城市轨道交通闭路电视监控系统

第六章闭路电视监控系统
城市轨道交通闭路电视（CCTV）监控系统为控制中心调度管理人员、车站值班员、列车司机及站台工作人员等对所管辖车站的站厅、站台、出入口、机房等主要区域提供实时视频监控服务，以确保城市轨道交通（以下简称城轨）系统正常安全地运行。

城轨CCTV监控系统采用车站、控制中心两级互相独立的监控方式，平常以车站值班员控制为主进行视频监控，控制中心调度员可任意选择上调各车站的任一摄像头的监控画面。

在紧急情况下则转换为以控制中心调度员控制为主进行视频监控。

在一个城市有多条线路的情况下，上层的线网管理中心可以设置为线网闭路电视监控中心，根据需要调看各线路监控画面，从而形成车站、控制中心和线网管理中心的三级视频监控系统。

出于安全与事故取证要求，车站和控制中心还应具有录像功能。

第一节城轨对闭路电视监控系统的需求
城轨闭路电视监控系统是城轨运行、管理、调度的配套设备，使城轨中各工种的管理、调度人员能实时地看到现场情况，可以根据实际情况进行判断，下达调度指挥命令。

城轨CCTV监控系统可以为车站值班员提供对站厅的售票亭、自动售票机、闸机出入口、自动扶梯出入口、站台、机房等主要区域的监控；可以为列车司机和站台工作人员提供对相应站台的旅客上、下车情况；为控制中心的行车、环控、电力、公安等调度员或值班员提供对各个车站或机房的监控点画面。

控制中心调度员可根据其权限选择上调各车站摄像机的监控图像，并能对该摄像机的云台和电动镜头进行控制。

控制中心和车站的监控中心应具有
录像功能。

城轨对闭路电视监控系统的基本需求如下：
1．城轨的CCTV监控系统监控画面的质量，应达到广播级标准清晰度（标清）电视或DVD的质量标准。

车站值班人员、控制中心调度员应能对监控图像进行选择显示，以自动循环显示方式或画面分割方式调看已设置分组的图像，或调看某一监控点的图像。

2．系统可实现控制中心、车站和司机的三级监控。

三级监控应是自成系统的，控制中心应有权调看车站级的监控点图像或回放历史图像。

3．车站一级的用户包括车站值班员或/和防灾值班员，应能任意地选择、控制本车站中任意一台或是一组摄像机的图像，并切换到相应的监视器上。

4．控制中心的用户包括行车调度员、环控（防灾）调度员、电力调度员、维修调度员、公安值班人员应能选择、控制全线所有车站（含机房）内的任意一台或一组摄像机的图像，并切换在其相应的监视器上。

5．通过合理安排2～4台站台定焦摄像机的位置，给列车司机提供能观察到全站台乘客上下列车情况的监控画面，用以控制车门和屏蔽门的开闭，防止夹伤乘客。

站台摄像机无控制功能，其输出的视频信号送列车司机可以看到的站台监视器，或采用无线传输方式传至列车驾驶室的监视器上。

6．控制中心和车站的监控画面能进行选择与控制，可采用人工切换或自动扫描方式，平时循环或分割画面显示。

7．安防、门禁、烟雾等告警可与图像切换功能、摄像头控制进行联动。

即报警时，环控（防灾）调度员所监控的画面自动切换至告警点相关的摄像机画面。

若采用一体化摄像机，在安防告警时，摄像机的摄像头自动对准报
警点并自动监听现场的声音；在门禁告警时，摄像机的摄像头自动对准被非法开启的门；烟雾告警时，摄像头自动对准烟雾告警区域等。

