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城市综合管廊云浏览系统
设计说明书
目录
一、引言
1.1 编写目的
1.2 背景
1.3 编制依据
二、系统设计
2.1 需求
2.2 设计原则
2.2 系统框架
三、软件功能实现
3.1 云端功能设计
3.2编码模块设计
3.3解码模块设计
3.4 传输功能设计
3.5 手机客户端功能实现
1.1编写目的
随着我国无线通信产业的发展和数字化安全意识的提高，智能手机监控将成为数字视频监控领域无线通信技术应用的一个发展趋势。
地下综合管廊是城市的超级大动脉，它将给城市带来从内到外的活力，而地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题亦日益凸显。一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷、设施被盗等事件，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。
综合管廊建设过程当中的自动控制系统，必须要全面实现现场的无人看管的目标，自动控制系统分为很多不同的系统分别来执行，其中包括监控中心，现场管理中心，监控中心，在这些控制的过程当中用到的设备也是非常多的，例如中央监控服务器，中央控制器，数据库服务器等等。
每一个控制中心在建设的过程当中，它里面所涵盖的一些基础设备都是不一样的，因为她们要解决一些冗杂的问题，而且，针对于不同模块展开一些基础设备的建设，每一个模块都有各自的特点，每一个模块在建设的过程当中都会应用到不同的软件。
综合管廊进行自动化控制，要从各个方面进行全面监控，有效利用软件来实现监控目标。
远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集后直接送到远程计算 机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别，只是数据传输间隔比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进进了集成单元阶段，然后各个治理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网（Internet。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进进了集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。远程控制所实现的功能如下：采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产职员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况；监视功能：将检测到的实时数据、还有生产职员在生产过程中发出的指令和输进的数据进行分析、回纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储；治理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情猜测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警；控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。
1.2背景
我国改革开放以来，经济得到了快速发展，综合国力得到了大幅提升，人民的生活水平得到了极大的改善，随之而来的是市民对城市环境的要求也越来越高，这就进一步推动了政府决策层建设地下综合管廊的决心和信心。但十多年来，我国在对综合管廊的研究和实践方面还处于起步阶段，相比国外一百多年的历程，我国无论是在投资规模、建设技术、资金筹措、管理模式等方面还有很大的差距。主要体现在以下几方面： 建设规模。总体来看，国内目前已建综合管廊的规模
尚小，与西方发达国家中的规模相比还有很大差距，可以看出我国城市地下综合管廊潜在的市场规模还很大，一旦时机成熟，综合管廊就会以超常规的速度发展。另外在综合管廊的使用功能上，国外对如何满足城市各类管线的集中敷设技术研究已经很成熟，除了传统的电力、电信、自来水管线以外，还可以把燃气管道、污水管道、垃圾输送等各种设施共同布设在内。而国内对这方面的研究还刚起步，除了电力、通讯、自来水和热力管道外，其他城市管线基本还不能同时敷设在内，仅有的浦东张杨路综合管廊中的煤气管道也是单独一室分开敷设的。因此在综合功能的研究上，国内还有很长路要走。
