高速公路外場視頻監控系統方案設計

孟慶祝 (北京國安電氣有限責任公司， 北京 100190)

1 概述

隨著數字技術和網絡技術的發展，高速公路交通信息的管理也正逐步向網絡化、智能化方向發展。其中，高速公路全程監控系統正日益成為高速公路日常運營管理和服務的一個重要手段，發揮著越來越重要的作用。

高速公路監控系統是通過沿線的外場設施(各類檢測、監控顯示等設備)及時、準確、完整地收集并預告前方道路的各類信息，如交通量、事故、路況等，道路使用者通過監控中心的監視(顯示)設備直觀地了解交通運行狀況。

本文高速公路案例路段全長125.3km，共10個匝道收費站和1個省界主線站，4座隧道，單洞總長為8.97km。全線采用雙向六車道高速公路標準，設計時速120km/h。由于全線路勢較平坦，沒有長上下坡及急轉彎路段，故車輛在行駛時速度快，司機容易疲勞，事故發生率較高。因全線缺少必要的外場視頻監控點，發生多起事故時存在無法及時有效監控道路的情況，不利于路政對事故及時處置。

2 系統總體架構

系統設計采用目前最先進的高清網絡監控系統解決方案，系統由前端網絡攝像機、傳輸網絡、視頻存儲與顯示、總控中心視頻管理平臺等幾部分組成，系統總體架構圖如圖1。

視頻監控系統主要利用最新的計算機處理技術(計算機圖像處理、壓縮、傳輸技術及網絡技術)，將前端的監控攝像機取得的視頻圖像信號數字化后經編碼壓縮通過網絡傳輸到總控中心，并在大屏拼接屏上顯示，同時實現集中式存儲；總控中心安裝視頻管理平臺，對監控圖像數據(實時視頻和錄像視頻)進行統一管理；各路段前端監控攝像機通過攝像機內

3 總體系統方案介紹

圖1 系統架構圖

圖2 視頻管理平臺結構圖

置定時抓拍功能，將抓拍的道路情況圖片上傳給總控中心服務器進行保存和分析。

此次新建高清數字化視頻監控系統兼容原有模擬系統，可以為綜合管理平臺提供SDK做兼容，同時滿足《高速公路數字化視頻監控技術要求》。

3.1 外場攝像機

外場攝像機為系統的前端設備，為監控人員提供實時道路狀況，同時也是事件檢測系統的信息輸入來源。

1)外場攝像機的設備選型

為實現對道路狀況的有效監控，要求攝像機能夠提供清晰、穩定的視頻圖像，并且監控人員能夠根據管理需要對道路狀況進行各方位的監控，本工程方案設計全部采用技術成熟、全球領先的高清網絡攝像機。

高速公路外場監控點每處攝像機立柱上設置2臺槍型固定攝像機分別對道路的上、下行方向進行監控。間隔2km～3km以及事故多發路段，加裝一臺云臺攝像機(采用一固定一云臺方式)。大型橋梁監控攝像機采用槍型固定攝像機。

2)外場攝像機的設置位置

根據高速公路的道路情況，本項目采用在1處外場攝像機立柱上設置2臺外場攝像機的方式，結合道路線形和太陽能采光等因素將外場攝像機立柱設置于道路兩側，橋梁監控攝像機設置于大型橋梁兩端梁底外沿，南北兩側各設置1臺攝像機。

3.2 前端監控設計

前端監控對象主要是對高速路實時監控，采用1 080P高清分辨網絡攝像機。基于網絡視頻產品所構建的數字化視頻監控系統采用POE供電可以直接連入網絡，達到即插即用的效果，省掉多種復雜的電纜，安裝方便(僅需設置一個IP地址)，用戶也無需安裝任何硬件設備，僅通過PC機用瀏覽器即可觀看，解決了前幾代系統的諸多弊端。

3.3 視頻管理平臺設計方案

3.3.1 管理平臺層級結構

管理平臺可以按數據的流向可分為四個層級：數據采集層、網絡傳輸層、數據管理層、數據應用層。

1)數據采集層

前端的數據采集層由網絡攝像機和探測設備組成，完成對監控場景中的音視頻數據和報警信號的采集。網絡攝像機通過感光元件，把光學信號轉換成視頻數字電信號后，再經過視頻壓縮技術，在網絡上傳輸。傳輸帶寬根據視頻分辨率和視頻質量決定。

2)網絡傳輸層

網絡傳輸層是指由交換機負責交換數據，前端的數字視頻信號通過網絡進行傳輸。數據傳輸層除了視頻信號外，同時也肩負著其他系統與視頻系統的數據交互，只要信息在TCP/IP網絡上傳輸，都可以進行數據交互與展示。網絡傳輸的質量，同樣也影響著后端數據處理的表現。

3)數據管理層

數據管理層是系統的核心，部署了存儲轉發服務器、集中管理服務器等設備，負責對前端視頻流的連接、存儲與轉發。存儲轉發服務器從前端獲取視頻數據，然后再進行分發，包括提供給智能分析及數據應用層的電視墻服務器、控制客戶端等應用，當多個應用同時調取一路視頻的時候，存儲轉發服務器支持組播，數據轉發的任務由交換機完成，而不會重復從前端攝像機和服務器上獲取，減少攝像機與服務器的壓力。

4)數據應用層

數據應用層包含了監控中心所有的終端應用功能，可調用數據處理層的數據進行展示，在該層部署有電視墻服務器、客戶端工作站等設備。通過信息一體化技術，除了視頻顯示外，還可以與智能分析、GIS地圖、周界報警等系統進行聯合數據展示，提高整體安防水平。

