京準(zhǔn)電鐘：北斗授時(shí)器（GPS校時(shí)器）應(yīng)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)

京準(zhǔn)電鐘：北斗授時(shí)器（GPS校時(shí)器）應(yīng)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)

set:視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指綜合應(yīng)用視音頻監(jiān)控、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)監(jiān)視設(shè)防區(qū)域，并實(shí)時(shí)顯示、記錄現(xiàn)場圖像的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可以在非常事件突發(fā)時(shí)，及時(shí)地將疊加有時(shí)間、地點(diǎn)等信息內(nèi)容的現(xiàn)場情況記錄下來，以便重放時(shí)分析調(diào)查，并作為具有法律效力的重要證據(jù)，這樣既提高了安保人員處警的準(zhǔn)確性，也可為公安人員迅速破案提供有力證據(jù)。但視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)顯示時(shí)間不正確的問題，使系統(tǒng)提供的數(shù)字證據(jù)大打折扣，甚至不具備法律效力而無法使用，本文從多方面分析了產(chǎn)生問題的原因并給出有效的解決途徑和方案。

筆者由于工作關(guān)系近四年參與了某市政府部門、企事業(yè)單位、新建居民小區(qū)等五十余個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、招標(biāo)評審與項(xiàng)目驗(yàn)收。在參與的安防監(jiān)控驗(yàn)收項(xiàng)目中，經(jīng)常出現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示時(shí)間不正確的問題，約占比率60%，這些不起眼的小問題使視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的數(shù)字證據(jù)大打折扣，甚至不具備法律效力而無法使用。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由前端監(jiān)視設(shè)備、傳輸設(shè)備、后端存儲服務(wù)器、控制及顯示設(shè)備這五大部分組成，與時(shí)間關(guān)聯(lián)最緊密的是前端監(jiān)視設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)攝像頭IPC）和控制設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)NVR）及數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，我們從前二個(gè)設(shè)備入手分析一下經(jīng)常出現(xiàn)的顯示時(shí)間不正確的原因：

故障一：視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示的時(shí)間為“1970年X月X日”或是“2000年X月X日”，如圖1所示左上角所示。

圖1

最初計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是32位，而時(shí)間也是用32位表示，也就是說32位能表示的最長時(shí)間是68年。最早出現(xiàn)的UNIX操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的年代和應(yīng)用的時(shí)限，綜合設(shè)置1970年1月1日作為UNIX TIME的紀(jì)元時(shí)間（開始時(shí)間），而Java、數(shù)據(jù)庫、許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等遵循了這一約束，所以許多設(shè)備默認(rèn)時(shí)間為1970年1月1日，但也有些設(shè)備將默認(rèn)時(shí)間設(shè)置為2000年1月1日。出現(xiàn)故障一最主要有可能是以下二個(gè)方面的原因：

1、前端監(jiān)視設(shè)備問題：在很多無網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)環(huán)境中（例如家用網(wǎng)絡(luò)攝像頭），由于網(wǎng)絡(luò)線路故障等原因，或是設(shè)備處于封閉網(wǎng)絡(luò)（未接入Internet）中，未能和Internet中的時(shí)間服務(wù)器同步，用的是系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)間。目前網(wǎng)絡(luò)中比較常用的時(shí)間服務(wù)器有 210.72.145.44（國家授時(shí)中心服務(wù)器 IP地址）、time.windows.com（微軟官方時(shí)間服務(wù)器）、time.nist.gov等，建議最好使用國內(nèi)的時(shí)間服務(wù)器，因?yàn)閲獾臅r(shí)間服務(wù)器因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，普遍存在著訪問堵塞、時(shí)間延遲大等問題，再加上DNS故障無法解析其域名的等一些網(wǎng)絡(luò)問題，所以并不是十分穩(wěn)定。

