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【摘要】：本工程通过实际工程案例，从前端、传输、管理、存储、显示以及软件平台等方面，探讨了数字视频安防监控系统的设计方法。
【关键词】：数字视频安防监控系统高清摄像机存储带宽
一、 概述
某数据中心工程建筑面积65245㎡ ，地上4层，层高20.9m，按TIA-942中三级数据中心进行建设。
根据 “电子信息系统机房应设置环境和设备监控系统及安全防范系统”和“安全防范系统宜由视频安防监控系统、入侵报警系统和出入口控制系统组成” [1]，本工程设置视频安防监控系统。
又根据 “视频安防监控系统录制内容应为数字格式[2]”，本工程视频安防监控系统采用数字视频安防监控系统。
二、 系统方案设计
1、 系统架构
系统由前端设备、传输网络、管理系统、存储系统以及显示系统五部分组成。
2、 前端设计
本工程监控的地点主要分布在园区、楼梯间、机房门口、公共走廊、电梯轿厢等区域。根据不同区域物理环境的特点，选用摄像机结果如下：
园区采用室外一体化快球网络摄像机（高清），具备日夜转换、宽动态及背光补偿功能以便适应室外不同的天气情况，同时选用多预制位、可巡航轨迹产品增强摄像机报警联动功能。考虑到工程所在地的气候环境，室外一体化快球网络摄像机内配备加热器及散热风扇，这样就增加了摄像机的实际功耗。为了保证摄像机的工作效果，设计采用单独供电方式。
电梯轿厢由于安装位置及传输线路外界干扰大的原因，采用电梯专用摄像机（标清、模拟）配合视频编码器方案，单独供电。
其余室内摄像机采用枪式或半球网络摄像机，为节省布线施工工作连，室内摄像机采用POE供电模式。
本工程共设置室内固定枪式网络摄像机（标清）208台，室内固定枪式网络摄像机（高清）174台，室外一体化快球网络摄像机（高清）36台，室内固定半球网络摄像机（高清）4台，电梯专用摄像机（标清，模拟）4台，总计426台摄像机。
3、 传输设计
3.1 带宽计算
系统采用高效的双码流技术，一路单播存储码流，一路组播显示码流。
实时观看视频数据流为组播码流，只有在客户终端设备请求调看图像时，编码器才发送实时观看视频流，并且在多个用户同时调看同一个码流时，该码流在网上只占用1路的带宽。
存储视频数据流为单播码流，即每台摄像机均同时上送视频数据流到视频存储服务器进行实时存储，所以存储码流占用了大量的网络带宽，在设计方案中需要着重考虑。
下面以高清摄像机为例计算带宽：
每路视频实时观看码流（在图像分辨率为720P，25帧/秒时）＝2.9M(实时观看视频数据流，高码流1)+0.75M（实时观看视频数据流，低码流2）＋1M（其他数据流）＝4.65M
每路视频存储码流（分辨率为720P，25帧/S时）＝2.9M
每路视频占用端口带宽＝实时观看码流+存储视频数据流＝7.55M
在存储单元存储交替瞬间，会产生两个单播存储码流。因此，单路高清摄像机极端峰值码流为7.55M+2.9M=10.45M
同理单路标清摄像机极端峰值码流为7.5M。
3.2传输网络架构设计
考虑到数字视频安防监控系统的数据流具有带宽占用率高、流量恒定、延时要求严格等特点，对该系统进行单独组网，网络拓扑采用二层架构，分为核心、接入层两层。
接入层由部署在各弱电间的接入交换机组成，建筑物每楼层设置4个弱电间，每个配线间内配置1台接入交换机，平均每臺负责25个网络摄像机左右，按15台高清摄像机、10台标清摄像机考虑，需要背板带宽为15×10.45+10×7.5=231.75M。接入交换机背板带宽选择千兆，利用率为25%。
核心层由2台万兆核心交换机组成冗余核心，为接入层交换机提供汇聚接口，对各网段的数据提供路由交换，同时还负责为各系统服务器提供网络接入。需要背板带宽极限值为214×10.45+212×7.5=3826.3M，利用率在40%左右。
3.3水平传输设计
室内网络摄像机直接用六类UTP电缆传至弱电间内接入层交换机；
