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摘要：本文以大型体育场馆工程实例为基础，以各项设计原则为指导，从系统设计思路、系统构架设计、系统组成、系统逻辑结构、前端监控系统设计、视频传输网络设计、电源及控制信号传输、控制系统设计、大屏幕显示系统设计等方面对该应用做出阐述，探讨如何达到为整体场馆安防系统提供硬件支撑条件，达到保障大型比赛及活动期间场馆内和周边的安全，同时服务于赛后使用的建设目标。
关键词：体育场；POE；视频监控；网络摄像机
引言：目前，视频监控方式已经从传统的模拟视频监控系统发展为高清网络数字视频监控系统，随着百万级像素网络摄像机的大规模普及，解决了传统模拟视频监控系统中摄像机清晰度不足的问题。
本文的工程实例为北京工人体育场，是北京市最大的一座综合性体育场之一。此次视频监控系统改造，将使视频安防监控系统体现集视频信息收集、存储、显示、控制与管理的特点。系统的建设使工人体育场安防系统体现出现代科学技术手段在赛时和赛后的运行、管理方面的应用，提高对各类事件处理及管理方面的科技含量。所采用的产品能满足各种网络产品及通信系统的要求，适应技术发展的需要，使系统的扩充升级更容易。
一、设计范围
(1)场地内（含观众席和主席台）现场影像采集及回放系统；
(2)办公区域及其业主相关用房范围内现场影像采集及回放系统；
(3)室外场地含广场、道路、各建筑物夹道、存包处等区域影像采集及回放系统。
二、设计原则
（1）合理性原则
系统设计根据工体场馆的实际状况和建设的具体要求，充分满足用户在使用中的各项功能要求。本系统提供开放的底层的API，为将来开发出实用而简易的集成软件，完成系统集成打好基础。
（2）先进性原则
计算机及通信技术高速发展，使得系统的设计不但要考虑充分利用当前的最新技术，而且还必须考虑随着技术的进一步发展，能在系统中不断溶入新技术，使系统始终充满活力，始终保持一定的先进性。
（3）实用性原则
系统硬件和软件平台界面友好、易学易用、使用方便、图像清晰；采用统一的系统标准和通信协议，使整个系统中各个子系统间能互联互控，充分发挥整个系统的功能。
（4）可靠性原则
保证系统的完整性、正确性和可恢复性。系统的不稳定因素要从硬件、软件系统协同运行中给予充分的防止。如有发生也应做到可即时地恢复。系统的可靠性通过各个子系统的可靠性来达到。系统在设计上采用的以下容错办法有：主要设备的备品、备件；RAID 5容错机制；核心交换机双机热备。
（5）可扩展性原则
在系统横向扩展方面，系统在满足当前视频监控需求的基础上，应能够非常方便的扩展容量可方便实现更大容量的视频监控系统。在纵向扩展方面，视频监控系统具有良好的兼容性和通用的软硬件接口，用户可在其基础上进行二次功能开发（如图像智能分析等）。
（6）安全保密性原则
由于本系统涉及到对于公共场所的日常实时监控，数据传输量大、使用人员多，故安全性和保密性就显得十分突出和重要。在考虑系统的安全性和保密性时，除应考虑各种外界干扰外，还需在各个环节提供安全、保密措施。数字图像网络使用专网，不允许与其他非内部专网进行物理链接。数据库的超级用户帐号及密码由服务器的系统管理员设定，数据库的一般用户帐号和权限由数据库管理员设定。系统维护人员可随时方便地对数据进行备份和恢复。
三、系统设计思路
根据体育场使用性质和现场照度、环境的实际情况，采用高清网络球机、高清半球机、高清网络枪机等多种不同类型的摄像机。所有摄像机信号传输至管理中心，在管理中心实现存储、控制和管理。根据功能区域划分，整个体育场视频监控系统可以分为三道防线：
第一道防线：在体育场与市政道路周界、室外主要出入口，主要采用高清数字球机进行周界监控。
第二道防线：体育场内部各场所间的道路、主要路口、室外停车场、公园等人员休闲区，主要采高清数字枪机、高清数字红外球型摄像机来实现。
第三道防线：建筑内楼梯口、电梯口、走廊、看台等位置，采用高清数字球机、高清半球、高清数字枪机等不同类型的摄像机来实现相应区域内的监控。
将体育场所有视频信号需反馈至体育场内值班室内控制屏，并根据要求开放协议，可支持公安机关对监控内容的查看。
四、系统架构设计
系统架构依托环网基础进行规划，视频网络采用了以太环网结构，提高了网络可靠性，可减少光缆建设投资并充分利用原有的桥架敷设资源。当以太环网上任一链路或节点的发生故障时，以太环网能够保证链路倒换时间为50ms以内，业务倒换时间在50-200ms之间，提高了整个系统的稳定性。
视频采集部分：接入大量的高清摄像机，完成对前端信号采集；
视频编码部分：实现对视频信号进行编码数字化，向视频调用终端提供视频流；
视频解码部分：主要实现对数字视频的远程访问、视频流接收、数字视频的解码显示等功能，以便现场视频能够在监控屏幕上进行显示；