若同时出现多处告警，则监视器循环显示事故现场。

8．各级用户的监视器是独立分设的，数量根据用户的需要而确定。

9．各个城轨车站配置有硬盘录像设备，各摄像机的监控画面均需进行自动录像，并能保存一定的时间，以备日后调看。

在控制中心亦配置有硬盘录像设备，用以录制切换到中心监视器上的图像。

控制中心行车调度员使用的监控设备具有人工/自动录像和放像的功能。

10．城轨闭路电视监控系统的车站监控区域，按上、下行站台区及站厅区（进/出口、电梯、闸机、自动售票等）划分。

11．城轨闭路电视系统目前采用CCD彩色摄像机。

分为带有云台、电动镜头的一体化摄像机和不可控制的定焦距的固定摄像机。

车站值班员或控制中心调度员可通过操作控制键盘对一体化摄像机进行遥控，控制摄像机的角度、焦距、光圈和距离。

12．车站一级视频监控系统的视频信号采用射频同轴电缆连接，控制信号采用屏蔽2芯线连接；车站至控制中心的上行视频信号和下行控制信号，通过城轨专用传输系统进行传输。

13．各监视器显示的图像上应叠加有车站名称、监控区域名称、摄像机编号以及摄像日期和时间等信息，维护人员可以更改以上信息。

14．主要设备应具有人工或自动检查功能，自动部分包括：自测试、自诊断、故障寻迹等自检功能，并可上传故障告警信息，或由控制中心集中采集检测结果。

15．设备应具有抗电磁干扰的能力。

第二节闭路电视监控系统的组成
闭路电视监控系统由摄像机（含监听头，即话筒）、控制部分、传输部分、监视器、报警部分和网管部分等六部分组成，见图6－1。

图6－1 闭路电视监控系统的组成
一、摄像机
摄像机是一种视频输入设备，在视频监控系统中所采用的摄像机分为一体化摄像机和固定摄像机两大类。

其中的一体化摄像机是受控摄像机，其摄像头安装在云台上，可以上下左右四个方向受控移动；另外摄像头上的镜头亦能受控调节焦距与光圈。

1．摄像头
摄像头的基本工作原理为，景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器的表面，然后转换为电信号。

图像传感器是一种半导体芯片，其主要部分是感光器，表面包含有几十万至几百万个光电二极管。

光电二极管在受到光照射时，产生电荷，即将光图像转换为电图像，再通过电子扫描读取各光电二极管所产生的电信号，形成模拟视频信号输出。

若是数字摄像头还需经过A/D转换和数字信号处理，形成数字视频信号输出。

（1）摄像头的组成
①光学镜头（LENS）
光学镜头由几片透镜组成，通常有塑胶镜头和玻璃镜头。

对光学设备而言，镜头很大程度上决定了画面的质量，而当前摄像头质量的瓶颈在于感光器，故镜头的因素并不凸显。

根据不同的功能需求，摄像头中可以配置有下
列几类镜头：定焦距镜头，焦距不变，只改变光圈大小；广角镜头，扩大监控范围；自动光圈、自动聚焦和电动变焦镜头，可通过旋转云台和电动变焦改变拍摄方向和目标；电动变焦距镜头，常用的变焦镜头有6倍、8倍和10倍等规格。

