守场所。
根据用户使用要求，系统可设立分控设施。
3.3.1总体原则
（1）所选设备具有技术先进性及稳定性，在国内得到广泛实际应用的成熟的产品。
（2）分布记录存储设备选用的H.264压缩方式的网络视频录像机。
（3）显示设备使用专业液晶显示。
（4）系统具有确实有效的措施，使系统可靠性得到提高，满足国家规定的工程风险等级和国家行政部门提出的统一要求。
（5）系统易管理、易安装、易检测、易维护。
（6）设备部件均为标准化、模块化设计，具有良好的兼容性及替代性。
（7）设备安装、维护均采用接配套方式，维护简便。
3.3.2前端主要设备
摄像机安装时要减少或避免图像出现逆光，且摄像机工作时监视范围内的平均照度宜不大于0.2Lx。
拾音器采用滑块结构的挂榫式设计，装卸便捷，便于吸顶或侧墙安装。
低噪声电路布线精致,工业器件稳定可靠。
闭路电视监测设备能清晰有效的探测到现场的图像，达到四级以上（包括四级）的图像质量等级。
对于电磁环境特别差的现场，其图像质量不低于四级。
对于电磁环境特别恶劣的现场，其图像质量应不低于三级。
五级损伤制图像质量评价标准
主管评价
图像质量等级
察觉不出图像损伤
五（优）
可察觉出图像损伤，但令人可以接受
四（良）
明显察觉图像损伤，令人较难接受
三（中）
图像损伤较严重，令人难以接受
二（差）
图像损伤极严重，不能观看
一（劣）
前端监控点摄像机的电源采用UPS供电的原则。
3.3.3网络与存储设备
充分利用原有网络线路。
首先是未来的扩展性，存储区域网络建成后不仅能够满足目前的应用需求，而且为将来的存储区域网发展打下良好的基础，这就要求在技术方案必须保持具备相当的先进性，因此应采用先进的体系结构、软硬件技术设备，使系统在未来保持尽可能长的生命周期，即达到提高信息化水平、实现先进管理思想的目标，同时保护对新系统的投资。
其次，整个系统首要考虑开放式模块化系统，模块化的系统结构方便用户的升级管理，开放式的系统有利于和其他系统的互联实现资源的有效共享。
具体针对用户存储系统的特殊性和数据的重要性，以及长时间的数据存储和随时地查询调用等读写数据的要求。
此外，整个项目对系统可靠性、可用性、灵活性和性价比的要求也是不言而喻的。
尽量采用标准化的产品和技术。
这样，将来无论是扩展、迁移以及互联都有着相当大的选择空间。
网络录像选择H.264编码格式，分辨率至少可选择D1分辨率或720P、1080P分辨率进行录制存储。
录像时间可以根据需要选择全天8/12/24小时不间断录像（每秒25帧）或移动侦测录像等方式，存储空间根据选择的编码格式及分辨率进行计算：
✓如采用H.264编码格式：
1080P分辨率录像时，码流设置为6Mbps，每路每小时的录像文件约2G。
✓如采用H.264编码格式：
720P分辨率录像时，码流设置为3Mbps，每路每小时的录像文件约1.3G。
✓如采用H.264编码格式：
D1分辨率录像时，码流设置为1.2Mbps，每路每小时的录像文件约540M。
✓如采用MPEG4编码格式：
D1分辨率录像时，码流设置为1.5Mbps，每路每小时的录像文件约675M。
一般按照所有监控点录像文件保存不少于30天配置存储硬盘，根据网络硬盘录像机接入摄像机的数量配置存储硬盘。
录像系统能实现手动、自动、动态录像的功能，具有自动溢出循环存储的功能。
在总控制中心、市教委及市教委控制中心通过服务器配置硬盘录像软件，也可以实现集中录像存储的功能。
3.3.4平台控制软件及后台控制设备
系统应保持图像信息和声音信息的原始完整性和实时性，即无论中间过程如何处理，应使最后显示/记录/回放的图像和声音与原始场景保持一致，即在色彩还原性、图像轮廓的还原性（灰度级）、事件后继性、声音特征等方面均与现场场景保持最大的相似性（主观评价），并且后端图像和声音的实时显示与现场事件发生之间的延迟时间应在合理范围之内。