视频转发部分：实现对实时视频和录像的转发，实现向指挥中心、客户端等不用用户需要调用现场视频的用户转发视频流的功能；
视频存储部分：对各个现场视频图像的存储，提供指挥中心等用户对历史视频的检索回放等服务；
视频显示控制部分：主要实现视频资源的统一展示及调用控制功能，对监控大屏幕显示模式的控制功能，视频报警联动功能，目标跟踪功能，历史视频智能检索功能。
五、系统组成与逻辑结构
系统采用高清视频监控技术，实现视频图像信息的高清采集、高清编码、高清传输、高清存储、高清显示；系统基于IP网络传输技术，提供视频质量诊断等智能分析技术，实现全网调度、管理及智能化应用，为用户提供一套“高清化、网络化、智能化”的视频图像监控系统，满足用户在视频图像业务应用中日益迫切的需求。
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1 前端监控系统设计
前端部分：前端支持多种类型的摄像机接入，本方案配置高清网络枪机、球机等，前端网络摄像机将采集的模拟信号转换成网络数字信号，按照标准的音视频编码格式及标准的通信协议，可直接接入网络并进行视频图像的传输。
体育场内主要进出口均设置进出双向摄像头可分别看到进、出人员面部特征，达到体育场内全覆盖摄像，可抓拍任意区域图像并能可以清晰识别图像中人员面部特征人脸。体育场周界摄像头均应考虑在夜间、低照度及光明暗变化大的情况下仍保持正常工作。环路区域除全覆盖外应考虑不同方向行人的面部特征捕捉；应考虑夏季阔叶乔木对摄像区域的遮蔽，要求夏季冬季均能满足上述要求。弱电、强电管线敷设借尽量借用原有电信、管道管沟施工，途径路由无原有管沟时，需要新增管沟。?
2 摄像机使用分类：
（1）网络半球摄像机/网络枪机摄像机：主要设置于室内走廊、以及室外场地等处，用于全面覆盖，支持日/夜切换模式，高分辨率，不低于200万像素。
（2）网络快球摄像机：主要设置于各主要出入口、体育场最高处等位置，用于识别人脸面部特征，支持日/夜切换模式，高分辨率，30倍以上光学变焦，云台控制。在球机中直接集成行为分析与跟踪功能，当球机镜头固定时，可做区域入侵检测，对报警目标可实现放大跟踪。
（3）网络鹰眼180°摄像机，设置于体育场最高层的两端，用于大画面监控整个球场，并可单独放大。单产品即可提供全景（180°或者360°）和特写画面，由4个（或者8个）固定在水平不同方向的高清摄像头加高速球组成特殊的监控结构。全景端每4个摄像头负责1个全景180度的监控画面，达到全景监控效果。下方球机（特写镜头）负责联动定位和跟踪功能，提供23倍光学变焦、16倍数字变焦，只需要点击全景画面的任意一个点，都可以实现快速的变倍并捕捉到远处的目标。
（4）带拾音器功能摄像机：设置于体育场车辆进出口门房内，用于监视收费人员工作。
3 视频传输网络设计
传输网络系统主要作用是接入各类监控资源，为中心管理平台的各项应用提供基础保障，能够更好的服务于各类用户。
（1）核心层：核心层主要设备是核心交换机，作为整个网络的大脑，要求核心交换机的配置及性能较高。目前核心交换机一般都具备双电源、双引擎，采用双核心交换机部署方式，对核心交换机的背板带宽及处理能力要求较高。
（2）汇聚层：所有接入层交换机的汇聚至此，根据区域设置，放置于核心机房及就近的弱电间内。汇聚交换机，全部选用28光口设计，确保接入交换机的数量够用的同时，采用万兆级联的接口，满足与核心交换机之间的通讯。
（3）接入层：接入层网络交换机全部选用24口POE交换机，前端网络采用独立的IP地址网段，完成对前端多只监控设备的互联。前端视频资源通过传输网络接入监控中心或者数据机房进行汇聚。前端网络接入目前采用两种常用方式，通常为点对点光纤接入的方式和点对多点的PON接入方式。接入层需对NVR存储设备的网络接入提供支撑，确保NVR存储设备网络环境安全可靠。
（4）对于用户端接入交换机部分，需要增加相应的用户接入交换机，提供用户上网服务。监控中心部署接入交换机，通过万兆/千兆光纤链路接入到传输网络中。保证监控中心解码器及客户端的正常适用。
（5）核心交换与汇聚交换及接入交换机全部选用万兆单模光纤级联，部分设备间选用双级联的形式。接入层交换机与摄像机全部选用六类非屏蔽网线连接。
4 网络传输带宽要求
链路的可用带宽理论值为链路带宽的80%左右，为保障视频图像的高质量传输，带宽使用时采用轻载设计，轻载带宽上限控制在链路带宽的50%以内。
核心层交换机到接入交换机的网络采用光模块来传输，带宽需达到千兆以上，传输设备如光纤收发器到接入交换机之间的带宽需达到百兆；
传输设备如光纤收发器之间的传输带宽建议达到百兆。
5 网络资源使用规划
视频网络IP地址资源由安保综合信息通信网的统一规划。