②感光器
感光器是摄像头的重要组成部分，半导体感光器件分为CCD和CMOS两大类。

a．CMOS感光器
CMOS感光器优点是体积小、集成度高、制造成本低和功耗较小，缺点是对光源要求较高。

主要应用于要求不高的影像产品中，例如：可视话机、摄像手机和用于网络视频通信的低档摄像头等产品。

b．CCD感光器
CCD感光器具有成像质量高、分辨率高、灵敏度高、信噪比高、动态范围宽和抗震动等优点，缺点是生产工艺要求高、制造成本高和功耗较大。

主要应用于高要求的影像产品中，例如：数码摄像机、数码相机和高性能的监控器等产品。

CCD感光器具有很宽的感光范围，其感光范围延伸到红外区域。

利用此特性，夜间若利用红外线光源照明，也可在CCD感光器上清晰地成像。

c．CMOS感光器与CCD感光器的比较
需要强调的是：CCD感光器通常需要3组以上的高压电源，而CMOS感光器只需单一低压电源（3.3 V或5 V）。

CMOS感光器生产工艺简单，可以方便地将时序控制、A/D转换、数字图像处理等周边电路与CMOS感光器集成在同一块芯片上制成单片数字摄像机。

CMOS感光器与CCD感光器相比，CMOS感光器在分辨率、光照灵敏度和信噪比等方面处于劣势，但近年来有了显着的改进。

特别是采用CMOS感光器的百万像素级的数码相机已经问世，其分辨率已超过CCTV中所使用的CCD 感光器的摄像头。

（2）摄像头的分类
目前所使用的摄像头分为：模拟摄像头、数字摄像头和网络摄像头。

有带夜视（红外线）摄像功能的摄像头，也有不带此功能的摄像头。

①模拟摄像头
模拟摄像头多数采用CCD感光器件。

此类摄像头输出的是模拟视频信号，故可通过视频电缆送视频监视器，直接显示所摄图像。

模拟摄像头要与PC 机配合工作时，需要在PC机内插入视频捕捉卡或外置视频捕捉器进行A/D 转换。

②数字摄像头
数字摄像头多数采用CMOS感光器件。

数字摄像头将模拟摄像头和视频捕捉单元结合在一起，此类摄像头输出的是经压缩编码的数字视频信号。

数字摄像头的输出可通过USB接口直接插入PC机，由该PC机显示所摄图像，或通过该PC机进入IP网络由远端的PC机显示所摄图像。

③网络摄像头
网络摄像头多数采用CCD感光器件。

网络摄像头类似于数字摄像头，其不同点在于数字摄像头输出直接连接PC机的USB接口，而网络摄像头输出直接连接计算机局域网（LAN）的以太网接口。

网络摄像头价格较高，多数用于企业的监控系统。

2．数字信号处理芯片（DSP）
数字信号处理芯片仅用于数字或网络摄像头。

该芯片对模拟视频信号进行压缩编码。

3．云台
云台是承载一体化摄像机进行水平和垂直方向（左/右、上/下）转动的装置，它可有以下几种选择：
（1）室内或室外使用的平台。

（2）不同承重的平台，可根据摄像机和防护罩的总重量来选择。

（3）几种控制方式的平台，一般有电源端口和控制端口。

4．防护罩
（1）室内防护罩：结构简单、价格低，并具有防尘、防盗、防破坏等防护作用。

（2）室外防护罩：具有降温、升温和防雨等防护功能，无论何种恶劣天气，防护罩内摄像机均能保证正常工作。

二、控制部分
闭路电视监控系统分为网络闭路电视监控系统（简称网络CCTV）和模拟闭路电视监控系统（简称模拟CCTV）。

控制部分是整个闭路电视监控系统的核心，由主控制台、副控制台与远端解码器组成。

1．主控制台（主机）
系统主控制台亦称主机，对系统中各个设备进行控制。

其主要功能为：视频信号的放大与分配、图像信号的校正和补偿、视频网络控制、图像信号的切换和分割、图像信号的记录、摄像机及其辅助部件的控制。

如图6－2所示，主控制台由视频网络控制器、视频切换器、画面分割器、帧场切换处理机、视频放大器、视频分配器、时间/日期发生器、字符叠加器、录像机等设备组成。

图6－2 控制台设备组成框图
（1）视频切换器
视频切换器亦称为视频矩阵器或视频交换设备。

若摄像头与监视器数量相等，就不需要有视频切换器，一般情况下监视器数量远少于摄像头数量，就需要配置视频切换器，对所监控的图像进行有选择性的显示。

其技术原理类似于空分电话交换机的技术原理，但视频切换器所交换的是视频信号。

图6－3为8入4出矩阵切换方式示意图，由图可见矩阵切换方式是由多条视频输入子线与多条视频输出母线构成的，所有子母线的交叉点均可由开关控制其通断。

因此，每一条视频母线都是一个“N选1”的开关排，母线上的每一个交叉点即一个开关。

在图中第3行第6列处交叉点闭合，则可将第6路视频输入信号切换到第3路输出端口上。

在上述切换方式中，在同一条母线上的各个交叉点可以按一定的顺序依次闭合（图像轮巡功能），但不可同时闭合。

图6－3 8入4出矩阵切换方式示意图
视频切换器的摄像头与监视器的集线比一般为2:1、4:1、8:1或16:1，用户可根据所配置的摄像头与监视器的数量选择视频切换器的容量与集线比。

视频切换设备可以通过本地键盘操作产生的控制信号直接调看图像，亦可利用远端键盘操作所产生的控制信号实现远程调看图像。

（2）视频网络控制器
视频网络控制器可以与一个或多个控制键盘相连接。

在有多个控制键盘相连接的情况下，该设备根据控制键盘的权限，选择输出优先级最高控制键盘的控制信号，控制视频矩阵设备选择输出图像；控制一体化摄像机的动作；控制画面分割器的分割画面数以及控制录像机的录、放像。

（3）视频分配器
如图6－4所示，视频分配器将一路视频输入信号转换为多路（1、2、4、8路）视频输出信号，而要求输出信号频响、电平、阻抗不变（例如：6 MHz 视频带宽、1V峰－峰电压、75Ω输出阻抗），故视频分配器中需要有包含有视频放大器。

另外，为了使各路输出互相隔离在每路的输出端，加入了缓冲电路。

图6－4 1分4视频分配器原理图
视频分配器的应用如图6－5所示，例如：将其输出的各路信号，分别送视频切换设备、录像机、画面分割器等。

图6－5 视频分配器的应用
（4）画面分割器
画面分割器的作用是在一台监视器上同时显示1、4、9、16个窗口的监控画面。

（5）帧、场切换处理机
帧切换处理机与场切换处理机必须与录像机配合使用，它可将由多个摄像头传来的多路视频信号以帧间隔（40 ms）或场间隔（20 ms）进行切换，相当于对多路视频输入信号进行取样，而后对这些选通取样信号编码，形成
标准的视频信号输出至录像机。

