公交系统无线安防视频监控技术应用及分析

  城市公交运力的增加仅仅是整个中国公交发展的一个缩影,面对成千上万的公交车,如何对其管理?公交上日益增多的盗窃、斗殴等治安案件以及逃票、对乘务员和司机的监控等也都给公交公司的管理带来很大的管理瓶颈。基于如上需求,近年来公交安防系统逐步在公交管理应用中得以投入实际应用,且这一需求正在逐步扩大。

  随着公共交通客运事业的蓬勃发展,营运人员在营运过程中的安全、管理越来越被重视,在公交车中安装一套移动监控系统显得十分必要。前些年安装车载DVR的公交车,基本上都是基于政府宏观调控或特殊时期(城运、亚运)条件下安装,公交车安装车载产品的城市主要集中在我国经济发达地区,如珠三角、长三角;近期,因为公共安全及行业管理规范需求等因素,我国二、三线城市也有公交车安装车载监控产品的需求也日渐水涨船高,再加上整套车载监控设备的技术越来越成熟、性价比越来越高,使得大部分城市的公交车安装车载监控产品变为可能。

公交系统无线安防视频监控技术应用及分析

监控需清晰

  公交安防系统的建设起步较晚,近几年才有点起色,并伴随着安防行业的进步而不断发展。车载监控自成一体,是个小型的移动监控场所,不同的应用需求有不同的安装方案,一般有如下几点。

  ・治安监控:公交车作为公共出行工具,各色人群均会在此停留,因此,一些不法分子将目光瞄准了公交,使得公交成为盗窃等治安案件的频发源,于是公安部门会通过公交公司在车厢内安装数个车内情况监控摄像机,一般为车前门、车后门各一个,用于监控上下客情况;车厢前部和车厢后部也各安装一个摄像机,用于监控车厢内情况;

  ・司机、售票员监控:公交公司较为关注自身人员问题,通过监控设备来了解车内工作情况,如车厢前部的摄像机对准司机,可查看司机是否操作规范、是否有不雅行为等,便于监督司机自律驾驶;售票员处也要安装摄像机,可查看售票情况,监督售票工作规范化;

  ・车前监控:公交车在行驶过程中可能会遇到一些突发交通事件,如变道、追尾等,当发生交通事故后,可通过视频录像来划定责任;同时,车前摄像机抓拍的视频传输到后台后,还可作为后台了解车辆行驶状况(车的位置、车速、道路拥堵情况)的信息来源,便于后台的指挥调度;

  ・车后监控:可在倒车、被追尾等情况下使用,该摄像机置于车后,当司机进行倒车动作时,车载显示端会自动切换到车后监控通道;

  ・另外还有车侧监控,用于上下客、运行途中车两边的情况的监控。

  我国的公交安防监控主要集中在治安监控和司机、售票员监控方面,对其它的应用根据需求增设。目前常见的公交车载监控还是以模拟摄像机加车载DVR或者是模拟摄像机加车载DVS的方式实施。车载DVR/车载DVS一般选用3路视频接入,部分城市选用5路视频接入,5路视频接入比起3路视频接入的系统里面多了人流统计功能的视频采集。

  对车载监控系统的建设,各个厂家都有其不同的研发目标,如清晰度等规格均会有所差异,公交监控系统采用的摄像机大部分是红外夜视半球,内置拾音器,使音视频同步录像。另外低照度更适合公交安防监控,红外是在夜视状态下,能提供人肉眼看不到的红外光线而照亮拍摄物体,是一种提高亮度辅助的工具,而车辆在夜间行驶时车厢内不存在完全漆黑情况,多少都有些微光,低照度(0.01Lux@F1.2)在夜视微弱(或星光)的光线下,就能够通过彩转黑的方式拍摄到清晰的图像,无需进行红外补光,因此可以不选择带红外功能的摄像机。要求设备具有自动增益控制、自动白平衡、背光补偿等功能。当然,为能更好看清人脸,也可采用更高分辨率产品。为便于安装调试,摄像机镜头一定要三轴可调,并采用短焦广角镜头(最大视角可达90°),使得监控画面范围更广。监控摄像机的分辨率为D1,人脸、动作等均能看清,可满足车内监控需求;而对夜间的监控,应根据实际情况及成本预算来决定使用何种低照度抓拍技术。

