工廠高清網絡視頻監控方案
中國制造為世人所熟知，隨著產業不斷升級，生產技術越來越發達，中國作為真正的世界工廠也為時不遠。現今，工廠的現代化管理手段越來越豐富，準確性也越來越高，各種先進的技術手段比如視頻監控系統，可有效的加強對各種場合，特殊設備以及人員的直觀管理，及時、有效的反映重要地點區域的現場情況，增強安全保障措施，同時進一步規范各崗位的生產管理。
第一章 概述
1.1 背景分析
中國制造為世人所熟知，隨著產業不斷升級，生產技術越來越發達，中國作為真正的世界工廠也為時不遠?，F今，工廠的現代化管理手段越來越豐富，準確性也越來越高，各種先進的技術手段比如視頻監控系統，可有效的加強對各種場合，特殊設備以及人員的直觀管理，及時、有效的反映重要地點區域的現場情況，增強安全保障措施，同時進一步規范各崗位的生產管理。目前監控手段已經從傳統的模擬視頻監控發展到了高清網絡數字視頻監控，利用現有的辦公網絡、企業專網，光纖專網敷設，甚至互聯網和無線網絡都能夠構建工廠的高清網絡視頻監控系統；與此同時，百萬像素網絡攝像機的大規模普及也解決了傳統模擬視頻監控系統清晰度不足的尷尬局面；Aipstar公司開發的基于低碼率、高清畫質、多功能等特性的720P、1080P高清網絡攝像機與VMP網絡視頻監控管理平臺為不同規模工廠提供了多結構，多用途，良好擴展性的新一代高清視頻監控解決方案。
1.2 需求分析
系統主要滿足兩大部分的需求，一是工廠公共區域安全防范的需要；二是工廠生產區域監控管理的需求。
工廠安全防范
?周界視頻監控系統：在工廠周界區域部署感紅外的固定高清網絡槍式攝像機，滿足全天候24小時監控。
?園區監控：在工廠園區一些制高點安裝云臺攝像機，實施大范圍監控
?出入口監控：在廠房出入口、園區出入口以及其他重要區域的出入口安裝高清攝像機。
?廠房內部：在廠房內部部署大范圍監控的攝像機，以滿足對整個廠房的全局監控。
?庫區監控：在庫房內外部署攝像機，嚴密監視現場情況。
生產區域管理
?重要設備監控：在車間、廠房一些重要的設備處安裝高清攝像機，對設備運行狀態、防盜、防破壞進行監視。
?生產過程監視：對于一些生產線上、操作崗位進行重點監控，記錄操作過程和生產線上的生產過程。
其他需求
?整個系統應該采用模塊化、數字化、網絡化架構，滿足結構簡單化和系統可擴展的需求
?利用平臺管理軟件來統一管理前后端物理設備和虛擬軟件模塊，做到模塊化部署、集中化管理的新一代監控功能。
?視頻監控管理平臺應能與紅外報警系統、消防系統、門禁系統等實現聯動，滿足協同管理、統一調度。
第二章 系統設計
按照技術領先、結合實際，統一規劃、協同部署的指導思想，在實現工廠安全防范的同時，又能通過高清視頻監控系統對生產環節進行集中視頻監控管理，同時通過視頻傳輸專網將相關視頻資源傳輸到上一級部門實現遠程聯網監控，充分利用計算機、視頻壓縮、網絡通信等領域的穩定的、先進的技術，實現對安全、環境、生產、人物等各類信息資源科學有效的管理和應用，進一步提高工廠的安全防范管理工作和生產效率。
2.1 總體設計
系統分為前端監控資源采集、視頻傳輸、后端平臺組建、多系統聯動建設等幾部分，整個系統采用全網絡數字視頻監控架構，前端都采用高清網絡攝像機進行視頻采集，通過攝像機的網絡端口直接接入到工廠視頻傳輸網絡中去，傳輸到后端進行集中存儲和管理。傳輸主干網采用千兆光纖網，后端通過HD-VMP集中管理平臺來完成整個視頻監控系統的集中預覽、控制、管理、存儲以及視頻分發等功能。實現工廠高清數字視頻監控系統集中管理?？傮w設計嚴格遵循用戶要求和行業規范，滿足用戶功能需求為主要目的，提高安全防范管理效率。
2.2 前端監控資源采集