2、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)問題：在有網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)的環(huán)境中，除了網(wǎng)絡(luò)線路故障等原因未能和時(shí)間服務(wù)器同步原因外，還有可能是網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)主板上面的紐扣電池電量不足，正常情況下更換一塊新的電池即可解決。如果換過新電池后時(shí)間仍然不能同步，那就是網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)主板的故障了，可能是主板有短路問題造成漏電現(xiàn)象（例如CMOS電路故障）、主板的晶體振蕩器（有的也叫時(shí)鐘晶體）壞了等，需要返廠進(jìn)行維修。

故障二：視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差約十幾分鐘，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭顯示時(shí)間部分不同，最大的相差約十幾秒，如圖2所示。

圖2

對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差約十幾分鐘，最主要的原因是網(wǎng)絡(luò)攝像頭、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身雖然集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘，但時(shí)鐘的計(jì)時(shí)精度有限，它取決于晶體振蕩器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度，不同類型的晶體振蕩器之間的區(qū)別較大，即使同種型號的設(shè)備在不同的環(huán)境中長時(shí)間運(yùn)行，也有可能發(fā)生偏差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)間與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差在1分鐘以上的占到90%以上，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)或者設(shè)備的時(shí)鐘信號來源于自帶的簡單晶體振蕩器，而這種晶體振蕩器守時(shí)性并不是很好，調(diào)整好時(shí)間后，一般每天都有幾秒鐘的時(shí)間漂移，所以每隔一段時(shí)間之后需要校準(zhǔn)。出現(xiàn)故障二相差約十幾分鐘的現(xiàn)象，最常用的解決方法主要有以下二種：

1、對于接入Internet的網(wǎng)絡(luò)攝像頭或是網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)，可以通過NTP（Network Time Protocol）協(xié)議校時(shí)對準(zhǔn)。NTP協(xié)議是國際通行的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議，它的原理是每隔一段時(shí)間就由客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)起一次時(shí)間輪詢，根據(jù)一定的濾波算法計(jì)算出服務(wù)器與客戶機(jī)之間的時(shí)間偏差以及由于網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的傳播時(shí)延，來調(diào)整客戶機(jī)的本地時(shí)間，使之與服務(wù)器保持一致。對比其他校準(zhǔn)時(shí)間的協(xié)議，NTP協(xié)議能消除網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)延造成的影響，因此能提供比較可靠的授時(shí)服務(wù)，提供時(shí)間精確度在1-50ms之間。在網(wǎng)絡(luò)攝像頭（如圖3所示）或硬盤錄像機(jī)配置界面（如圖4所示），通過填寫網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器地址后接入Internet就可以校準(zhǔn)時(shí)鐘。

圖3

圖4

注意：由于視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)中的NTP時(shí)間服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，設(shè)置NTP時(shí)間服務(wù)器能夠完成視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，可靠性較高，但準(zhǔn)確性欠佳，由于時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)擁塞以及外部權(quán)威時(shí)鐘源地理位置等因素，也有可能出現(xiàn)對安防視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘校對的失準(zhǔn)。

2、如果是局域網(wǎng)的應(yīng)用（網(wǎng)絡(luò)攝像頭不能接入Internet）或是專網(wǎng)攝像頭和網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)，必須先在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部架設(shè)配置NTP時(shí)鐘服務(wù)器，再把NTP時(shí)鐘服務(wù)器的地址填入到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭或是網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)的配置界面內(nèi)，才能保證時(shí)間同步。

注意：在這種情況下需要保證地本時(shí)鐘服務(wù)器的時(shí)鐘精確度，一般使用高精度的本地時(shí)鐘源需要較高的成本，也可以選擇將NTP時(shí)鐘服務(wù)器定期連接至因特網(wǎng)，將本地時(shí)鐘源與外部權(quán)威時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)間同步，或是使用GPS定位校準(zhǔn)等方式，統(tǒng)一用支持校時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議連接設(shè)備、保障平臺和各設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議里時(shí)鐘同步約定的遵守，在低成本的條件下保證視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，減少系統(tǒng)時(shí)鐘錯(cuò)亂問題。