室外摄像机园距离接入交换机超出网络线缆100米的传输距离，本工程利用光收发器通过光缆将视频传至接入交换机；
电梯摄像机需要使用扁型加抗拉钢丝电梯专用线缆，沿电梯控制线绑附至电梯轿厢安装位置，或在制作电梯控制线扁带时一起做到扁带中。最终通过同轴电缆将视频送至就近弱电间内，经由视频编码器压缩转换，接入交换机。
3.4垂直传输设计
核心层和接入层之间采用单模光纤互联，每个弱电间内的接入交换机，分别通过两条光纤线路连接到两台核心层交换机上。
4、 存储设计
4.1存储架构及可靠性计算
存储是整个系统的重点，是录像回放、查询、事后取证的关键所在，本工程采用IPSAN存储网络架构，采用RAID5、6备1方式，系统可靠性达到99.8%。
4.2 存储容量计算
按照业内对H264编码格式的通用计算方法，D1标清视频流为2Mbps。720P高清视频流为4Mbps，数据容量=码流×存储时间×监控路数，本工程图像存储时间按40天设计，需要的视频存储有效容量计算方法如下
4.2.1标清摄像机
有效容量=2Mbps×40天×212路=2×40×24×3600×212=1465344000Mb
合计175TB
4.2.2高清摄像机
有效容量=4Mbps×40天×214路=4×40×24×3600×214=2958336000Mb
合计353TB
因此，本次项目总的有效存储容量为175+353=528TB
有效存储需用占用2TB硬盘264块，加上RAID热备盘，共选用308块2TB硬盘。
5、 管理设计
监控中心是监控联网系统实施中心枢纽，负责管理所有监控点的视频监控、报警信息处理、监控中心用户权限、终端用户权限等级管理、系统帮助等工作。监控中心后台数据服务器保存有所有监控点的设备参数、用户管理信息、信息日志存储、应急策略联动等数据，是整套系统的大脑。
本工程在监控中心设置管理系统服务器、流媒体转发服务器、解码器、PC客户端等设备。
6、 显示设计
本项目监控中心采用18块46寸LCD监视器组成拼接显示墙系统，支持视频、RGB、网路信号在拼接显示墙上以单屏、M×N拼接、任意开窗口、任意缩放、跨屏漫游等多种方式显示，显示画面上可设置图像编号／地址、时间、日期等，文字显示支持简体中文。
三、 系统功能设计
1、 系统管理
智能管理系统管理模块，主要通过web化的图形界面为用户提供系统管理、资源管理、业务管理和事件管理的功能。
2、 用户及权限管理
系统存在两个维度用户管理，一个系统管理员层面，一个是用户操作员层面。其中用户操作员层面又可分为用户角色管理、 用户组管理和用户管理。
3、 实时图像监控
用户通过监视工具对网络所有实时视频图像进行监控、调度和管理。主要功能包括：系统管理、布局管理、轮巡管理、云台控制、音频控制、实时浏览、电视墙服务设置、录像管理。
4、 电子地图
用户通过电子地图功能可以提供了管理地图以及在地图上部署摄像机等操作的图形化平台，能够直观的展示整个系统中摄像机的空间位置信息，方便用户实时监控视频并查看告警信息。具体包括设置显示模式、设置地图、部署摄像机、实时监控视频、显示告警信息等功能。
5、 历史图像回放
用户通过点播工具对网络所有存储的历史视频图像进行检索、回放、下载、抓图和打印等功能实现。
四、 结语
数字视频安防监控系统是完全数字化的系统，它基于标准的TCP/IP协议，能够通过局域网/无线网/互联网传输，布控区域超大；它采用开放式架构，可与门禁、报警、巡更、语音、MIS等系统无缝集成；它基于嵌入式技术，性能稳定，无需专人管理。因此应该更好地研究利用该系统，为建设数据中心综合安保系统打下坚实的基础。
参考文献：
[1] 娄宇 钟景华等， [电子信息系统机房设计规范] ，北京：中国计划出版社，2009，37-38
[2] 美国电信产业协会(TIA)、TIA技术工程委员会（TR42）等， [TelecommunicationsInfrastructureStandard for Data Centers TIA-942] ，American，2005，附表8
