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[摘 要]随着音视频编解码算法技术、集成电路应用技术、网络控制与传输技术、软件技术、信息存储调用技术等监控技术的快速发展，网络视频监控高清化逐渐成为主流；在煤炭行业，工业电视系统作为矿井安全生产监控的基本配置，经历了模拟视频、数字标清、网络高清几个阶段，特别是矿井工业以太网络的建立，为网络化高清视频监控奠定了传输基础。新疆准东二矿是我国设计年产能力最大的井工矿，建立覆盖全矿的高清视频监控系统将为矿井安全生产实时监控、辅助综合自动化、减少井下作业人员发挥重要作用。
本文从“全高清”的角度，分析从前端设备信号采集、传输、解码、存储到显示应用的全过程，重点分析了高清视频流对网络资源的占用以及控制方法。
[关键词]高清视频、编解器、流媒体、码流、网络存储、高清显示屏
中图分类号：X924.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
1 引言
随着现代化矿井自动化程度的提高，以高清摄像机代替人的直接监视来辅助各生产环节的自动化系统是减少井下作业人员的主要手段，特别是矿井千兆光纤环网的建立使得占用高带宽的高清视频监控得以实现。在此背景下，准东二礦规划设计了覆盖矿井地面及井下的网络化高清视频监控系统。
2 系统组成及结构
矿井全高清视频监控系统由高清摄像机、高清解码器、网络存储及视频服务器、高清切换控制矩阵、高清显示系统以及高带宽传输平台组成，其系统结构如下：
3 前端摄像及压缩编码
前端摄像机作为信号源设备是系统高清的前提，无论是经煤安认证的矿用摄像机还是地面工业摄像机，其核心是高度集成的IP高清摄像机，包括高清数字摄像单元、压缩编码单元、网络接口单元、音频和报警单元以及各种类型的护罩。
摄像单元：摄像清晰度取决于CCD和镜头，其理论值如下表，D3、D4、D5称为高清，在实际中以D4、D5为主。
压缩编码单元：在视频监控领域，主流压缩编码技术包括MPEG-x和H. 26x，目前其前沿技术为MPEG-4和H.264，高清视频信号在经过高倍压缩后才适宜IP传输，规模化应用。
网络接口单元：负责对编码器输出进行IP转换，该单元决定了摄像机接入IP网络的形式，在矿井工业以太网络中，环网节点交换机配置有百兆以太网电口（RJ45），百兆光纤以太网接口（SFP）。因此要求摄像机的输出接口与之相匹配。
准东二矿依据安全生产需求，设置高清摄像机（720P）101台，包括地面高速球机和半球机85台，井下本安高清摄像仪26台，该井下摄像仪支持级联，在保证高清信号输出的条件下最大可级联8级。
4 传输网络
矿井工业以太环网是矿井安全生产的信息基础设施，担负全矿安全生产综合自动化、安全监测、人员定位、应急广播和工业电视监控系统的信息传输。在这些系统中占用网络资源最多的是高清视频监控系统，为保证网络的可靠性，必须规划摄像机的接入方式并计算占用带宽。
准东二矿所选摄像机均为720P高清网络摄像机，采用H.264压缩编码、双码流。
理论码流与压缩编码方式、分辨率、帧率、画质等相关，而且即使都遵循H. 264压缩编码标准，各厂商也会简化细则以降低成本，因此造成看上去指标相同的产品其码流算法也不统一。根据业内通识，采用H.264压缩编码的720P高清视频，码流在2M～4M之间。
以此推算，准东二矿工业以太环网地面环最大视频码流为170Mbps～340Mbps之间（按85台摄像机计算，且靠近核心交换机的一侧处于断开状态），井下环最大码流为52Mbps～104Mbps之间（按26台井下摄像机计算，且靠近核心交换机的一侧处于断开状态）。