故障二中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭顯示時(shí)間部分不同，最大的相差約十幾秒，最主要的問題來自于網(wǎng)絡(luò)交換延遲。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻采集和編碼輸出需要時(shí)間，同時(shí)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼后的數(shù)字信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的帶寬容量和性能，要產(chǎn)生一定的網(wǎng)絡(luò)延遲，后端設(shè)備在接收到通過編碼后的數(shù)字信號后，也需要時(shí)間對其進(jìn)行解碼。網(wǎng)絡(luò)攝像頭處于網(wǎng)絡(luò)的不同位置，受多個(gè)因素影響，各個(gè)設(shè)備的延時(shí)有可能會(huì)不同，主要取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備例如交換機(jī)等的指標(biāo)、性能、質(zhì)量以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如果后端有解碼器，還會(huì)有解碼延時(shí)，如果預(yù)覽設(shè)備性能差，還會(huì)有預(yù)覽延時(shí)等。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)的在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)延時(shí)是肯定會(huì)有的，并且不一樣，海康威視最近生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以做到120ms，但是要做到無延時(shí)確實(shí)還要很長的路要走，一般0.5S左右是能夠被人接受的。

故障三：視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示的時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差十幾個(gè)小時(shí)，各個(gè)攝像頭顯示時(shí)間部分不同，有的相差約十幾秒，有的相差十幾個(gè)小時(shí)，如圖5所示。

圖5

這個(gè)問題較為復(fù)雜，筆者分析主要可能有二方面的原因：

1、使用了不同的時(shí)區(qū)時(shí)間：網(wǎng)絡(luò)中使用多種型號的攝像頭，網(wǎng)絡(luò)攝像頭或是網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)有可能使用了不同的時(shí)區(qū)時(shí)間，有的使用的是格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間GMT（Greenwich Mean Time），有的使用世界協(xié)調(diào)時(shí)間UTC（Coordinated Universal Time），還有的可能使用夏日節(jié)約時(shí)間DST（Daylight Saving Time），如圖6所示。在不同設(shè)備中調(diào)取不同的時(shí)間格式時(shí)，未能準(zhǔn)確地識別或者轉(zhuǎn)換出來，所以造成了部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間相差十幾個(gè)小時(shí)，可以在不同的攝像頭或是硬盤錄像機(jī)配置界面中事先設(shè)置使用同一時(shí)區(qū)時(shí)間。

圖6

2、網(wǎng)絡(luò)攝像頭的兼容性問題：由于在同一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中使用的多種網(wǎng)絡(luò)攝像頭，例如圖5中就是原有的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)使用華為的攝像頭，在升級改造中新增加的攝像頭使用的是大華，這些不同品牌的網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有的設(shè)備基于Linux、有的基于AIX、Solaris，甚至有的基于Windows平臺，這些不同品牌網(wǎng)絡(luò)攝像頭和不同的平臺之間存在一定的兼容性問題，或是這些終端的時(shí)區(qū)時(shí)間格式不一致，所以導(dǎo)致出現(xiàn)較大的時(shí)間誤差。

在一些需要精確時(shí)間同步的場合，如電力通訊、通信計(jì)費(fèi)、分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、氣象預(yù)報(bào)、公安視頻偵查等，僅靠計(jì)算機(jī)或設(shè)備本身提供的時(shí)鐘信號是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以需要各種手段來進(jìn)行時(shí)間同步。

對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步具有非常重要的意義，目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控時(shí)代。在基于網(wǎng)絡(luò)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)備在時(shí)間上的精確性與可靠性直接影響到視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率。然而對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中工作的每臺設(shè)備，如果僅僅依靠操作人員手工輸入命令來修改校準(zhǔn)時(shí)鐘顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)椴粌H手工輸入命令的工作量過于巨大，而且人工操作根本無法保證時(shí)鐘的精確與可靠性。因此，只有通過時(shí)鐘同步技術(shù)，快速將視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的每臺設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步，同時(shí)還可以保證精確性和可靠性。

除了上面介紹的NTP協(xié)議之外，還有一些其它的協(xié)議和技術(shù)支持視頻監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間同步：