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】：数字视频安防监控系统高清摄像机存储带宽
一、 概述
某数据中心工程建筑面积65245㎡ ，地上4层，层高20.9m，按TIA-942中三级数据中心进行建设。
根据 “电子信息系统机房应设置环境和设备监控系统及安全防范系统”和“安全防范系统宜由视频安防监控系统、入侵报警系统和出入口控制系统组成” [1]，本工程设置视频安防监控系统。
又根据 “视频安防监控系统录制内容应为数字格式[2]”，本工程视频安防监控系统采用数字视频安防监控系统。
二、 系统方案设计
1、 系统架构
系统由前端设备、传输网络、管理系统、存储系统以及显示系统五部分组成。
2、 前端设计
本工程监控的地点主要分布在园区、楼梯间、机房门口、公共走廊、电梯轿厢等区域。根据不同区域物理环境的特点，选用摄像机结果如下：
园区采用室外一体化快球网络摄像机（高清），具备日夜转换、宽动态及背光补偿功能以便适应室外不同的天气情况，同时选用多预制位、可巡航轨迹产品增强摄像机报警联动功能。考虑到工程所在地的气候环境，室外一体化快球网络摄像机内配备加热器及散热风扇，这样就增加了摄像机的实际功耗。为了保证摄像机的工作效果，设计采用单独供电方式。
电梯轿厢由于安装位置及传输线路外界干扰大的原因，采用电梯专用摄像机（标清、模拟）配合视频编码器方案，单独供电。
其余室内摄像机采用枪式或半球网络摄像机，为节省布线施工工作连，室内摄像机采用POE供电模式。
本工程共设置室内固定枪式网络摄像机（标清）208台，室内固定枪式网络摄像机（高清）174台，室外一体化快球网络摄像机（高清）36台，室内固定半球网络摄像机（高清）4台，电梯专用摄像机（标清，模拟）4台，总计426台摄像机。
3、 传输设计
3.1 带宽计算
系统采用高效的双码流技术，一路单播存储码流，一路组播显示码流。
实时观看视频数据流为组播码流，只有在客户终端设备请求调看图像时，编码器才发送实时观看视频流，并且在多个用户同时调看同一个码流时，该码流在网上只占用1路的带宽。
存储视频数据流为单播码流，即每台摄像机均同时上送视频数据流到视频存储服务器进行实时存储，所以存储码流占用了大量的网络带宽，在设计方案中需要着重考虑。
下面以高清摄像机为例计算带宽：
每路视频实时观看码流（在图像分辨率为720P，25帧/秒时）＝2.9M(实时观看视频数据流，高码流1)+0.75M（实时观看视频数据流，低码流2）＋1M（其他数据流）＝4.65M
每路视频存储码流（分辨率为720P，25帧/S时）＝2.9M
每路视频占用端口带宽＝实时观看码流+存储视频数据流＝7.55M
在存储单元存储交替瞬间，会产生两个单播存储码流。因此，单路高清摄像机极端峰值码流为7.55M+2.9M=10.45M
同理单路标清摄像机极端峰值码流为7.5M。
3.2传输网络架构设计
考虑到数字视频安防监控系统的数据流具有带宽占用率高、流量恒定、延时要求严格等特点，对该系统进行单独组网，网络拓扑采用二层架构，分为核心、接入层两层。
接入层由部署在各弱电间的接入交换机组成，建筑物每楼层设置4个弱电间，每个配线间内配置1台接入交换机，平均每臺负责25个网络摄像机左右，按15台高清摄像机、10台标清摄像机考虑，需要背板带宽为15×10.45+10×7.5=231.75M。接入交换机背板带宽选择千兆，利用率为25%。
核心层由2台万兆核心交换机组成冗余核心，为接入层交换机提供汇聚接口，对各网段的数据提供路由交换，同时还负责为各系统服务器提供网络接入。需要背板带宽极限值为214×10.45+212×7.5=3826.3M，利用率在40%左右。
3.3水平传输设计
室内网络摄像机直接用六类UTP电缆传至弱电间内接入层交换机；
室外摄像机园距离接入交换机超出网络线缆100米的传输距离，本工程利用光收发器通过光缆将视频传至接入交换机；