对于环网节点交换机，其主要用户接口传输速率为100Mbps，为保证传输性能，每个接口下接的高清摄像机数量应小于16台，保持占用端口速率小于50%。
多路高清解码器装置是网络瓶颈之一，集中连接时应连接核心交换机的千兆端口，连接百兆端口时单端口解码路数应小于16路。
视频服务器或NVR设备应采用分布式结构，采用集中存储服务时应连接核心交换机的千兆端口，否则端口流量能力无法满足要求，造成拥塞和大量丢包。
准东二矿矿井工业以太环网采用主干1000Mbit/s的光纤环网，井下布置6台节点交换机，地面布置8台节点交换机，以2台核心交换机为中心组成两个环，传输带宽满足综合传输要求。
研究测试表明，高清视频传输将对环网带来很大压力，为保证如安全监测、人员定位、自动化控制系统的可靠传输，需要对光纤环网进行监控，一方面对在环网上进行的传输应用类型进行识别，另一方面依据应用类型和IP进行流量流速配置，保证重要应用的可靠传输（如下图）。
5 高清解码
解码是从工业以太网获取信号并进行还原的过程，是压缩编码的逆向过程，是网络化视频监控关键环节，其选择的因素包括：
1）必须与前端编码协议相一致，实际工程中优先选择同一厂商的编解码装置。
2）解码清晰度与前端性能相一致，避免性能和资源的浪费。
3）与网络接口能力相适应，对于多路高清解码器而言，总码流要限制在网络接口能力的60%以下。
4）与显示系统相匹配。
准东二矿配置4套机架式8路高清解码器，其解码协议为与前端摄像机相对应的H.264，负责井下26台本安摄像仪和地面部分关键生产环节摄像机的解码。
其主要接口：
8路10/100Mbps以太网RJ45接口；
8路高清视频输出接口；
特殊情况下，该解码器可解码32路D1信号，以4分割形式集中到8路高清输出端口上。 6 视频存储与流媒体服务
矿井工业电视系统的高清信号用于实时监视的同时，进行实时存储，供网络用户浏览、历史查询、综合自动化关联应用。
1） 存储方案
在视频监控领域，存储技术包括DVR、NVR、DAS、NAS、SAN以及云存储。各存储方式依视频监控系统的规模、网络结构、应用模式不同均有采用。
在煤矿视频监控领域，网络化高清视频监控系统总体规模还比较小，应用简单，采用NVR和DAS形式的较多，随着网络摄像机数量的增多，可采用IPSAN结构。
相对于NVR和DAS，IP-SAN结构使得系统构建更灵活，视频流直接放到磁盘阵列，不通过存储服务器，提高了效率，降低了对资源的使用。IP-SAN的存储设备直接接入IP网络，存储服务器可自动寻找这些设备，将存储设备前置到分控中心以缓解主干网络的带宽压力。
准东二矿目前配置2台视频服务器和1套磁盘阵列（如右图所示），采用DAS结构完成视频存储和应用服务，可以满足目前视频数量和业务应用的需求。
2） 存储容量
存储容量的确定与视频信号的格式及码流相关，D1格式的视频码流为1. 5Mbit/s，而高清720P格式为2～3 Mbit/s，1080P格式为4～6 Mbit/s。依此计算存储容量。
准东二矿目前101路720P高清摄像机，理论容量为：
按2 M b i t / s码流计算，1路视频每天的存储需要容量为：2 / 8*3600*24=21600MB。
按保存10天计，全部存储需要20TB。
7 视频显示
视频信号的实时直观显示是矿井工业电视的基本应用，在煤矿调度控制中心，普遍通过配置大屏幕拼接墙进行显示，主要包括传统监视器拼接、DLP背投显示单元拼接、超窄边液晶显示单元拼接等。
随着前端摄像机的高清化，要求显示系统与之相匹配，以高清投影机为核心的DLP显示单元和超窄边液晶显示单元是高清拼接屏的主流。其主要指标比