  另外,施工上也还需注意:公交车一般都比较脏、乱,因此摄像机还要具备一定的防水、防尘性能,如果是安装于车外,还要具备良好的防爆性能。在实际操作时,摄像机一定要安装牢固,要经受得住车的频繁晃动考验,是摄像机始终与车身保持一致的摆动幅度,这样,获取的图像才不会出现抖动情况。

存储要稳定

  由于公交车扮演的是移动的“孤岛”角色,不能直接接入有线网络,摄像机采集到图像信息后,将上传到车载硬盘中暂时存储。由于公交车的特殊情况,随时都会有震动发生,这对车载存储技术提出了很高的要求。

  目前车载存储设备主要有笔记本硬盘、SD卡、普通硬盘、固态硬盘等,在价格上,普通硬盘的成本最低,容量也大,但抗震性能差,工作寿命受震动情况大为缩短;固态硬盘抗震性能好,但价格十分昂贵,不利于公交项目应用;SD卡目前的最大容量已达64GB,但面对4路D1甚至更多的数据存储需求,显然不能满足,且SD卡受写入次数限制,写入次数过多,将会损坏。因此,从实用性来考虑,笔记本硬盘最合适不过了,其普遍采用磁阻磁头(MR)技术或扩展磁阻磁头(MRX)技术,MR磁头以极高的密度记录数据,从而增加了磁盘容量、提高数据吞吐率,同时还能减少磁头数目和磁盘空间,提高磁盘的可靠性和抗干扰、震动性能,具有小体积、低功耗、防震等特点,从数据读写的物理特性上为车载的抗震应用建立了第一道防震关。为应对复杂的震动环境,提高数据存储的可靠性,有些厂家则采用硬盘与SD卡混合应用,正常境况下,采用硬盘存储,当硬盘出现故障时,系统自动选用SD卡存储。

  车载减震可采用机械减震、电子减震等多技术结合的综合减震方案,机械减震分3级减震设计(硬盘盒减震、整机减震、标配减震架),可见采用笔记本硬盘减震只是车载DVR减震系统中的组成部分之一。

  机械减震从硬盘做起,然后是整机的减震,可通过阻尼橡胶或钢丝绳军用减震技术来达到能量转化的目的。目前有些公司采用阻尼橡胶减震技术,利用阻尼橡胶的阻尼特性,能把震动能量转换为热能;有些采用钢丝减震技术,钢丝减震技术的原理与阻尼橡胶的原理差不多,它们在接受震动时,内部有摩擦,继而把震动能量转换为热能。这两种技术原理相通,不存在谁优谁劣,只是看最终的指标谁的抗震性能更好。在阻尼橡胶中加入防老化剂即可防止产品易老化的问题,所以在使用年限上,这两种技术完全可以满足要求。在车载机内部,还要通过精心设计,尽可能地将各个部件整合或省略,减少活动部件,增强设备的牢固性能。

  机械减震设备只能降低震动的能量,为防止余下能量对硬盘的损坏,可采用电子减震方案,车载DVR通过外部加速度传感器获取震动信息,根据震动的强度对硬盘读写周期进行干预,或将硬盘磁头复位到安全区域,以保护硬盘磁头正常读写并不受震动的干扰。