电梯摄像机需要使用扁型加抗拉钢丝电梯专用线缆，沿电梯控制线绑附至电梯轿厢安装位置，或在制作电梯控制线扁带时一起做到扁带中。最终通过同轴电缆将视频送至就近弱电间内，经由视频编码器压缩转换，接入交换机。
3.4垂直传输设计
核心层和接入层之间采用单模光纤互联，每个弱电间内的接入交换机，分别通过两条光纤线路连接到两台核心层交换机上。
4、 存储设计
4.1存储架构及可靠性计算
存储是整个系统的重点，是录像回放、查询、事后取证的关键所在，本工程采用IPSAN存储网络架构，采用RAID5、6备1方式，系统可靠性达到99.8%。
4.2 存储容量计算
按照业内对H264编码格式的通用计算方法，D1标清视频流为2Mbps。720P高清视频流为4Mbps，数据容量=码流×存储时间×监控路数，本工程图像存储时间按40天设计，需要的视频存储有效容量计算方法如下
4.2.1标清摄像机
有效容量=2Mbps×40天×212路=2×40×24×3600×212=1465344000Mb
合计175TB
4.2.2高清摄像机
有效容量=4Mbps×40天×214路=4×40×24×3600×214=2958336000Mb
合计353TB
因此，本次项目总的有效存储容量为175+353=528TB
有效存储需用占用2TB硬盘264块，加上RAID热备盘，共选用308块2TB硬盘。
5、 管理设计
监控中心是监控联网系统实施中心枢纽，负责管理所有监控点的视频监控、报警信息处理、监控中心用户权限、终端用户权限等级管理、系统帮助等工作。监控中心后台数据服务器保存有所有监控点的设备参数、用户管理信息、信息日志存储、应急策略联动等数据，是整套系统的大脑。
本工程在监控中心设置管理系统服务器、流媒体转发服务器、解码器、PC客户端等设备。
6、 显示设计
本项目监控中心采用18块46寸LCD监视器组成拼接显示墙系统，支持视频、RGB、网路信号在拼接显示墙上以单屏、M×N拼接、任意开窗口、任意缩放、跨屏漫游等多种方式显示，显示画面上可设置图像编号／地址、时间、日期等，文字显示支持简体中文。
三、 系统功能设计
1、 系统管理
智能管理系统管理模块，主要通过web化的图形界面为用户提供系统管理、资源管理、业务管理和事件管理的功能。
2、 用户及权限管理
系统存在两个维度用户管理，一个系统管理员层面，一个是用户操作员层面。其中用户操作员层面又可分为用户角色管理、 用户组管理和用户管理。
3、 实时图像监控
用户通过监视工具对网络所有实时视频图像进行监控、调度和管理。主要功能包括：系统管理、布局管理、轮巡管理、云台控制、音频控制、实时浏览、电视墙服务设置、录像管理。
4、 电子地图
用户通过电子地图功能可以提供了管理地图以及在地图上部署摄像机等操作的图形化平台，能够直观的展示整个系统中摄像机的空间位置信息，方便用户实时监控视频并查看告警信息。具体包括设置显示模式、设置地图、部署摄像机、实时监控视频、显示告警信息等功能。
5、 历史图像回放
用户通过点播工具对网络所有存储的历史视频图像进行检索、回放、下载、抓图和打印等功能实现。
四、 结语
数字视频安防监控系统是完全数字化的系统，它基于标准的TCP/IP协议，能够通过局域网/无线网/互联网传输，布控区域超大；它采用开放式架构，可与门禁、报警、巡更、语音、MIS等系统无缝集成；它基于嵌入式技术，性能稳定，无需专人管理。因此应该更好地研究利用该系统，为建设数据中心综合安保系统打下坚实的基础。
参考文献：
[1] 娄宇 钟景华等， [电子信息系统机房设计规范] ，北京：中国计划出版社，2009，37-38
[2] 美国电信产业协会(TIA)、TIA技术工程委员会（TR42）等， [TelecommunicationsInfrastructureStandard for Data Centers TIA-942] ，American，2005，附表8
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。