随着LED光源的DLP产品面世，弥补了由于采用UDP灯泡光源造成的缺陷。与DID产品重新形成竞争关系。
DID产品以其高清晰度、高亮度和色彩饱和度得以广泛应用。
准东二矿根据安全生产监控和自动化控制的需要，配置55”超窄边液晶显示单元拼接而成5行15列的大屏幕显示系统，可以全拼接或多个局部拼接的形式满足调度控制的需要。
8 视频应用
1）集控中心大屏幕实时监视，是视频监控系统的基本应用。
2）网络客户端通过网络可监看前端实时信号和存储系统的历史信号。3）与综合自动化平台进行集成，在综合自动化操作界面上可实时查看前端视频信号。
4）与控制系统联动，根据视频信号的变化进行联动控制。
9 结束语
视频监控系统的高清化、网络化是随着信息技术快速发展出现的新应用，涵盖了视频采集、编码、传输、解码、显示、存储方面的设备和技术。本文分述了各个环节的技术及装备，避免由于某一个环节不匹配造成系统非高清。经过分析测算，可实现有计划的共享矿井光纤环网的高带宽资源。准东二矿建立基于矿井工业以太网络的高清视频监控系统，为直观调度指挥生产、辅助矿井综合自动化系统、保障生产安全奠定了基础。
参考文献
[1] 梁笃国等，网络视频监控技术与智能应用[M]，北京，人民邮电出版社，2013，23-50.[2] 汪光华，视频监控全面解析与实例分析，机械工业出版社，2012，40-60.[3] 江会晃，高清视频监控技术的应用前景分析[J]，信息系统工程，2011， 09，30-33.
[4] 焦庆春，詹德佑，网络高清視频安防监控系统安全性应对策略[J]，智能建筑，2010，（10），36-38.
[5] 田振华，IP高清摄像机的核心技术及应用前景[J]，中国安防，2012，（09），50-55.
[6] 任广杰等，高清视频监控中德若干关键技术分析[J] .电信科学，2011，（02）：125-129.
[7] 余和初.视频编解码技术标准及其发展趋势[J].中国安防，2011，（05）：41-45.
[8] 张宇辉，基于工业以太环网的控制系统关键技术研究[D]，广州，华南理工大学，2012，26-29.
本文从“全高清”的角度，分析从前端设备信号采集、传输、解码、存储到显示应用的全过程，重点分析了高清视频流对网络资源的占用以及控制方法。
[关键词]高清视频、编解器、流媒体、码流、网络存储、高清显示屏
中图分类号：X924.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
1 引言
随着现代化矿井自动化程度的提高，以高清摄像机代替人的直接监视来辅助各生产环节的自动化系统是减少井下作业人员的主要手段，特别是矿井千兆光纤环网的建立使得占用高带宽的高清视频监控得以实现。在此背景下，准东二礦规划设计了覆盖矿井地面及井下的网络化高清视频监控系统。
2 系统组成及结构
矿井全高清视频监控系统由高清摄像机、高清解码器、网络存储及视频服务器、高清切换控制矩阵、高清显示系统以及高带宽传输平台组成，其系统结构如下：
3 前端摄像及压缩编码
前端摄像机作为信号源设备是系统高清的前提，无论是经煤安认证的矿用摄像机还是地面工业摄像机，其核心是高度集成的IP高清摄像机，包括高清数字摄像单元、压缩编码单元、网络接口单元、音频和报警单元以及各种类型的护罩。
摄像单元：摄像清晰度取决于CCD和镜头，其理论值如下表，D3、D4、D5称为高清，在实际中以D4、D5为主。
压缩编码单元：在视频监控领域，主流压缩编码技术包括MPEG-x和H. 26x，目前其前沿技术为MPEG-4和H.264，高清视频信号在经过高倍压缩后才适宜IP传输，规模化应用。