前端監控資源的采集主要是指現場視頻、音頻等信息的采集，當然也涉及個別點位有前端報警聯動信號的輸入。系統設計中前端點位的布置是否合理，以及所采用的設備是否恰當都是整個系統的關鍵所在。因此本次設計中，前端監控設備根據用戶需求分析全部采用網絡數字攝像機。通過需求分析我們得知總共約有200多個點位，我們選用基于基于標準的H.264 Main Profile @ Level 4.1算法的百萬像素網絡攝像機來采集前端視頻，根據每個監視區域的范圍不同選用合適的高清鏡頭，它采用500萬像素的逐行掃描圖像傳感器，攝像機采集壓縮后的有效分辨率為最高可達1920*1080，1280*720，預覽和回放的圖像線數也達到了700-1000TVL廣播級圖像畫質， 而且動態視頻為全實時30幀/秒。
由于高清網絡攝像機的顯示比例為標準的16：9寬屏顯示比例，具有比傳統模擬攝像機更大的可視范圍，而且由于有效像素和分辨率更高，所得到的視頻畫面比傳統模擬攝像機更清晰地效果。同時其他需要動態監視的區域我們設計采用電動二可變鏡頭+云臺+高清攝像機的方式來組建，如果對監控現場清晰度要求不是很高的區域可以選擇采用FULL-D1畫質的網絡高速球來部署，網絡高速球是基于標準H.264的FULL-D1畫質進行壓縮和傳輸，由于采用了最新的算法和壓縮模塊，使得整個清晰度也比原來的模擬攝像機加非標H.264算法視頻編碼器的效果更好。而且和其他網絡攝像機攝像機一樣，從球機出來就是網絡數字信號，通過攝像機本身的標準網絡接口就可以直接接入到視頻傳輸網絡中去，并入整個監控網絡中，實現統一管理；無須再攝像機和后端管理系統中間再增加額外的設備，減少故障環節、簡化系統結構。同時我們還建議在各個廠區的制高點架設1080P全高清網絡攝像機配合大倍數鏡頭和云臺實現全范圍的高清監控，以便掌握整個園區的狀況。
2.3 網絡傳輸系統
網絡傳輸系統的組建對于高清網絡視頻監控系統的組建至關重要，如果傳輸系統不能滿足網絡視頻流的傳輸要求，那么網絡監控也就無從談起。本系統總共有200多臺網絡數字攝像機，分布在多個廠區，我們設計每個廠區的建筑物內部根據攝像機點位的分布采用雙絞線進行匯聚，然后統一接入光纖主干網進行傳輸。部分公共區域、獨立區域的點位可就近單獨敷設傳輸資源；根據產品特點，每路1080P全高清網絡攝像機的傳輸帶寬為4Mbps，720P高清網絡攝像機的推薦傳輸帶寬為2Mbps，標清FULL-D1的傳輸帶寬為1Mbps；所以在為視頻監控系統劃分傳輸通道時應考慮每個區域匯聚后到中心的傳輸帶寬，同時各個廠區匯聚交換機和監控中心的核心交換設備也應該具備較強的數據交換能力和承載突發多用戶大容量的高峰訪問能力，以便網絡視頻數據的快速交換，滿足數據訪問請求的快速響應。由于前端攝像機主要由720P構成，因此每個廠區各自到監控中心的主干光纖帶寬資源已經完全夠用，中心核心交換機建議采用背板帶寬和包轉率較高的千兆交換機來承擔。視頻監控傳輸網絡可以根據要求與工廠內部局域網規劃到一起，或者通過物理設備將兩個網絡互聯起來。這樣工廠其他部分就可在獲得授權后直接前端攝像機的視頻資源。
2.4 集中監控管理平臺設計
由于本次系統建設覆蓋多個區域和多個用戶群體，工廠成立集中監控指揮中心，因此我們設計采用二級架構，即工廠指揮中心為一級監控中心，保衛部門和其他管理部門為二級中心，指揮中心具有最高權限可對所有設備以及下屬兩個分中心用戶群體的視頻監控終端進行集中管理，統一調度；指揮中心完成視頻數據存儲和轉發任務， 各個分中心或者其他用戶通過工廠公司內部局域網訪問視頻監控系統平臺中的轉發服務器，獲得視頻和其他相關的監控資源。
2.4.1 集中用戶驗證服務設計
用戶驗證服務是整個網絡視頻監控的核心模塊，它完成所有設備信息和用戶信息的注冊、驗證、授權、訪問控制等功能。
在指揮中心部署一臺集中用戶驗證服務器（安裝用戶驗證軟件模塊）來完成所有前端網絡攝像機的信息注冊、后端軟件模塊注冊以及用戶信息的驗證；同時可根據用戶需求部署冗余備份用戶驗證服務器，以便當主認證服務器故障時，可啟動備用冗余用戶驗證服務器，繼續提供驗證服務，保障指揮中心和其他用戶可繼續訪問視頻監控系統；用戶驗證服務器采用專業級服務器配置，如雙千兆網口、至強服務器中央處理器、專業服務內存、服務器電源、高速總線帶寬等。
2.4.2 集中管理控制
對于大型的多級聯網視頻監控系統，如何有效的對前后端物理設備、虛擬軟件模塊進行統一管理、控制、信息收集、處理等都是首要考核的條件，VMP管理平臺中的集中管理控制模塊是針對管理員對系統的配置、操作而設計的。