  车载DVR作为车载监控系统的核心,不但要经受住震动的考验,还要顶住电压的冲击。汽车一般采用24V电压电源,但此电压并不稳定,也不适合监控设备的取电电压标准,因此DVR从车载电源系统获得电能后,需通过电源保护模块将不稳定的电压转换为12V额定电压为摄像机供电。因此,车载DVR需采用宽电压设计,设备可以在+8V~+36V间运作,可在高于上限或低于下限时自动关机,以确保本身及汽车电瓶的安全。这也让汽车电瓶部分不致于因为负载太大,或多种电子用品同时使用,而导致干扰源过多。同时,也为了确保汽车突然熄火或停下时,系统会因为电瓶电力供应的问题而出现故障,因此,该系统在汽车一旦熄火的情况下,会启动延时关机功能(时间长度可任意设置),以确保监控图像不会遗漏,以及保护汽车的电瓶电量充足不致于让汽车无法再启动。

  此外,车载DVR的安装位置也很重要,根据物理设计要求,车载硬盘录像机一般安装在车的中间部位,该部位不会有大幅度的震动及摆动,如果中间部位不方便安装,就要安装在一个隐蔽、方便取电、美观的部位。

无线加速应用

  出于精简、稳定、实用要求,车载DVR采用数据传输和供电均可同时进行的航空接口。前端摄像机完成抓拍后,数据即刻传送到DVR中存储,并可传送到车载显示器,便于司机监看。在3G网络普及之前,车在路上行驶的时候,只能通过GPS定位车辆行驶位置,只有在车辆进场站时,才能通过WiFi将录像传到服务器上,如果车刚进站就走,数据又不能传输完时,只能通过更换硬盘来读取录像信息。由此可见,在3G网络铺开之前,公交监控几乎做不到实时监控。目前3G网络的普及,为公交安防应用带来了革命性的变化,利用其带宽优势,已基本可实现全实时监控。

  目前可选用的无线传输技术主要有3G、WiFi、GPRS。

  ・3G:针对现行的3种3G技术,中国移动的TD-SCDMA的带宽较小,很少采用此技术传输,一般采用联通WCDMA和电信的CDMA-2000(EVDO)作为公交无线传输的主要3G标准;

  ・WiFi:按照其速度与技术的新旧可分为802.11a、802.11b、802.11g、802.11n;

  ・GPRS:和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,传输速率可提升至56-114Kbps。

  这三种技术是现行的常用无线传输技术,其中,3G网络最为常见,也是实时传输的主要载体;经过国家近几年的大力扶持,我国的3G网络覆盖面越来越广,在大中城市及周边地区均有布建,其理论带宽在2Mbps以上,可满足公交标清视频流的实时传输需求。WiFi的网络带宽要远大于3G带宽,但建设面窄,即便在上海等大城市,也没有能实现其网络的全部覆盖,不利于公交监控数据实时传输应用;为弥补3G无线带宽的不足,公交公司一般会在场站布建WiFi网络,当公交车进场时,即开始自动切换到高带宽的WiFi网络进行数据的大流量传输。GPRS无线传输技术的带宽是这三者中最低的一个,网络良好的情况下仅为几十至100多Kbps,不利于视频流的实时传输,一般用于帧传输或报警信息发布;网络不好的情况下,车载服务器将自动选择GPRS网络优先传输报警信息。此外还有2代网络GSM传输技术,由于该技术带宽极小,一般仅有几Kbps,但其网络覆盖面很广,仍是目前无线传输主流技术,在边远3G等网络无法覆盖的地区,可选用该技术来间断或不间断传输车辆行驶状态。

  虽然无线网络传输技术的种类较多,但覆盖面、网络带宽等却各不一样,3G虽然可实现实时传输,但目前3G网络带宽的实际应用带宽最大为300多Kbps,而实时传输1路D1画质至少都要1Mbps的带宽,所以当前的3G带宽只能实时传输1路CIF或4路QCIF视频流。为解决3G带宽不足问题,各厂家提出了有针对性的解决方案,都采用双码流传输技术:车载D1存储,采用CIF格式分辨率实时传输。另外还可通过网络的优化与自选择功能提高传输性能,日后公交监控方案发展趋势是3G和WiFi两种无线传输技术相结合,图像传输过程中车载DVR支持3G、WiFi自动切换,设备优先采用WiFi网络,当车辆进入没有WiFi网络的区域设备自动切换到3G网络并自动调节分辨率,当车辆进入有WiFi网络的区域设备自动切换到WiFi网络;并且公交车终点站自建WiFi网络,通过WiFi网络将车中存储的录像资料自动导入公交车站存储服务器中。