监控中心采用CVR将高清视频图像进行存储，解决数据落地问题；配置视频综合平台，完成视频的编码、解码、拼接；监控中心部署LCD大屏用来将视频进行上墙显示等。
6 电源及控制信号传输
对于体育场这类高安全防范等级要求的场所，前端摄像机采用UPS统一供电，UPS供电电压为220V，供电线路敷设到每个楼层、每个区域的弱电井，交流输出供电线路采用BV-3*2.5型线缆，通过变压后输出给前端摄像机，直流供电线路采用RVV-2*1.5型线缆。部分离集中电源远的区域如室外采用就近取电的方式。控制信号线可采用抗干扰能力较好的RVVP-2*1.5型线缆。接入层到摄像机之间全部选用6类非屏蔽双绞线，支持POE供电。
安全技术防范系统电源质量应满足下列要求：稳态电压偏移不大于±2%；稳态频率偏移不大于±0.2Hz；电压波形畸变率不大于5%；允许断电持续时间为0~4ms。
7 控制系统设计
网络键盘是专为摄像机、视音频交换处理设备等而设计的。该键盘可以通过网络实现对视音频交换处理设备、多路解码器输出的矩阵切换控制，可以实现对前端通道的云台控制，并支持多种输入方式。
六、大屏幕显示系统设计
1 系统概述
大屏幕显示系统是指挥中心的重要组成部分，全天候运行，提供实时的视频监控图像和录像回放显示。整个系统充分采用现代计算机通讯与信息综合决策的先进技术,可实现播放视频信号和计算机信号综合显示，通过大屏幕显示系统，可以轻松实现直观、实时、全方位地集中显示各个系统的信息，各系统信息在大屏幕上可根据需要以任意大小、任意位置和任意组合进行显示，并且对显示信息进行智能化管理。
2 显示方式选择
大屏幕显示系统显示方式采用LCD拼接屏方式。根据需求，本文案例采用3行*6列，共计18块46寸LCD拼接屏。
3 功能设计
大屏幕显示系统与视频监控管理软件平台实现深度整合、无缝对接，在一个操作界面上即可完成大屏幕显示系统和视频监控系统的操作，大大方便了管理人员的操作；系统提供简捷直观的的菜单式中文操作界面，可通过控制管理软件进行信号窗口设定、信号源选择、调用显示模式预案、开关大屏等操作，可控制网络墙全部图像的拼接显示，并可进行信号显示效果的调整；系统允许一个工作人员或多个工作人员以集中控制、远程控制、同时控制等方式对大屏幕进行控制操作，具有多级权限控制，以满足不同用户对大屏显示的要求；系统可通过控制管理软件对用户常用显示信号和图像排布进行预案设定、保存处理及快速调用（预案功能），并且可以进行定时安排。系统可通过控制管理软件将显示屏划分为若干区域，划定的显示区域可根据需要进行修改。通过设置不同的权限，可设置指定人员操控指定的显示区域，便于整个显示屏的分区管理及操作安全。
七、总结
在传统的标清监控技术构架下，为了保证监控的覆盖率，尽可能的减少监控死角，需要安装部署相当规模数量的监控摄像机，在同一时间里只有极少部分能够得到实时的监控，而绝大多数监控图像被无差别的记录保存下来，从而形成了海量级的视频录像数据资料。这些规模庞大的录像资料中也仅有极少部分因可能与某些已知的事件相关联而被备份以外，其他的录像信息则不断的被新的录像数据所覆盖。这就是典型的传统监控系统大规模、高成本、低效率的建设应用现状。在高清监控技术构架下，单台高清摄像机能够相当于几台普通摄像机的监控覆盖面，且图像分辨率更高、信息量更丰富，因此采用高清监控可以非常有效的缩减系统规模，节省传输链路和设备，从而减少总体建设成本，高清监控技术将推动视频监控系统建设应用向着集约化、效能化转变。
高清网络视频监控相比模拟视频监控具有明显的技术和应用优势：图像清晰度更高、细节更加清楚；监控目标覆盖范围更广、提高监控效能；高清摄像机能实现数字PTZ功能；有利于图像识别和智能视频分析的应用。高清监控实现了监控图像从“看得见”向“看得清”的跨越，是监控技术进步的里程碑。
参考文献：
[1]《视频安防监控系统工程设计规范》（GB50395-2007）；
[2]《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》 （GB/T28181-2011）?
[3]《视频安防监控系统设计要求》GA/T367；
[4]《信息技术设备的安全》 （GB4943-2001）
[5]《安全防范工程技术规范》GB50348-2004
[6]《安全防范系统通用图形符号》（GA/T74－2000）
论文作者:肖潇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/13
标签：系统论文; 视频论文; 摄像机论文; 交换机论文; 网络论文; 监控系统论文; 体育场论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;