由于智能手机终端（包括智能移动终端）的普及，通过移动终端来实时监控、监听、对讲、抓拍、录像回放等对地下管廊的操作已经成为基本需求。地下综合管廊是城市生命线走廊，收容的管线种类多样，采用现代信息技术对地下综合管廊进行管理与监控是不可或缺的手段。地下综合管廊的监控包括对运行中的管线安全状况的监测，以及对地下综合管廊内部环境的检测，避免内部环境因素对设备管线的影响及对工作人员的伤害，从已建的地下综合管廊运营状况来看，国内在研究信息化监控方面与国际水平较接近，但也有差距。
综合管廊监控与报警系统是一个综合性非常强的管控系统。各子系统之间由于技术体系不一，采用的标准各异，不仅需要考虑环境与设备监控、通信联络、地理信息等需求，还要兼顾灾难事故预警、安全防范等方面对图像监控的需求，同时还需要考虑报警、门禁等配套系统的集成以及与广播系统的联动，消除系统异构的信息孤岛问题。
1.3编制依据
本设计方案依据国家相关规定，符合下列规范要求：
《国务院办公厅关于加强城市综合管线建设管理的指导意见》（2014）27号
《城市市政综合管廊技术规范》GB50838
《密闭空间作业职业危害防护规范》GBZ/T205
《安全防范工程技术规范》GB50348
《入侵报警系统工程设计规范》GB50394
《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395
《出入口控制系统工程设计规范》GB50396
《火灾自动报警系统设计规范》GB50116
《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》GB50493
《城镇燃气设计规范》GB50028
《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058
《电子信息系统机房设计规范》GB50174
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343
《火灾自动报警系统施工及验收规范》GB 50166
《自动化仪表工程施工及质量验收规范》 GB 50093
《密闭空间作业职业危害防护规范》GBZ/T205
二、系统设计
2.1需求
1、视频管理。基于云架构视频监控存储调度管理系统，实现通过电视墙来监控、回放视频监控录像，通过手机移动终端来监控、监听、对讲、抓拍、录像回放等操作功能需求，建设一个统一管理、移动操作的智能云视频综合管廊监控系统。支持不同编码格式的监控视频接入到中心存储系统，并进行智能存储，支持实时存储备份，支持视频文件快速索引查询，支持视频按照时间段来进行回放查看。
2、数据管理。基于云架构数据分析处理系统，实现对管廊数据的实时监测、预警、报警信息监测。
3、支持在不同网络条件下的终端操作。不同的手持终端，在不同网络带宽的条件下通过后台系统的智能处理，实现包括移动端与摄像头的P2P操作、转发链接操作。
4、视频输出、多终端和多操作支持。数字网络化监控将成为管廊监控系统的主流，智能化是安防技术发展的目标。在大规模视频监控系统中，由于显示屏数量大，长期观察监控视频容易引起工作人员疲劳。解决以上问题的一个最有效的方法就是对监控视频输出支持多终端和多操作，特别是对智能手机等移动终端的支持，设计视频流出口为流媒体服务器提供标准的RTSP流媒体对外接口，以支持多终端监控，包括电视墙、PC、移动终端等等，支持通过移动终端来实时监控、监听、对讲、抓拍、录像回放等多种操作。
2.2 系统设计原则
1、可靠性
系统应确保管廊数据获取、融合、传输等过程的可靠性。其中，感知数据是管廊各项应用的基础和判别依据，可靠的数据获取、融合和传输是保证管廊功能正常运行的基础。
2、可扩展性
系统应能够动态调节，为不同网络应用提供可扩展性，包括网络拓扑结构可扩展、服务内容可扩展等。
3、兼容性和易维护性
系统的软、硬件采用模块化、组态化设计，可以方便地进行容量的扩充和功能的维护升级。同时，系统建设基于Labview面向对象件设置开放性网络接口，可实现将监测信息上传至监控中心和各级主管部门、单位。
4、安全性
监控与报警系统的安全标准要特别保护用户的信息隐私，为各政府部门、单位提供不同安全级别的网络应用。
2.3总体框架
城市综合管廊云浏览系统主要由五个模块组成：通讯系统、存储服务子系统、云P2P服务子系统、云转发服务子系统、客户端管理/WEB服务子系统。
云存储服务子系统： 前端摄像机设备在后台系统的调度下进行信息采集编码，并通过网络传输传输给存处理服务器和处理服务器，存储系统对视频进行分段、压缩、存储、建立索引，并进行备份；使用云存储，提供统一的存储资源池，用以存储关键数据，提供历史视频的回看以及相关数据的下载服务。
