11-铁路综合视频监控系统检测技术分析.doc

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铁路综合视频监控系统检测技术分析
张文垚、，钱伟勇
（中国铁路通信信号上海电信测试中心，上海 200436）

摘 要：基于《铁路综合视频监控系统技术规范》要求，本文从专业测试的角度对铁路综合视频监控系统的各类功能和技术指标的测试内容和测试方法进行阐述，并对前期视频监控系统的测试数据和结果进行分析汇总。
关键词：铁路 综合视频监控 检测技术 分析
一、1 前言
随着综合视频监控系统在铁路系统内的逐步推广，监控系统作为铁路运输重要的安防技术手段日显其重要性。由于铁路数字综合视频监控系统涉及产品种类多，技术含量高，其中很多数字视频技术的运用具备前瞻性。铁道部针对数字视频监控系统发展情况，在2008年底以运基通信[【2008]】630号发布了《铁路综合视频监控系统技术规范（试行）》，较为详细地规定了铁路综合视频监控系统的技术要求和指标要求。并在2009年初对该试行规范组织进行了技术验证测试专项科研项目，中国铁路通信信号集团公司牵头组织由设计单位、视频集成商、测试单位、科研院校等组成科研团队，分别对视频编码产品测试、智能分析测试、系统功能、性能测试、系统互联互通测试、视频工程验收测试等方面进行研究和测试验证。并组织相关技术人员，分别对京津、合宁、广铁、青藏线已建的视频监控工程进行现场评估与测试验证。
2009年铁路视频系统验证科研项目启动至今，测试组对视频监控系统进行了多次的测试方案讨论与摸底测试。理论结合实践的方法下，铁路综合视频监控系统的测试项目与测试方法可以完全覆盖技术规范中所提到关键性的技术要求和指标要求，并逐步完善和成熟。2009年10月中旬，对几个铁路综合视频监控主流厂家的产品进行了验证测试。下面由以下几个方面来简单阐述本次测试内容，主要包括测试环境配置、测试项目、测试方法及测试结果分析等。
二、2 测试环境
视频系统测试环境配置如图1所示，依据技术规范组网要求，搭建合理的测试环境是各类测试的前提条件，确保测试方法具备实际可操作性，从而保证测试结果的准确性。
图1： 测试环境配置图
为了确保测试的一致性和公正性，本次视频系统测试环境中所涉及的摄像机、服务器、数据交换设备、存储设备、客户端PC、显示终端等由通号集团视频实验室统一提供，所有设备的技术指标完全满足技术规范所提出的要求。被测视频厂家在确认实验室提供的设备硬件配置可以满足自身系统技术要求情况下，只需提供视频编码器和视频系统软件，如实验室提供磁盘阵列存储设备的接口不兼容本厂家的系统，被测厂家可以自带磁盘阵列设备。测试硬件配置表如表1所示：。