設計指揮中心部署一臺集中管理控制服務器（安裝管理控制軟件模塊），保衛分中心和生產管理部門各自部署一臺副控管理控制服務器（安裝副控軟件模塊）；集中管理控制服務器硬件配置采用了滿足高清網絡視頻圖像處理能力的專業級服務器，能夠同時支持8畫面高清720P圖像解碼預覽、滿足全范圍信息收集顯示、具有快速響應等功能。分中心通過向指揮中心驗證服務器進行用戶驗證，通過后獲取各自管轄區域的視頻監控資源。
2.4.3 存儲轉發系統設計
本解決方案中，針對工廠視頻監控的需求分析，設計將存儲服務和轉發服務部署在同一硬件平臺上，以滿足系統的可靠性和合理性。
存儲轉發系統主要用于完成前端攝像機傳回的網絡視頻數據存儲和分發任務，通過存儲軟件模塊和轉發軟件模塊的組合部署同步完成數據的存儲和數據分發。通過前端點位設計可知，整個系統有200多路高清網絡視頻數據流，按照15天的存儲時間計算也會有上百個TB的存儲容量，如此大的存儲容量對于視頻監控來說最佳的存儲方式主要有基于IP-SAN架構的區域存儲解決方案和基于網絡視頻存儲服務器的分散式存儲解決方案。為了滿足功能實用性、系統可靠性的需求，我們設計采用分散式的HD-VMP視頻存儲服務器解決方案。同時利用每臺分散式存儲服務器的強大網絡資源可同步做視頻流媒體轉發服務，那么每臺服務器就只需要承受幾十路視頻存儲和并發，存儲轉發服務器之間不會相互影響，各自負責相關區域的存儲，當某臺服務器出現故障時不會影響到其他區域，提升整個系統的穩定性、冗余性。
存儲轉發硬件服務器均采用專業服務器，通過雙千兆網口負載均衡，提升網絡數據吞吐能力，高達4GB大容量內存及時讀取，以及RAID5高速硬盤I/O速度，都為整個存儲轉發系統提供了強有力的資源保障和穩定性保障。存儲軟件提供多種視頻記錄方式，如實時流存儲、計劃備份、報警錄像等；流媒體轉發提供多種轉發模式，如多級轉發等。
視頻存儲容量計算公式：
1080P高清攝像機：20路*4Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=12TB
720P高清攝像機：140路*2Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=43TB
FULL-D1網絡高速球：40路*1Mbps*3600s*24H*15天/8/1024/1024=6 TB
2.4.4 電子地圖系統設計
在工廠高清網絡視頻監控系統中，攝像機數量眾多，如果僅僅靠集中管理控制模塊或者是其他監控終端來瀏覽視頻圖像資源和控制前端設備，是不利于發揮集中網絡視頻監控系統的網絡化、數字化、簡單化的基本理念的，只有通過完善的后端管理平臺和操作平臺快速查詢和定位圖像資源才能及時的對所有攝像機覆蓋的區域進行監視，及早發現可疑行為，事發后也能及時切換到現場。因此針對大型網絡視頻監控系統而開發的報警電子地圖模塊解決了上述難題，它通過GIS電子地圖載入，將前端攝像機，乃至前端報警探測器等在電子地圖上進行標注，通過點擊電子地圖上的點位標注圖標調用該點的視頻圖像，而且還可將報警系統集成到一起實現報警聯動提示，當報警點位產生報警信號后會自動聯動附近關聯的攝像機的圖像在電子地圖上彈出進行現實顯示，也可彈出到電視墻上進行顯示。且攝像機本身具備的移動偵測功能也可向中心電子地圖服務器進行聯動提示。在高清網絡視頻監控系統中，通過這些方式在配合前端高清攝像機的清晰圖像可以快速定位某一個點位的攝像機，當發生異常行為后可自動切換該點位的攝像機進行圖像顯示。
在本系統中指揮中心配置一臺報警電子地圖服務器，還可通過大屏顯示系統來顯示，不管從功能上還是從系統的先進性上都會有很好的體現，將所有點位通過地圖形式表現出來，直觀方便，其他分中心可通過客戶端或者是電子地圖軟件模塊向中心下載地圖信息，實現多級地圖聯網監控。
2.4.5 監控中心拼接顯示系統