技术仍需完善

  无线技术突破了公交的“孤岛”状态,使之实现了联网应用,但从目前的应用需求来说,仍有不少技术瓶颈需要解决,主要集中在无线网络带宽及其稳定性、抗震、后台监控应用等方面。

  当前的3G网络带宽,在不考虑稳定性前提下,一般可传输1路D1或4路CIF分辨率实时视频流,而一般公交都会安装3-4路D1分辨率摄像机,如果采用D1分辨率传输,就只能有选择的传输,无法做到全部传输;即便采用单路D1或4路CIF传输,也很容易受网络环境影响,目前公交安防在无线网络传输上最大的技术难点在于如何解决无线网络不够稳定,传输带宽抖动大。解决网络覆盖面和稳定性是一个复杂的漫长的过程,绝非厂家或集成商所能独立完成。对此,安徽创世提出了自己的解决方案,即先从算法着手,通过对视频编码算法的优化实现低码率高质量视频流输出,接着采用多卡多模捆绑传输技术,多卡互为备份既提高了传输带宽又提高了设备在线率。但这仅是暂时性的解决方案,并非长远之计。

  抗震是所有做车载产品及项目的厂家、工程商必须经历的一道坎,虽然目前提出了各种解决方案,但在实际应用中并没有达到最大的理想化效果,多种减震技术手段也仅是达到减震效果,仍不能有完全消除震动能量对硬盘造成的伤害。景阳周志高指出,实际应用常会遇到这样的问题,即录像了,但由于震动,在读取硬盘数据时,发现硬盘中没有录像数据,或是损坏、不完整。朗驰欣创张兵提出采用基于DRAM与FLASH闪存技术的固态硬盘,但同时他也指出该方式无法规避造价制约。抗震瓶颈还在持续,如何探寻出一条成本低、抗震技术性能优良的技术方案还有待众厂家的努力。

  另外还有就是监看瓶颈。实时监控的意义在于系统在事发时或事发前给监管人员发出报警并处理,事后可快速调阅相应视频。在无线应用的催生下,由中心管理服务器、节点服务器、前端接入服务器、存储服务器、媒体分发服务器、智能分析服务器、电子地图服务器及GPS服务器等组成了功能强大的公交管理平台,实现了全网业务统一管理、业务统计、业务分析、数据备份、视频分发、路由调度等功能。但这又带来了监看问题,假设一台公交车发布3路实时视频流,共有1000台公交车,那实时视频流就多达3000路,如此庞大的视频数据,有谁全程监看?光靠人力监看明显不能满足要求,于是又催生了智能分析技术,但目前仅能做到超速报警、语音报站、人数统计、人像比对等简单应用,而部分应用如人流统计尚未能满足需求,其它自动检测的功能就更难以实现。所以,如何实现监控系统的智能化也还需行业共勉。

结语

  随着城市化步伐的加快,城市人口还会持续激增,公交车数量也随之不断增加。虽然部分公交已完成安防建设和应用,但面对日益增多的需求及现有技术手段,仍不能满足公交安防需要,还有部分技术瓶颈需要行业的共同突破。公交安防应主动出击,不能在被动中等待,针对当前网络带宽不足、智能分析应用功能缺乏等现状,车载监控厂家应主动寻求与运营商、软件研发厂家合作,力争将公交安防应用发挥最大功效。

  另外,我国的公交安防建设呈现不平衡发展现状,大中城市建设得如火如荼,而小城市却还是一片空白,如何保持整体的平衡发展,绝非一日之功,还需各行业形成共识和探索。

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