网络接口单元：负责对编码器输出进行IP转换，该单元决定了摄像机接入IP网络的形式，在矿井工业以太网络中，环网节点交换机配置有百兆以太网电口（RJ45），百兆光纤以太网接口（SFP）。因此要求摄像机的输出接口与之相匹配。
准东二矿依据安全生产需求，设置高清摄像机（720P）101台，包括地面高速球机和半球机85台，井下本安高清摄像仪26台，该井下摄像仪支持级联，在保证高清信号输出的条件下最大可级联8级。
4 传输网络
矿井工业以太环网是矿井安全生产的信息基础设施，担负全矿安全生产综合自动化、安全监测、人员定位、应急广播和工业电视监控系统的信息传输。在这些系统中占用网络资源最多的是高清视频监控系统，为保证网络的可靠性，必须规划摄像机的接入方式并计算占用带宽。
准东二矿所选摄像机均为720P高清网络摄像机，采用H.264压缩编码、双码流。
理论码流与压缩编码方式、分辨率、帧率、画质等相关，而且即使都遵循H. 264压缩编码标准，各厂商也会简化细则以降低成本，因此造成看上去指标相同的产品其码流算法也不统一。根据业内通识，采用H.264压缩编码的720P高清视频，码流在2M～4M之间。
以此推算，准东二矿工业以太环网地面环最大视频码流为170Mbps～340Mbps之间（按85台摄像机计算，且靠近核心交换机的一侧处于断开状态），井下环最大码流为52Mbps～104Mbps之间（按26台井下摄像机计算，且靠近核心交换机的一侧处于断开状态）。
对于环网节点交换机，其主要用户接口传输速率为100Mbps，为保证传输性能，每个接口下接的高清摄像机数量应小于16台，保持占用端口速率小于50%。
多路高清解码器装置是网络瓶颈之一，集中连接时应连接核心交换机的千兆端口，连接百兆端口时单端口解码路数应小于16路。
视频服务器或NVR设备应采用分布式结构，采用集中存储服务时应连接核心交换机的千兆端口，否则端口流量能力无法满足要求，造成拥塞和大量丢包。
准东二矿矿井工业以太环网采用主干1000Mbit/s的光纤环网，井下布置6台节点交换机，地面布置8台节点交换机，以2台核心交换机为中心组成两个环，传输带宽满足综合传输要求。
研究测试表明，高清视频传输将对环网带来很大压力，为保证如安全监测、人员定位、自动化控制系统的可靠传输，需要对光纤环网进行监控，一方面对在环网上进行的传输应用类型进行识别，另一方面依据应用类型和IP进行流量流速配置，保证重要应用的可靠传输（如下图）。
5 高清解码
解码是从工业以太网获取信号并进行还原的过程，是压缩编码的逆向过程，是网络化视频监控关键环节，其选择的因素包括：
1）必须与前端编码协议相一致，实际工程中优先选择同一厂商的编解码装置。
2）解码清晰度与前端性能相一致，避免性能和资源的浪费。
3）与网络接口能力相适应，对于多路高清解码器而言，总码流要限制在网络接口能力的60%以下。
4）与显示系统相匹配。
准东二矿配置4套机架式8路高清解码器，其解码协议为与前端摄像机相对应的H.264，负责井下26台本安摄像仪和地面部分关键生产环节摄像机的解码。
其主要接口：
8路10/100Mbps以太网RJ45接口；
8路高清视频输出接口；
特殊情况下，该解码器可解码32路D1信号，以4分割形式集中到8路高清输出端口上。 6 视频存储与流媒体服务
矿井工业电视系统的高清信号用于实时监视的同时，进行实时存储，供网络用户浏览、历史查询、综合自动化关联应用。
1） 存储方案
在视频监控领域，存储技术包括DVR、NVR、DAS、NAS、SAN以及云存储。各存储方式依视频监控系统的规模、网络结构、应用模式不同均有采用。