1、在部分對時(shí)間精度要求不高的民用應(yīng)用場景可以使用SNTP（Simple Network Time Protocol）協(xié)議，例如停車場管理系統(tǒng)，只需要秒級精確度。SNTP通過簡化NTP協(xié)議，在保證時(shí)間精確度的前提下，使得對網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的開發(fā)和應(yīng)用變得更加容易。SNTP主要對NTP協(xié)議涉及有關(guān)訪問安全、服務(wù)器自動(dòng)遷移部分進(jìn)行了縮減，它能夠與NTP協(xié)議具有互操作性，即SNTP客戶可以與NTP服務(wù)器協(xié)同工作，同樣NTP客戶也可以接收SNTP服務(wù)器發(fā)出的授時(shí)信息。在日常的使用中要注意以下事項(xiàng)：（1）盡量在本地局域網(wǎng)內(nèi)部部署SNTP服務(wù)器，而不要采用Internet網(wǎng)上的公用SNTP服務(wù)器，因?yàn)镮nternet網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延不確定性，服務(wù)質(zhì)量得得不到保證，會(huì)對授時(shí)的精度產(chǎn)生很大影響；（2）SNTP客戶端對服務(wù)器的授時(shí)請求周期要大于1分鐘，以免造成SNTP服務(wù)器資源迅速消耗，而不能及時(shí)響應(yīng)客戶的請求；（3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中客戶機(jī)數(shù)目大于500臺時(shí)，應(yīng)該配置多臺SNTP服務(wù)器，以達(dá)到要求的授時(shí)精度，SNTP最多每秒種能同時(shí)響應(yīng)500個(gè)請求，一旦超過這一數(shù)目，授時(shí)的精確度就得不到保證；（4）在需要高可靠授時(shí)的應(yīng)用，最好配備多臺SNTP服務(wù)器，利用DNS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和集群。

2、為了解決封閉網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步問題，網(wǎng)絡(luò)攝像頭等前端設(shè)備還可以采用其他的頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來支持校時(shí)的，例如國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28181協(xié)議《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》規(guī)定通過SIP（Session Initiation Protocol）信令進(jìn)行時(shí)鐘同步，前端設(shè)備注冊時(shí)必須按照SIP服務(wù)器消息頭Date域攜帶的時(shí)間信息來同步本機(jī)時(shí)間。此外一些安防大廠商的監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)自有協(xié)議里一般也具有授時(shí)接口，例如海康威視開放的設(shè)備開發(fā)包（SDK）具備授時(shí)接口，同時(shí)部分廠商的網(wǎng)絡(luò)硬盤攝像機(jī)也具備同IP攝像頭前端的內(nèi)部時(shí)鐘同步的功能（多采用私有協(xié)議支持）。

3、還可以使用專業(yè)的時(shí)間服務(wù)器來提供時(shí)間源，有些視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，例如高速公路區(qū)間測速系統(tǒng)、公安視頻作戰(zhàn)偵查系統(tǒng)等。國內(nèi)外很多公司都推出了自己的專業(yè)時(shí)間服務(wù)器，專業(yè)時(shí)間服務(wù)器一般配置高精度、高可靠的恒溫晶振作為守時(shí)系統(tǒng)，從北斗或GPS衛(wèi)星取得授時(shí)信號，對核心服務(wù)器及應(yīng)用進(jìn)行精確、可靠授時(shí)，各地所有的終端（服務(wù)器、PC、交換機(jī)、IPC、NVR等設(shè)備）可以和時(shí)間服務(wù)器同步。北斗或GPS衛(wèi)星信號中所包含的時(shí)間基準(zhǔn)同步于全球協(xié)調(diào)時(shí)（UTC），長期頻率穩(wěn)定度達(dá)到銫原子鐘的水平10-13的數(shù)量級，相當(dāng)于30萬年才慢1秒。以此信號做時(shí)間基準(zhǔn)來調(diào)節(jié)本地時(shí)間，能消除由于本地時(shí)鐘精度較低引起的時(shí)間積累偏差，大大提高服務(wù)器的定時(shí)精度，同時(shí)專業(yè)時(shí)間服務(wù)器選用了專業(yè)的北斗或GPS授時(shí)接收機(jī)，收星速度快，鎖定可靠。

審核編輯 黃宇