客户端管理/WEB服务子系统: 平台的核心控制部分，实现了与客户端的信令交互、通过调度系统来调度云P2P处理服务或云转发处理服务来实现移动端对监控前端的操作和视频回放等操作；用户管理功能：根据用户信息表，管理用户登录、用户的权限，可以管理用户信息、增删用户等；提供客户端的下载、更新、版本管理等，支持windows、linux、ios、android等主流操作系统，提供B/S架构客户端等，实现与用户的直接交互；根据摄像机和用户的权限，管理当前用户所能涉及的前端设备状态、节点运行状态，并进行实时的更新。
云P2P服务子系统： 实现前端摄像机和移动端、PC端的视频监控P2P，用户可以通过电脑 ( Windows )和智能手机 ( Android 和 iPhone, iPad ) 来监控操作摄像头，实现实时监控直播，云P2P服务子系统可以通过增加服务器来实现在线扩容。
云转发服务子系统： 当网络带宽不够或网络不稳定时，可以通过云转发服务子系统来实现电脑 ( Windows )和智能手机 ( Android 和 iPhone, iPad ) 监控操作摄像头，实现监控准直播、监听、对讲、抓拍、录像回放等多种操作
三、软件功能实现
3.1 云端功能实现
云概念是基于“云计算”技术，实现各种终端设备之间的互联互通。用户享受的所有资源、所有应用程序全部都由一个存储和运算能力超强的云端后台来提供。云视频监控系统功能架构把云分为两部分：一是WEB负责接入、管理；二是P2P服务负责点与点之间的连接协助，即云管理系统负责设备的接入、管理；APP/UC负责p2p服务点与点之间的连接。
设备请求登录云服务器；设备向云服务器请求建立连接；通道建立传输数据。
3.2 编码模块设计
数字视频编码标准主要由两个标准化组织制定。一个是由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)组建的活动图像专家组(MPGE)，另一个是国际电信联盟电信标准局(ITU-T)的视频编码专家组(VCEG)。MPEG制定的视频编码标准有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4。ITU一T制定的视频编码标准有H.261和H.263。 为了促进下一代多媒体通信的应用， MPEG和VCEG共同成立了联合视频工作组(JVT)，共同开发了视频编码标准H.264。目前，H.264是最先进的视频编码标准。 H.264视频编码标准是目前最新的技术，虽然H.264遵循了原来压缩标准的架构，但是H.264具有一些新的特性，如可变块大小运动补偿，帧内预测编码，多参考帧技术等，所以在性能上有了不小的提升。H.264标准分两层结构，包含网络抽象层(NAL)和视频编码层(VCL)。网络抽象层用于数据打包和传输，编码层负责视频压缩编码，这种分层结构，实现了传输和编码的分离。 由于H.264标准引入了数据分割等抗误码技术，实现了在复杂环境下的使用，可以适应不同网络的传输要求。由于采用高度复杂的实现算法，H.264是目前低码率下压缩率最高的编码标准，在带宽不稳定的无线网络上有着无法比拟的优点。
同以往的编码标准，H.264标准没有明确界定的编解码(编码器/解码器的配对)，而是定义视频流的编解码方法。 H.264仍采用图像预测和变换编码相结合的编码结构。编码器采用的仍是变换和预测的混合编码法。输入的帧或场nF以宏块为单位被编码器处理。首先，按帧内或帧间预测编码的方法进行处理。如果采用帧内预测编码，其预测值 PRED(图中用P表示)是由当前片中前面己编码的参考图像经运动补偿(MC)后得出，其中参考图像用Pn一l表示。为了提高预测精度，从而提高压缩比，实际的参考图像可在过去或未来(指显示次序上)已编码解码重建和滤波的帧中进行选择。预测值PRED和当前块相减后，产生一个残差块Dn，经块变换、量化后产生一组量化后的变换系数X，再经嫡编码，与解码所需的一些边信息(如预测模式量化参数、运动矢量等)一起组成一个压缩后的码流，经NAL(网络自适应层)供传输和存储用。为了提供进一步预测用的参考图像，编码器必须有重建图像的功能。因此必须使残差图像经反量化、反变换后得到的nD'。与预测值P相加，得到unF'。(未经滤波的帧)。为了去除编码解码环路中产生的噪声，为了提高参考帧的图像质量，从而提高压缩图像性能，设置了一个环路滤波器，滤波后的输出nF'。即重建图像可用作参考图像。
3.3 解码模块设计
解码器的整体设计：
解码器的整体设计可以分成两部分，一部分是视频数据的解码部分，主要用C语言来实现，采用Android NDK+C的实现机制。另外一部分是视频的显示部分，主要采用Android提供的组件来实现，采用Android SDK+Java的实现机制。而这两部分的集合，则是通过java提供的jni机制来实现Java和C语言之间的通信。
1. 解码流程
整个解码流程可分为三个功能模块：前段码流处理、H.264解码和后段视频显示。前段码流处理：主要负责文件的读取，从码流中分隔出NAL然后交给底层进行解码处理.