系统应能对前端视频信号进行监测，并能给出视频信号丢失的报警信息。
系统应具有与音频同步切换的能力。
显示设备的屏幕尺寸应满足观察者的监视要求。
根据需要，对下列视频信号和现场声音应使用图像和声音记录系统存储：
a）发生事件的现场及其全过程的图像信号和声音信号；
b）预定地点发生报警时的图像信号和声音信号；
c）用户需要掌握的动态现场信息。
数字图像记录设备应根据管理要求，合理选择。
设备自身应有不可修改的系统特征信息（如系统“时间戳”、跟踪文件或其他硬件措施），以保证系统记录资料的完整性。
实时记录主要通道实时图像，在系统启动、运行或任何系统出错、操作错误、警告及硬件故障时，都会在磁盘上进行记录。
该记录包括了时间、状态、原因以及相应的硬件编号等。
同时也要对操作员的登录、菜单操作以及报警的产生和处理进行记录，以防恶意的伪操作，操作人员必须通过登录时验证身份、密码才能进入本系统，并能对各种操作设置操作人员的控制级别及操作口令，防止非法操作；
3.3.5其它
系统应能清晰显示摄像机所采集的图像。
即显示设备的分辨率应不低于系统图像质量等级的总体要求。
系统应有图像来源的文字提示、日期、时间和运行状态的提示。
前端设备（不含辅助照明装置）供电应合理配置，宜采用集中供电方式。
设计系统时，选用的设备应符合电子设备的雷电防护要求。
系统设计应考虑等电位接地。
系统所使用设备的平均无故障间隔时间（MTBF）应不小于5000h。
3.4系统设计目标
（1）校园监控系统设计具有适度的超前性和设备互换性，为系统增容或改造留有余地；
（2）监控中心可任意调看各个监控点的任意图像，了解现场情况；各监控分中心可调看本校各个监控点的图像。
（3）高清网络半球摄像机分辨率不低于全实时720P。
（4）本地和远程控制可设置多级权限管理；
（5）系统保持图像信息原始完整性和实时性，存储时间不少于30天；
（6）可视化管理—系统操作员通过观察控制屏幕上的显示器，可以直观地观察到被监控现场的连续图像；
（7）信息记录存储功能：
实时记录主要通道实时图像，在系统启动、运行或任何系统出错、操作错误、警告及硬件故障时，都会在磁盘上进行记录。
同时也要对操作员的登录、菜单操作以及报警的产生和处理进行记录，以防恶意的伪操作，操作人员必须通过登录时验证身份、密码才能进入本系统，并能对各种操作设置操作人员的控制级别及操作口令，防止非法操作；
（8）具有电子地图功能，可通过点击图标弹出与该图标相关的信息（包含静态数据与动态数据），并能选择和控制相应的设备；
3.5规划设计
3.5.1方案总体拓扑图
3.5.2前端及存储分中心设计
系统前端设计
半球型高清网络摄像机
教室接入点为课堂监控系统前端信号采集端，负责视频信号的无死角采集以及音频信号的清晰采集。
教室内设置一个点进行监控，采用半球型高清网络摄像机，其图像质量应达到35mm宽银幕电影的水平，可提供卓越的画面清晰度、色彩还原度和图像细节。
高保真拾音器
每台半球型高清网络摄像机配置一台高保真拾音器，拾音范围可达40m2,负责教室内声音的采集。
高保真拾音器装卸便捷，便于吸顶或侧墙安装。
低噪声电路布线精致,工业器件稳定可靠。
改良的新版电子白噪声抑制电路，无"嘶嘶"电子噪音。
存储分中心设计
UPS电源
供电需求分32路高清网络摄像机以上，按照64路高清网络摄像机需求计算；32路以下8路以上的高清网络摄像机，按照32路高清网络摄像机需求计算；8路及以下高清网络摄像机，按照8路高清网络摄像机需求计算：
64路高清网络视频录像机：
300W（含硬盘功耗，单硬盘按10W核算）
32路高清网络视频录像机：
150W（含硬盘功耗，单硬盘按10W核算）
8路高清网络视频录像机：
100W（含硬盘功耗，单硬盘按10W核算）
半球型高清网络摄像机：
10W
拾音器：
2W
8口网络交换机功耗：
6W