在煤矿视频监控领域，网络化高清视频监控系统总体规模还比较小，应用简单，采用NVR和DAS形式的较多，随着网络摄像机数量的增多，可采用IPSAN结构。
相对于NVR和DAS，IP-SAN结构使得系统构建更灵活，视频流直接放到磁盘阵列，不通过存储服务器，提高了效率，降低了对资源的使用。IP-SAN的存储设备直接接入IP网络，存储服务器可自动寻找这些设备，将存储设备前置到分控中心以缓解主干网络的带宽压力。
准东二矿目前配置2台视频服务器和1套磁盘阵列（如右图所示），采用DAS结构完成视频存储和应用服务，可以满足目前视频数量和业务应用的需求。
2） 存储容量
存储容量的确定与视频信号的格式及码流相关，D1格式的视频码流为1. 5Mbit/s，而高清720P格式为2～3 Mbit/s，1080P格式为4～6 Mbit/s。依此计算存储容量。
准东二矿目前101路720P高清摄像机，理论容量为：
按2 M b i t / s码流计算，1路视频每天的存储需要容量为：2 / 8*3600*24=21600MB。
按保存10天计，全部存储需要20TB。
7 视频显示
视频信号的实时直观显示是矿井工业电视的基本应用，在煤矿调度控制中心，普遍通过配置大屏幕拼接墙进行显示，主要包括传统监视器拼接、DLP背投显示单元拼接、超窄边液晶显示单元拼接等。
随着前端摄像机的高清化，要求显示系统与之相匹配，以高清投影机为核心的DLP显示单元和超窄边液晶显示单元是高清拼接屏的主流。其主要指标比
随着LED光源的DLP产品面世，弥补了由于采用UDP灯泡光源造成的缺陷。与DID产品重新形成竞争关系。
DID产品以其高清晰度、高亮度和色彩饱和度得以广泛应用。
准东二矿根据安全生产监控和自动化控制的需要，配置55”超窄边液晶显示单元拼接而成5行15列的大屏幕显示系统，可以全拼接或多个局部拼接的形式满足调度控制的需要。
8 视频应用
1）集控中心大屏幕实时监视，是视频监控系统的基本应用。
2）网络客户端通过网络可监看前端实时信号和存储系统的历史信号。3）与综合自动化平台进行集成，在综合自动化操作界面上可实时查看前端视频信号。
4）与控制系统联动，根据视频信号的变化进行联动控制。
9 结束语
视频监控系统的高清化、网络化是随着信息技术快速发展出现的新应用，涵盖了视频采集、编码、传输、解码、显示、存储方面的设备和技术。本文分述了各个环节的技术及装备，避免由于某一个环节不匹配造成系统非高清。经过分析测算，可实现有计划的共享矿井光纤环网的高带宽资源。准东二矿建立基于矿井工业以太网络的高清视频监控系统，为直观调度指挥生产、辅助矿井综合自动化系统、保障生产安全奠定了基础。
参考文献
[1] 梁笃国等，网络视频监控技术与智能应用[M]，北京，人民邮电出版社，2013，23-50.[2] 汪光华，视频监控全面解析与实例分析，机械工业出版社，2012，40-60.[3] 江会晃，高清视频监控技术的应用前景分析[J]，信息系统工程，2011， 09，30-33.
[4] 焦庆春，詹德佑，网络高清視频安防监控系统安全性应对策略[J]，智能建筑，2010，（10），36-38.
[5] 田振华，IP高清摄像机的核心技术及应用前景[J]，中国安防，2012，（09），50-55.
[6] 任广杰等，高清视频监控中德若干关键技术分析[J] .电信科学，2011，（02）：125-129.
[7] 余和初.视频编解码技术标准及其发展趋势[J].中国安防，2011，（05）：41-45.
[8] 张宇辉，基于工业以太环网的控制系统关键技术研究[D]，广州，华南理工大学，2012，26-29.