在監控中心我們設計采用一套46寸3*3的大屏拼接系統來顯示監控圖像。我們再后端配置4臺數字矩陣服務器，與拼接系統進行連接。虛擬數字矩陣每臺最高可支持8畫面高清720P或者4畫面1080P高清視頻圖像的分割顯示，通過數字矩陣服務器的顯卡VGA接口送至大屏幕拼接器后在拼接墻上進行顯示。
2.5 系統拓撲圖
第三章 高清視頻監控系統的優勢
基于720P，1080P等超百萬像素的高清網絡數字攝像機的網絡視頻監控系統的整體優勢非常明顯，這使得在各行業、各領域的視頻監控系統工程中變得實實在在，而且所帶來的視覺震撼和強大功能是傳統網絡視頻監控系統無法比擬的，其主要優勢如下。
3.1 百萬像素的前端視頻采集
基于標準H.264壓縮算法和500萬圖像傳感器百萬像素網絡攝像機可輕松對監控區域實施清晰的有效的監視，所帶來的視覺效果是傳統網絡視頻監控系統無法比擬的。前端攝像機在進行高清視頻采集的同時還可通過攝像機本身集成的音視頻輸入輸出、報警輸入輸出、485控制接口等功能實現音頻監聽和報警探測器聯動、控制等擴展功能。前端攝像機高度集成性和功能性使得百萬像素網絡攝像機與傳統攝像機相比不僅僅是清晰的提升，還有功能上多樣化。同時百萬像素網絡攝像機為全數字化、全網絡化，可輕松接入平安城市傳輸網絡中去，并接入到后端管理平臺。
3.2 基于H.264的低碼流傳輸和存儲優勢
目前很多用戶甚至包括很多視頻監控行業的人士都覺得高清視頻監控附加的是高碼流的傳輸壓力和存儲壓力，但我們所采用的720P高清網絡攝像機是基于標準的H.264 Main Profile @ Level 4.1算法，在完成720P百萬像素全實時成像的時候只需要1.5-2Mbps的低碼流，1080P也只需要4Mbps的碼流，這對于工廠等大型系統來說，這樣的碼流在網絡傳輸上已經非常成熟，因為在傳統網絡監控系統來說也是需要這樣2Mpbs的碼流才能滿足FULL-D1的視頻效果。同樣存儲壓力也并沒有因為前端是高清攝像機而提升，因此我們實現了高清視頻監控系統的低碼流傳輸和存儲實用性的革命性突破，將高清視頻監控系統推向了大規模的實際應用。
3.3 系統構架靈活
高清網絡攝像機具備強大的網絡功能和功能接口，省去了傳統網絡視頻監控系統的復雜結構，比如不需要單獨的視頻編碼器或者是DVR這些設備，攝像機本身就可利用已有的局域網、光纖專網、城域網、微波傳輸、互聯網和即將到來的3G傳輸等進行接入，將前端的音視頻、控制、報警信號直接通過攝像機的網絡接口傳輸上級監控中心。同時在系統建設時可分步、分級逐步實施，不會影響其他區域，可適應不同類型工廠的復雜環境和特殊功能需求。
3.4 配套設施功能強大
配合高清網絡數字攝像機我公司推出配套的高清網絡視頻監控管理平臺，整個平臺基于大型網絡視頻監控系統架構，采用模塊化設計，適用于不同類型的高清視頻監控系統；比如可以根據需要部署相應模塊實現本地高清視頻。諸如視頻轉發、報警處理等模塊可實現多結構、多用途的集中管理平臺，多級轉發可適應各種終端用戶的視頻訪問請求；報警處理可集成周界報警系統、消防聯動接口、門禁信號聯動接口、防盜報警聯動接口等，將這些系統與VMP管理平臺對接，可實現這些聯動信號與視頻監控系統聯動控制，比如聯動視頻彈出、報警聯動錄像、報警聯動監控攝像機預置位調用、電子地圖防區管理等等。
3.5 工程施工方便
采用全網絡，全數字化架構，前端高清網絡數字攝像機只需要考慮網絡接入就可以了，不需要在為視頻線、控制線等繁雜的工序頭疼，減少了故障節點。而且減少了干擾的可能性，強大的網絡功能更方便設備安裝、調試，使整個系統的可靠性和穩定性大為提高。主干光纖網的建設在系統更新換代時還可以重復使用，具有更長的使用有效期。
3.6 應用前景
工廠高清網絡視頻監控解決方案的實施將極大的改善目前類似的行業應用現狀，除去在清晰度上有本質提升外，其全新的網絡化、數字化的架構更為工廠監控的靈活擴展和系統升級提供了保障。高清紅外攝像機、高清一體機、高清智能球機的不斷涌現，為更多復雜的監控場景和應用模式提供了解決依據，高清網絡視頻監控系統在實現了工廠安全防范工作的同時也為生產管理提供了更有力的技術保障手段。