因录像机上记录的是以帧（场）为周期的时分复用的多路视频信号，故无法直接回放。

只能通过帧（场）切换处理机解复用处理后，才能任意选择其中某一路图像来回放。

图6－6为场切换处理机的某一应用示例。

图6－6 场切换处理机某一应用示例
我国国内市场上通常将帧场切换处理机与普通画面分割器，统称为画面分割器。

（6）自动顺序切换器
自动顺序切换器可对多幅图像进行轮巡，即可对全部摄像头所摄图像或预置分组的摄像头所摄图像，进行顺序显示。

若视频切换设备本身带有自动顺序切换图像的功能，则该设备可省略。

（7）录像机
模拟录像机已日趋淘汰，当前一般采用多通道（例如8、16通道）硬盘录像设备，模拟视频信号需数字化（压缩编码）后才能接入硬盘录像设备。

（8）时间/日期发生器
时间/日期发生器可以将时间/日期叠加在视频信号中，因而用户在监视器屏幕上可同时看到图像及当时的时间/日期。

特别是在发生事件后的录像回放中，可以知道事件发生的时间，为事件的处理提供了依据。

（9）字符叠加器
字符叠加器将反映图像场景特征信息或摄像头标题的字符叠加在视频信号中，因而用户在监视器的屏幕上可以看到诸如：一号车站、二号车站……一号变电站、二号变电站……等字符提示。

2．副控制台
设在一个或多个监控分点的副控制台只是一个操作键盘，采用RS－485总线连接主控制台，和主控台操作键盘的功能相同，可以对整个系统进行各种控制和操作。

3．远端解码器
远端解码器属CCTV监控系统的前端设备，一般安装在配有云台与电动镜头的前端摄像机附近，有时为了防止室外恶劣环境对设备的侵蚀，远端解码器也可安装在离摄像机不远的室内。

由控制台操作键盘产生的对摄像机及其辅助设备（云台等，亦包括视频切换、音频切换与录像设备）的编码控制信号，采用RS－485总线方式传输。

即以总线方式将控制信号送摄像机附近的解码器，在远端解码器中，若控制信号地址编码与解码器地址编码（即ID号由6～10位2进制拨码开关预置解码器的地址）一致，则该解码器将控制台送来的编码控制信号解出，成为控制摄像机及其辅助设备的控制信号。

解码器的原理框图如图6－7所示。

由图可见解码器是一个基于单片机的控制系统，解码器处理机的TXD、RXD端外接通信接口芯片，用于对主机的通信；另一方面还需在各I/O端口经电平接口芯片外接继电器或晶闸管器件，用以输出云台、电动镜头所需的控制电压或是直接输出开关信号。

图中还包括了报警检测输入及回传部分。

图6－7 解码器的原理框图
解码器与主机之间的编码通信无统一标准，故编码器与主机需要配套使用。

在实际使用中，由于解码器功能简单、成本低，因此，有些厂商专门生
产了支持多种监控系统主机的多协议解码器。

这种解码器通常有一个选择通信协议（所配合主机）的拨码开关和一个设定自身地址（ID）码的拨码开关。

两者正确设定后，该解码器即可接入系统中运行。

三、传输部分
CCTV系统的前端设备与中心端（主机）设备通过传输系统进行通信。

该系统一方面将前端摄像头、监听头、报警探测器或数据传感器捕捉到的音视频信号及各种探测数据传送到中心端；另一方面将中心端的各种控制指令传送到前端多功能解码器。

因此，CCTV的传输系统应该是双向的。

因上下行带宽不对称，故上下行传输，一般使用不同的传输介质来实现。

例如：上行用同轴电缆传送视频信号；下行用屏蔽双绞线传送控制信号。

城市轨道交通的监控系统，往往借助已有的通信传输线路或IP网络来传输控制中心与各车站之间的各种CCTV监控信号。

1．电缆直接传输
电缆直接传输是CCTV系统中最基本的传输方式。

在局域性质的闭路电视监控系统中，从前端设备到主机的距离通常在1000 m之内，故从前端设备到主机之间一般都通过电缆直接传输，从前端到主机之间所需各种电缆见图6－8。