H.264解码：整个解码的核心部分，通过本地C语言的实现和解码库对码流数据进行处理，完成H.264解码实现图像重建。
后端视频显示：接收H.264解码模块解码后的视频数据，在android客户端进行显示。
通过分析三个模块的功能可知，H.264解码模块是最耗费资源的。本模块通过移植的H.264解码库来实现解码。另外两个模块则在Android的java层进行实现。H.264视频标准为了更好的适应网络传输的特性，采用了分层设计的思想既视频编码层VCL和网络提取层NAL。H.264的解码部分有包括前端码流处理和H.264解码两个功能模块。其中，前端码流处理主要完成从码流中分割出NAL，这部分功能由java层实现。在java层，采用java.io.FileInputStream类来实现码流的读取。读取文件后，我们在java层从H.264码流中分割出Nal，然后交给底层的C来实现实时解码。Nal的分割可以在底层通过C来实现，但是这样多的话，就会出现问题。上层java层每次应该送多少数据给下层呢？如果一次送的太多，底层可能解码出好几帧的数据，但是通知到界面层后，只能显示一帧的数据，这样就造成了丢帧的现象。若是送的数据太少，底层就无法进行实质的解码，可能需要上层等待多次传送后，才能解码出一帧完整的数据通知上层显示。因此，综合考虑之后，决定在java完成Nal的分割。 在android的应用层中编写相应的解码代码来实现H.264的解码，并将解码后的数据传给视频显示模块。
3.4 传输模块设计
结合云浏览视频管廊监控系统对通信实现的特点，本文采用RTP，RTSP，RTCP和HTTP 协议完成视频监控系统的通信和远程控制。
流媒体传输和控制协议在应用层主要涉及到HTTP，RTSP，RTP和RTCP协议，在传输层有TCP和UDP协议。 HTTP是建立在传输控制协议(TCP)之上的超文本传输协议。TCP/IP协议是专为数据传输而设计的，能够保证传输的可靠性。流媒体的特征要求必须确保数据的实时性和同步性。ITU设计了实时传输(RTP)来解决数据传输的实时性问题。目前，流媒体解决方案主要采取RTP/UDP传输音视频和HTTP/IP传输控制信息。 RTP是在一对一或一对多的情况下针对流媒体数据流工作，不仅能够提供时间信息而且可以保证数据流的同步。通常RTP建立在UDP之上，使用UDP传输数据。RTP本身没有可靠的传送机制，其流量控制和拥塞控制是由实时传输协议(RTCP)来提供的。
流媒体传输有2种方式，一种是顺序流式传输，一种是实时流式传输。 1） 顺序流式传输 顺序流式传输就是顺序下载。用顺序流式传输方法基于标准HTTP或FTP服务器来传输文件，通常容易管理，方便用户的使用。通常不需要特殊的协议。整个下载过程是无损的，能够保证视频的高质量，但是用于网络传输速率的问题，一般需要等待较久的时间。顺序流式传输常用于对视频质量要求较高的场合，对实时性，随机访问性要求较高的场合则不适用。 2） 实时流式传输 实时流式传输能够保证信号带宽与网络连接的匹配，实现实时传送，适合现场直播，支持随机访问，用户可进行快进后退操作。实时流式传输需要传输网络协议和专用的流媒体服务器。相关的流媒体服务器如QuickTime Streaming Server，Windows Media Server等，传输网络协议有RTSP等。由于这些协议与防火墙有关，在使用时一需经过配置。系统设置，管理比顺序流式传输复杂。由于必须匹配连接带宽，在低速连接设备时或者网络拥塞时，会出现丢帧现象，导致视频质量下降。 如图2.4所示的实时传输过程，下面以实时流式传输为例简要说明流媒体传输的基本原理。 1.当某个流媒体服务被用户选择后，Web浏览器和服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息，从流媒体服务器中检索出音视频信息。 2.Web服务器从流媒体服务器取出音视频。 3. 终端上的Web浏览器启动客户端程序，使用HTTP从Web服务器检索到的相关数据对客户端程序进行初始化。 4. 客户端程序与流媒体服务器之间使用RTSP来交换传输音视频数据的控制信息。RTSP实现对流媒体服务器的远程控制，如暂停，快进，回放等 5. 客户端程序通过RTP/UDP协议从流媒体服务器接收到视频流，此时，客户端使用播放程序即可播放视频流。通过使用RTP/UDP和RTSP压CP两种不同的通信协议，能够切换服务器和不同客 户端之间的通信绑定。
3.5 手机客户端功能实现
客户监控端的硬件设备为支持TD-SCDMA/WCDMA通信协议或带有WiFi功能的智能手机。
Android 是基于Linux 开放性内核的操作系统，是Google 公司在
Android 平台显着的开放性使其拥有众多的开发者，应用日益丰富，不仅应用于智能手机，也向平板电脑、智能MP4 方面急速扩张。
Android 应用程序用Java 语言编写，每个应用程序都拥有一个独立的Dalvik 虚拟机实例，这个实例驻留在一个由Linux 内核管理的进程中。Dalvik支持Java Native Interface（JNI）编程方式，Android 应用程序可以通过JNI 调用C/ C++开发的共享库，实现“Java+C冶的编程方式。开发Android 应用程序最简捷的方式是安装Android SDK 和Eclipse IDE.
Eclipse 提供了一个丰富的Java 环境，Java 代码通过编译后，Android Developer Tools 会将它打包，用于安装。
基于Android 平台的监控客户端分别由网络通讯模块、视频解码模块以及视频显示模块等构成。其中网络通讯模块接收来自服务器的所有数据，对数据进行解析，并将视频数据存入到视频缓冲区。视频解码模块负责从视频缓冲区中读取数据并送入H. 264 解码器进行解码。最后，采用OpenGL 图形库将解码后图像绘制到屏幕上实现视频播放。