表1 测试硬件配置表
序号
设备名称
数量
要求
1
交换机
2台
三层交换机48个GE端口以上
2
视频编码器
N台
同时满足64路4CIF存储与调用
3
视频分配器
3台
64端口以上
4
管理服务器
2台
当前主流配置符合技术规范要求
5
报警服务器
1 台
当前主流配置符合技术规范要求
6
中心集中存储服务器
1 台
当前主流配置符合技术规范要求
7
一级存储分发、转发
服务器
1 台
当前主流配置符合技术规范要求
8
二级分发、转发服务器
1 台
当前主流配置符合技术规范要求
9
三级分发、转发服务器
1 台
当前主流配置符合技术规范要求
10
监控终端
13台
当前主流配置符合技术规范要求
11
高清DVD播放器
1台
测试图案发生器
12
网络性能仿真仪
1台
网络性能仿真
13
网络协议分析仪
1台
协议分析
14
等离子显示屏
2台
图像显示
15
监视器
1台
图像显示
16
PTZ摄像机
2台
图像采集
17
环境监控设备
1台
外部触发测试
18
视频硬解码器
各厂家1台
视频输出
19
磁盘阵列
1套
实验室提供1套或厂家自备1套
表1：配置表
三、3 测试项目与测试方法简述
视频系统测试项目主要分为系统功能、系统性能、互联互通及智能分析测试四个方面，重点进行前三个测试，测试项目基本覆盖了技术规范的内容。并依据实际需求，提出了一些专项测试项目。
3.1系统功能测试
系统功能项主要测试视频图像实时监控功能、存储功能、回放功能、分发与转发、告警功能、网管功能等方面。
图像实时监控功能包括了多画面、图像切换、字符、时间同步显示、图像快捷键功能与抓拍保存功能、PTZ与预置位恢复功能、双码流输出功能、不同分辨率设置功能、自动减帧功能。测试方法主要是利用客户端工具依据功能项目要求，进行一一验证，其中自动减帧功能的测试利用网络性能仿真仪，对网络带宽进行限制后，使网络带宽小于实际应用带宽，客户端调用实时图像实现减帧播放。并利用专用码流分析软件对保存减帧后的图像文件进行分析，分析其压缩编码格式与每秒的帧数。
存储功能测试包括实时存储与条件存储功能、重要告警图像备份功能、存储策略设置、减帧存储、外部触发存储功能。测试方法依据时间、地点、事件等条件对64路视频输入源进行4CIF分辨率下的存储，并通过各类检索条件对各路存储历史图像进行检索和调用验证。其中外部触发存储功能的测试项目是依据实际需求进行验证测试，以实现合理利用存储空间的要求，适用于机房室内的视频监控。要求正常状态下对实时视频源可进行减帧存储（小于25帧/秒），当视频系统接收到外部触发信号时，系统对该路视频源进行25帧/秒存储。当外部触发信号恢复后，系统恢复对该路视频源的减帧存储。
告警功能测试包括各类告警输出功能、告警信息提示功能、告警存储功能、告警联动功能。测试方法通过对视频系统内的各类设备进行故障模拟，如掉电、断网等，在网管或维护终端侧应实时显示各类告警信息输出，告警信息应包含时间、地点、等级等内容。并用相应的告警提示如文字、声音、图像提示。
3.2系统性能测试
3.2系统性能测试项目主要包括视频网络性能、响应时延、分发与转发能力、稳定性与可靠性测试、系统图像质量评估等方面。
视频网络性能包括不同分辨率下平均网络带宽要求、网络传输特性（带宽、时延、丢包、抖动等）对图像质量与操作的影响评估。测试方法通过专用网络仿真测试仪，依据技术规范要求的数据网相关时延、丢包、抖动指标要求加入测试网络中，并对登录认证时延、实时图像调用时延、PTZ操作时延、历史图像检索时延、图像质量效果等方面进行测试。
响应时延测试包括视频实时调用响应时延、云台PTZ控制响应时延、图像间切换响应时延（同级、不同级间）、系统间联动响应时延、检索响应时延、登录认证时延、告警时延等。测试方法是使用专用网络协议分析通过上述测试项目的操作的信令流程，从发起操作动作信令消息至结果返回消息间的时间差作为时延测试值。
分发与转发性能测试包括4CIF/CIF分辨率下同一路视频分发能力、不同路视频分发能力、满负荷分发能力及三级转发能力。测试方法是通过100个仿真客户端对分辨率4CIF(702*576)下的同一路视频源或不同路视频源，经过三级转发和分发后视频流进行实时调用，实际测试分发4CIF视频流数量大于技术规范要求。
稳定性与可靠性测试包括 24小时h压力状态下系统稳定性测试、冗余设备倒换与恢复。64路4CIF的视频源在100个客户端通过三级转发后进行实时调用，同时存储服务器进行实时存储，每个客户端调用不小于4路，实时调用4CIF视频流达到300路左右。分发服务器带宽达到600Mb/s,存储服务器带宽达到130Mb/s以上，测试周期大于24小时h。在此种测试压力流量下考察视频系统内各类软硬件设备的稳定性。冗余设备的倒换与恢复测试视频系统内各类冗余服务器、磁盘阵列的可靠性，人为进行故障操作，如网络中断、电源中断的故障设备倒换至备用设备。测试客户端逐级进行登录认证，实时视频调用、录像调用的操作行为，利用网络性能分析监测倒换期间的协议调用流程，记录时间差，从而统计系统倒换时延。
系统图像质量评估主要依据技术规范中中规定的主观MOS评估方法进行评估，在图案发生器中测试图案是标准高清视频质量评估视频源，其中包括色彩与分辨率测试图像、边锯与边缘测试图像、细节处理测试图像、高速移动物体测试图像、字体显示测试图像。由10人组成图像质量评估组，其中有视频专家和普通技术人员。通过人眼观测视频系统处理后的输出图像与原始图像根据测试图案进行逐一比对测试，并按五分制进行打分，取平均值。
3.3 智能分析测试，
智能分析测试由于测试样本、测试方法、评估体系有待进一步研究，目前还不具备规范性测试的条件。本次根据工程进度要求，在总结现场运用情况下，对基于前端编码的分析与基于后端服务器的智能分析功能进行比对测试。由于条件限制，智能分析内容仅选择入侵告警分析功能。分别选择四种测试基准源 ，，目标物与背景灰度对比度符合要求情况下包括白天雪景铁轨内目标物入侵、夜间背景光干扰较多背景下铁轨内多目标物入侵、带摄像机抖动背景下的目标物入侵。其中一个测试背景如图2所示，每个测试基准源完整测试100 次，分别记录每次的触发告警时间，触发目标物的大小（触发灵敏度），整个过程中的误报次数，漏报次数，并统计误报率和漏报率。前端分析与后端分析分别进行测试，同一测试基准源的报警录像进行同时播放，验证两者之间的差异性，如第一触发告警时间、触发灵敏度、误报率、漏报率。
通过这些测试积累数据，逐渐建立和完善铁路综合视频的系统智能分析的测试规范。