配置64路高清网络摄像机的学校需求总功耗：
1452W，建议配置一台2KVAUPS；配置8路高清网络摄像机的学校需求总耗:
244W，建议配置一台1KVAUPS；配置32路高清网络摄像机的学校按照实际配置数量情况，选择2KVA或1KVAUPS；满足半球型高清网络摄像机、拾音器及相关配套的交换机供电需求，在市电停电后满足不低于4小时的正常工作。
网络视频录像机
存储分中心布置高清网络视频录像机及22英寸液晶显示器，按照学校前端网络摄像机的不同分别配置支持8路/32路/64路全高清960P/720P全实时高清网络视频录像机，达到长时间稳定可靠运行，嵌入式系统不被病毒侵害。
高清网络视频录像机支持HDMI、VGA、CVBS同时输出；支持硬盘配额管理，不同通道可分配不同的录像保存容量；支持eSATA盘库，可用于录像和备份；支持冗余录像、抓图设置；支持ONVIF、PSIA标准的网络摄像机。
存储空间按照单路网络视频2Mbps，记录30天（12小时）；存储硬盘配置为SATA2T硬盘，每个高清网络视频录像机做N+1备份，同时预留10%的硬盘数量作为系统备用。
3.5.3传输系统设计
网络设计为二层网络结构，学校监控分中心到教室为第一级网络；监控中心为第二级网络，连接各个学校。
3.5.3.1一级网络传输系统设计
监控现场和网络中心总有一定距离，从监视现场到存储分中心需要传输图像信号，同时从控制中心的控制信号要传送到现场，图像信号和控制信号都通过网络进行传输。
根据用户现有交换机配置情况，建议选用原有品牌交换机8台满足系统网络接入需要。
3.5.3.2二级网络传输系统设计
教育局建设的城域网分中心，已采用思科7609路由器，思科3750交换机。
城域网主干带宽为120M，到各个学校及校际间带宽为100M。
在二层网络结构下，学校到市教育局监控中心所需带宽，计算公式是：
带宽=网点视频数*码率，按照1102个教室，总共60所学校计算，如果25%的监控摄像机需回传至管理中心，单个学校所需最大带宽为：
25*2M=50M带宽，满足现有网络条件。
3.5.4监控中心设计
本项目设有1个监控中心。
监控中心为实现系统管理、视频存储及图像显示等功能，需布置屏幕显示系统、存储设备和服务器应用软件平台等。
3.5.4.1监控中心屏幕显示系统
屏幕显示系统主要由以下几部分组成：
Ø46"4×4超窄边液晶显示单元拼接墙体
Ø视频解码器多路解码上墙
Ø显示墙应用管理系统软件
ØVGA矩阵
Ø线缆、机架和底座等周边设备
3.5.4.2存储设备
监控中心选用磁盘阵列作为重要数据存储。
用户只需要将存储系统直接通过以太网线连接到用户的以太网交换机上去，即可为网络中的应用服务器以数据块级方式分配存储空间，将所有服务器的关键性应用数据都集中到存储系统中保护起来，即使环境中的服务器发生软件或硬件故障，都不会影响这些已经被存储到磁盘阵列中的数据。
3.5.4.3服务器应用软件平台
监控系统的软件平台，是一套定位于校园专网环境下使用的网络集中监控系统，整个软件平台按分布式系统方式设计，各组件各施其职、相对独立，又构成一个有机的整体。
由中心服务模块、存储服务模块、流媒体服务模块、电视墙服务模块、报警服务模块、客户端模块组成。
各服务模块的物理承载形式为Server，构成中心服务器、存储服务器、流媒体服务器、电视墙服务器和报警服务器，客户端模块的物理承载方式为高性能PC。
1）中心服务器是课堂监控系统的“大脑”，它以数据库的形态存在，集中管理视频监控的设备。
2）存储服务器是网络存储的管理者，它集中配置以iSCSI方式实现的录像计划，并按计划执行录像任务。
3）电视墙服务器是电视墙的模拟工具，它与电视墙一一对应，对它的操作结果将直接反应在电视墙上。
4）流媒体服务
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