图6－8从前端到主机之间所需各种电缆
（1）摄像头与主机之间的连接采用视频同轴电缆连接。

（2）音频头与主机之间的连接采用屏蔽双绞线连接。

（3）报警探测器需要电源为+12V、输出为开路或短路的开关信号。

报警探测器与主机之间的连接采用非屏蔽4线连接，其中2线用于上行（报警探
测器至主机）传送信号、2线用于下行（主机至报警探测器）传送电源。

（4）前端解码器与主机之间的连接采用非屏蔽2线连接，但推荐采用屏蔽2线连接。

（5）前端解码器与云台、电动镜头之间的连接采用较短的多芯电缆连接，其中全方位云台需6芯，电动可变镜头需4芯。

以上前端设备与主机设备之间均采用点对点方式连接。

为节约前端与主机问的线缆，亦可采用总线（RS－485）方式连接，即与摄像机连接的前端解码器以及与报警探测器/数据传感器连接的前端编码器与主机之间采用总线方式进行连接。

2．视频电缆
视频电缆选用75Ω的同轴电缆。

常使用型号为SYV－75－3和SYV－75－5的细缆，对视频信号无中继传输距离为300～500 m。

当传输距离更长时，可选用型号为SYV－75－7、SYV－75－9或SYV－75－12的粗缆。

在实际使用中，粗缆的无中继传输距离可达到1000 m以上。

在长距离无中继传输中，由于视频信号的高频部分衰耗增大，图像变得模糊，而当视频信号的同步头衰减到不能同步监控时，图像就无法稳定地显示了。

视频信号实际传输距离，取决于摄像头、同轴电缆和监视器的质量。

当摄像头的输出阻抗、同轴电缆的特性阻抗和监视器输入阻抗不完全匹配时，会在同轴电缆中造成反射波与入射波合成的驻波，使得同轴电缆在长距离传输时，图像会出现重影、波纹与跳动。

不同线径的同轴电缆对视频信号的衰耗程度不同，线径越粗，衰耗越小。

3．音频、通信与控制电缆
（1）音频电缆
音频电缆通常选用2芯屏蔽线，在非干扰短距离条件下亦可选用非屏蔽双绞线。

在一般应用场合下屏蔽层只作电磁屏蔽，不传送信号电流，故仅在主机侧接地；也可用于传送信号电流，如立体声传输的公共地回路。

音频电缆与设备的连接通常采用RCA连接器、卡侬连接器或杰克插头/座。

（2）通信电缆
通信电缆指的是连接解（编）码器与主机之间的电缆，用来传输RS－422/485低速电路数据。

通信电缆通常选用普通的2芯护套线，在强干扰远距离情况下，亦可选用如RVVP－2/0.15或RVVP－2/0.3的2芯屏蔽线。

通信电缆一般不需要单独的连接器，通常将线头接在电路板接线座上用螺钉固定，但也有些在主机端使用DB9型连接器或RJ－11型连接器。

（3）控制电缆
控制电缆通常指连接解码器与控制云台及电动可变镜头之间的多芯电缆。

由于控制电缆仅提供交流24 V平台驱动电压和直流6～12V的电动镜头电压，而且在一般情况下距离很短，故无需使用屏蔽线。

常用的控制电缆大多采用6芯或10芯电缆，如RVV－6/0.2、RVV－10/0.12等。

其中的6芯电缆分别接云台的上、下、左、右、自动、公共6个接线端子；10芯电缆除了接云台外，余下4芯分别接电动镜头的变倍、聚焦、光圈和公共4个接线端子。

4．光纤传输
（1）波分复用器（WDM）
对光而言，往往只提波长而不提频率，实际上波分复用器即频分复用器。

波分复用器在发端将多个光信号复用在单根光纤中传送，在收端解复用为多个光信号。

多路波分复用器价格昂贵，在CCTV系统中最常使用的是价廉的2路波分复用器。

2路波分复用器将波长为850 nm的光信号与波长为1300 nm的光信号同时在一根光纤中传输互不干扰。

利用该复用技术，可以在同一根光纤中方便地传送上行视频信号与下行控制信号。

（2）电－光转换的调制方式
①调幅方式
在调幅方式下，发送端用视频信号对光信号进行调幅，调制后输出光信号强度随输入视频信号的变化而变化；在接收端从已调光信号中解调出视频信号。

②调频方式
在调频方式下，发送端用视频信号对光脉冲信号进行调频，调制后输出光脉冲频率随输入视频信号的变化而变化；在接收端从已调光脉冲中解调出视频信号。

根据光纤传输的特点，可以在单根光纤上传送两种不同波长的光信号，而在同一波长的光信号上又可以用调幅与调频两种方式来传送调制信号，这样在单根光纤上可以传送4路调制信号。

5．基于E1通道的传输
E1通道是指传输速率为2.048 Mbit/s的PCM一次群数字通道，是公用传输网或专用传输网长距离通信系统（PCM、SDH、数字微波、HDSL）的基本传输单元。

因此在CCTV系统中可以方便地借助公网或专网的E1通道来实现远。