京準電鐘：北斗授時器（GPS校時器）應用視頻監控系統

京準電鐘：北斗授時器（GPS校時器）應用視頻監控系統

set:視頻監控系統是指綜合應用視音頻監控、通信、計算機網絡等技術監視設防區域，并實時顯示、記錄現場圖像的電子系統或網絡。系統可以在非常事件突發時，及時地將疊加有時間、地點等信息內容的現場情況記錄下來，以便重放時分析調查，并作為具有法律效力的重要證據，這樣既提高了安保人員處警的準確性，也可為公安人員迅速破案提供有力證據。但視頻監控系統經常出現顯示時間不正確的問題，使系統提供的數字證據大打折扣，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。

筆者由于工作關系近四年參與了某市政府部門、企事業單位、新建居民小區等五十余個視頻監控系統的項目設計、招標評審與項目驗收。在參與的安防監控驗收項目中，經常出現視頻監控系統顯示時間不正確的問題，約占比率60%，這些不起眼的小問題使視頻監控系統提供的數字證據大打折扣，甚至不具備法律效力而無法使用。

視頻監控系統一般由前端監視設備、傳輸設備、后端存儲服務器、控制及顯示設備這五大部分組成，與時間關聯最緊密的是前端監視設備（網絡攝像頭IPC）和控制設備（網絡硬盤錄像機NVR）及數據存儲服務器，我們從前二個設備入手分析一下經常出現的顯示時間不正確的原因：

故障一：視頻監控系統顯示的時間為“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

最初計算機操作系統是32位，而時間也是用32位表示，也就是說32位能表示的最長時間是68年。最早出現的UNIX操作系統在設計時，考慮到計算機產生的年代和應用的時限，綜合設置1970年1月1日作為UNIX TIME的紀元時間（開始時間），而Java、數據庫、許多網絡設備等遵循了這一約束，所以許多設備默認時間為1970年1月1日，但也有些設備將默認時間設置為2000年1月1日。出現故障一最主要有可能是以下二個方面的原因：

1、前端監視設備問題：在很多無網絡硬盤錄像機環境中（例如家用網絡攝像頭），由于網絡線路故障等原因，或是設備處于封閉網絡（未接入Internet）中，未能和Internet中的時間服務器同步，用的是系統默認的時間。目前網絡中比較常用的時間服務器有 210.72.145.44（國家授時中心服務器 IP地址）、time.windows.com（微軟官方時間服務器）、time.nist.gov等，建議最好使用國內的時間服務器，因為國外的時間服務器因為距離遙遠，普遍存在著訪問堵塞、時間延遲大等問題，再加上DNS故障無法解析其域名的等一些網絡問題，所以并不是十分穩定。

2、網絡硬盤錄像機問題：在有網絡硬盤錄像機的環境中，除了網絡線路故障等原因未能和時間服務器同步原因外，還有可能是網絡硬盤錄像機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間仍然不能同步，那就是網絡硬盤錄像機主板的故障了，可能是主板有短路問題造成漏電現象（例如CMOS電路故障）、主板的晶體振蕩器（有的也叫時鐘晶體）壞了等，需要返廠進行維修。

故障二：視頻監控系統顯示時間和標準時間相差約十幾分鐘，各個網絡攝像頭顯示時間部分不同，最大的相差約十幾秒，如圖2所示。

圖2

對于視頻監控系統顯示時間和標準時間相差約十幾分鐘，最主要的原因是網絡攝像頭、網絡硬盤錄像機等網絡設備本身雖然集成了實時時鐘，但時鐘的計時精度有限，它取決于晶體振蕩器的準確性和穩定度，不同類型的晶體振蕩器之間的區別較大，即使同種型號的設備在不同的環境中長時間運行，也有可能發生偏差。據統計，計算機或網絡設備時間與國際標準時間偏差在1分鐘以上的占到90%以上，這是因為計算機或者設備的時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性并不是很好，調整好時間后，一般每天都有幾秒鐘的時間漂移，所以每隔一段時間之后需要校準。出現故障二相差約十幾分鐘的現象，最常用的解決方法主要有以下二種：