图2 入侵告警基准测试源
3.4 互联互通测试
由于现阶段铁路综合视频监控各厂家的系统间并不兼容，系统内视频压缩协议、信令控制与交互访问协议各不相同。在实际运用中，同一区域节点往往存在不同厂家产品，为实现资源共享与集中维护的要求，就必须要求系统间互通。在技术规范中已明确规定了视频监控系统的通信协议，然而让各个厂家独自开发，存在一个周期问题，并且很有可能由于技术细节理解上的偏差造成错误。在视频科研项目中，要求开发一套统一的符合技术规范要求的视频互联互通网关，以解决各厂家互通问题。视频系统互联互通的网关系统如图3所示，功能单元包括：认证授权单元（AA）、接入网关单元（AGU）、目录服务单元（DSU）、信令控制单元（SCU）、数据分发单元（DDU）和视频系统代理（SA）。其中，AA、AGU、SCU是《铁路综合视频监控系统技术规范》中视频节点规定的功能单元，DSU、DDU和SA是根据视频系统互联互通的需要增加的功能单元。互联互通测试主要指各厂家的视频监控系统与视频网关系统间互联互通测试。功能测试内容包括视频系统内部资源的上报、网关系统内目录资源的生成、用户登录与认证、实时视频图像调用、PTZ远程控制、历史图像的检索、调用与下载、用户优先级等功能验证，并对上述操作动作的SIP通信协议和流程进行分析。性能测试内容应包括各类操作响应时延：登录认证时延、实时调用时延、检索时延、目录更新时延等。可以通过增加客户端数量的方式，实现系统间的压力测试，如并发与转发性能等。

图3： 互联互通系统
四、4 测试结果分析
2009年9月初分别对华晨、世纪瑞尔、辉煌公司的视频系统进行了摸拟测试， 2009年10月20日起正式开始了视频系统测试，验证了各类测试项目与测试方法，通过了大量的测试数据，初步得到以下结果：。
（1）各厂家视频系统的基本功能和性能可以实现和满足技术规范的要求，但有些功能不够完善，如网管故障管理功能、各类设备告警信息尚不完整，不便于维护。
（2）没有实现基于视频内容的自动减帧存储功能，基于条件的存储策略可选内容少。
（3）只有一个厂家实现了在网络性能受限情况下，实时调用的图像具备自动减帧功能。
（4）客户端登录认证过程中与管理服务器认证信息过多，造成登录时间长， 并受网络时延影响明显。
（5）基于文件存储方式图像存储技术，检索精度差。
（6）视频编码器的质量对视频系统实时图像与历史录像图像质量起到决定性作用。
（7）由于图像客观评估的测试工具受条件限制较多，对图像质量的评估应以主观评估为主，客观评估为辅助手段，以保证图像质量评估的真实有效性。
五、5 结束语
视频监控系统的检测技术应随着数字视频技术的发展和铁路内各系统实际需求变化而不断更新，使综合视频监控真正作为铁路信息化的重要组成部分，对保障铁路的安全运营，提升服务质量发挥重要作用。
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