1、對于接入Internet的網絡攝像頭或是網絡錄像機，可以通過NTP（Network Time Protocol）協議校時對準。NTP協議是國際通行的網絡授時協議，它的原理是每隔一段時間就由客戶機向服務器發起一次時間輪詢，根據一定的濾波算法計算出服務器與客戶機之間的時間偏差以及由于網絡傳輸造成的傳播時延，來調整客戶機的本地時間，使之與服務器保持一致。對比其他校準時間的協議，NTP協議能消除網絡傳播時延造成的影響，因此能提供比較可靠的授時服務，提供時間精確度在1-50ms之間。在網絡攝像頭（如圖3所示）或硬盤錄像機配置界面（如圖4所示），通過填寫網絡時鐘服務器地址后接入Internet就可以校準時鐘。

圖3

圖4

注意：由于視頻監控網絡與Internet網絡中的NTP時間服務器之間的網絡情況復雜，設置NTP時間服務器能夠完成視頻監控網絡的時間同步，可靠性較高，但準確性欠佳，由于時延、網絡擁塞以及外部權威時鐘源地理位置等因素，也有可能出現對安防視頻監控網絡中的設備進行時鐘校對的失準。

2、如果是局域網的應用（網絡攝像頭不能接入Internet）或是專網攝像頭和網絡錄像機，必須先在網絡內部架設配置NTP時鐘服務器，再把NTP時鐘服務器的地址填入到每個網絡攝像頭或是網絡硬盤錄像機的配置界面內，才能保證時間同步。

注意：在這種情況下需要保證地本時鐘服務器的時鐘精確度，一般使用高精度的本地時鐘源需要較高的成本，也可以選擇將NTP時鐘服務器定期連接至因特網，將本地時鐘源與外部權威時鐘源進行時間同步，或是使用GPS定位校準等方式，統一用支持校時的標準協議連接設備、保障平臺和各設備符合標準協議里時鐘同步約定的遵守，在低成本的條件下保證視頻監控網絡時間同步，減少系統時鐘錯亂問題。

故障二中各個網絡攝像頭顯示時間部分不同，最大的相差約十幾秒，最主要的問題來自于網絡交換延遲。網絡攝像機視頻采集和編碼輸出需要時間，同時經過網絡攝像機編碼后的數字信號通過網絡傳輸時，根據網絡設備的帶寬容量和性能，要產生一定的網絡延遲，后端設備在接收到通過編碼后的數字信號后，也需要時間對其進行解碼。網絡攝像頭處于網絡的不同位置，受多個因素影響，各個設備的延時有可能會不同，主要取決于網絡設備例如交換機等的指標、性能、質量以及網絡架構，如果后端有解碼器，還會有解碼延時，如果預覽設備性能差，還會有預覽延時等。各個網絡攝像機和網絡錄像機的在網絡中傳輸的數據延時是肯定會有的，并且不一樣，海康威視最近生產的網絡攝像頭可以做到120ms，但是要做到無延時確實還要很長的路要走，一般0.5S左右是能夠被人接受的。

故障三：視頻監控系統顯示的時間和標準時間相差十幾個小時，各個攝像頭顯示時間部分不同，有的相差約十幾秒，有的相差十幾個小時，如圖5所示。

圖5

這個問題較為復雜，筆者分析主要可能有二方面的原因：

1、使用了不同的時區時間：網絡中使用多種型號的攝像頭，網絡攝像頭或是網絡硬盤錄像機有可能使用了不同的時區時間，有的使用的是格林威治標準時間GMT（Greenwich Mean Time），有的使用世界協調時間UTC（Coordinated Universal Time），還有的可能使用夏日節約時間DST（Daylight Saving Time），如圖6所示。在不同設備中調取不同的時間格式時，未能準確地識別或者轉換出來，所以造成了部分網絡設備之間相差十幾個小時，可以在不同的攝像頭或是硬盤錄像機配置界面中事先設置使用同一時區時間。

圖6

2、網絡攝像頭的兼容性問題：由于在同一個監控網絡中使用的多種網絡攝像頭，例如圖5中就是原有的視頻監控網絡使用華為的攝像頭，在升級改造中新增加的攝像頭使用的是大華，這些不同品牌的網絡攝像頭視頻監控網絡有的設備基于Linux、有的基于AIX、Solaris，甚至有的基于Windows平臺，這些不同品牌網絡攝像頭和不同的平臺之間存在一定的兼容性問題，或是這些終端的時區時間格式不一致，所以導致出現較大的時間誤差。

在一些需要精確時間同步的場合，如電力通訊、通信計費、分布式網絡計算、氣象預報、公安視頻偵查等，僅靠計算機或設備本身提供的時鐘信號是遠遠不夠的，所以需要各種手段來進行時間同步。

對視頻監控系統進行時間同步具有非常重要的意義，目前視頻監控系統已經進入了智能網絡視頻監控時代。在基于網絡的智能視頻監控系統中，設備在時間上的精確性與可靠性直接影響到視頻監控系統的工作效率。然而對于視頻監控系統網絡中工作的每臺設備，如果僅僅依靠操作人員手工輸入命令來修改校準時鐘顯然是不現實的，因為不僅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鐘的精確與可靠性。因此，只有通過時鐘同步技術，快速將視頻監控網絡的每臺設備進行時鐘同步，同時還可以保證精確性和可靠性。

除了上面介紹的NTP協議之外，還有一些其它的協議和技術支持視頻監控系統的時間同步：

1、在部分對時間精度要求不高的民用應用場景可以使用SNTP（Simple Network Time Protocol）協議，例如停車場管理系統，只需要秒級精確度。SNTP通過簡化NTP協議，在保證時間精確度的前提下，使得對網絡時間的開發和應用變得更加容易。SNTP主要對NTP協議涉及有關訪問安全、服務器自動遷移部分進行了縮減，它能夠與NTP協議具有互操作性，即SNTP客戶可以與NTP服務器協同工作，同樣NTP客戶也可以接收SNTP服務器發出的授時信息。在日常的使用中要注意以下事項：（1）盡量在本地局域網內部部署SNTP服務器，而不要采用Internet網上的公用SNTP服務器，因為Internet網絡的時延不確定性，服務質量得得不到保證，會對授時的精度產生很大影響；（2）SNTP客戶端對服務器的授時請求周期要大于1分鐘，以免造成SNTP服務器資源迅速消耗，而不能及時響應客戶的請求；（3）當網絡中客戶機數目大于500臺時，應該配置多臺SNTP服務器，以達到要求的授時精度，SNTP最多每秒種能同時響應500個請求，一旦超過這一數目，授時的精確度就得不到保證；（4）在需要高可靠授時的應用，最好配備多臺SNTP服務器，利用DNS系統實現負載均衡和集群。

2、為了解決封閉網絡的時鐘同步問題，網絡攝像頭等前端設備還可以采用其他的頻監控聯網標準協議來支持校時的，例如國家標準GB/T28181協議《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》規定通過SIP（Session Initiation Protocol）信令進行時鐘同步，前端設備注冊時必須按照SIP服務器消息頭Date域攜帶的時間信息來同步本機時間。此外一些安防大廠商的監控聯網自有協議里一般也具有授時接口，例如海康威視開放的設備開發包（SDK）具備授時接口，同時部分廠商的網絡硬盤攝像機也具備同IP攝像頭前端的內部時鐘同步的功能（多采用私有協議支持）。

3、還可以使用專業的時間服務器來提供時間源，有些視頻監控網絡對時間有非常嚴格的要求，例如高速公路區間測速系統、公安視頻作戰偵查系統等。國內外很多公司都推出了自己的專業時間服務器，專業時間服務器一般配置高精度、高可靠的恒溫晶振作為守時系統，從北斗或GPS衛星取得授時信號，對核心服務器及應用進行精確、可靠授時，各地所有的終端（服務器、PC、交換機、IPC、NVR等設備）可以和時間服務器同步。北斗或GPS衛星信號中所包含的時間基準同步于全球協調時（UTC），長期頻率穩定度達到銫原子鐘的水平10-13的數量級，相當于30萬年才慢1秒。以此信號做時間基準來調節本地時間，能消除由于本地時鐘精度較低引起的時間積累偏差，大大提高服務器的定時精度，同時專業時間服務器選用了專業的北斗或GPS授時接收機，收星速度快，鎖定可靠。

審核編輯 黃宇