3.3.2 平臺功能特點

1)高清顯示

(1)豐富的自定義顯示模式

圖3 自定義顯示模式

為了方便監控人員調節顯示效果，客戶端模塊還提供自定義視頻框、自動分屏、全屏模式或窗口模式等功能。監控人員可以控制P/T/Z、鍵盤，通過改變變焦倍數和視角，達到對視頻場景縮小和局部放大的效果；根據具體場景和采取不同的攝像機，監控人員可以通過固定焦距和固定光圈，避免在背光、明暗對比強等業務場景中視頻所出現的虛焦、畫面過曝或欠曝等情況。而為了提高系統的可行性，客戶端模塊還可以記錄攝像機的預設位，通過預設位可以快速切換攝像機的取景范圍，如圖三所示。

(2)千萬像素高清畫面拼接顯示

支持1 080P高清視頻進行剪裁、旋轉、拼接；可對視頻進行光亮度、色彩等調節，達到畫面色彩拼接平滑的效果；跨電視墻服務器進行集群輸出，與拼接屏結合可拼接千萬像素的視頻畫面，如圖4所示。

(3)虛擬電視墻

虛擬電視墻專為電視墻大屏控制打造，用戶可通過控制臺的客戶端和可視化的操作對整個大屏進行視頻切換，輕松完成電視墻的控制，如圖5所示。

圖4 高清畫面拼接顯示

可根據實際電視墻布局對虛擬電視墻進行調整；可通過鼠標、觸摸屏進行快速控制，靈活操作；支持跨服務器視頻流切換。

圖5 虛擬電視墻

(4)碼流自適應切換

可實現同時顯示多路高清視頻。分屏顯示時采用低碼流顯示，單畫面顯示的時候自動轉為高清顯示，突出畫面細節，如圖6所示。

圖6 碼流自適應切換

2)錄像存儲及回放

(1)PB級高清存儲

本方案云存儲服務器架構，遵循云服務分布式架構，通過集群式協同工作，讓多臺服務器并行運行，從而達到資源最大化的目的，也通過這樣的方式，突破了傳統NVR單臺服務器集中運行的瓶頸。

在云存儲的架構下，存儲服務可以支持超大容量高清視頻的存儲，單個集群總容量達到5PB級別，在集群中單臺服務器支持32路1 080P和64路720P視頻數據進行存儲。并且通過分布式算法，在數據檢索時能更快、更準確的找到所需要的數據。

(2)海量數據快速檢索

錄像信息系統是一個數據量很大的系統，在事后還原事件中起到至關重要的作用。

錄像回放給事后取證、業務分析等需求提供視頻資料。相關監控人員及領導可通過時間、事件、地點、書簽等條件進行對錄像視頻和事件記錄的檢索，監控人員通過客戶端工作站查看錄像視頻時，可即時對錄像視頻或實時錄像視頻加入書簽。當檢索錄像時，便可以根據書簽進行檢索，方便錄像查看及應用。相關部門在對事件進行調查時，相關人員可以將事件的錄像和其他報警信息統一進行導出，成為還原事件的一份有力證據。

(3)錄像智能檢索回放：按時間、設備名稱、地址等為條件檢索回放

支持時間軸上疊加的動態偵測信息，快速判斷有價值的錄像片段進行檢索。

支持時間切片檢索回放：將一段完整錄像根據可自定義的時間間隔切片，并提供每一片段的第一幀為快照，快速定位。

支持插入書簽及書簽模糊檢索，可快速切換至事件發生時刻。

錄像檔案管理：系統可以將重要的事件錄像、手動檢索獲得的錄像、同類事件的錄像進行手動建檔歸類，以檔案的形式管理錄像資料。

3)高可靠平臺設計

本方案平臺為客戶提供具備高可靠7×24h運行的解決方案，支持三種高可靠機制。

危險隔離：平臺接入的視頻設備本身存有運行不穩定的隱患，有些設備也會因采購時間久遠而故障頻發，平臺采用危險隔離的機制，通過設備代理模塊接入編碼器、DVR，確保系統不會因該部分的故障而崩潰。

時至今日，傳統中國山水畫的創作者們仍然在從前輩的畫作中汲取營養，學習他們甘于平淡的藝術精神。從政治經濟環境來說，現今的社會和古代社會已發生了天壤之別，當今的山水畫作者所處的時代背景決定了他們并不會完全像古代畫家一樣去追求離塵出世。然而中國文化的內核一直未曾改變，都是以儒釋道為核心的。這一點決定了中國山水畫的藝術追求不會發生根本的轉變，隱逸山林、心生出離的基調也不會徹底改變。

冗余機制：冗余是整個高可靠設計最重要的部分，系統核心部件—集中管理服務器可采用雙機熱備，存儲轉發服務器可采用N+M冗余機制。

智能維護：系統平臺提供軟件看門狗，通過進程之間的監視，系統發生故障時自行重啟并恢復到原來的工作。

3.3.3 一體化展示

1)統一指揮

視頻管理平臺可綜合集成各監控子系統及第三方業務系統，以GIS地圖為用戶界面，作為信息呈現、操控指揮的載體，通過一體化、智能化的展示，將保安人員從大量視頻畫面的監控疲勞中解放出來，便于掌握全局的安全狀態。

(1)各種前端設備的部署與檢索

①前端設備(攝像機、門禁、報警及消防等設備)分區域、樓層部署

(2)直觀的信息集中呈現方式

①設備、區域狀態信息，警情信息直觀的視圖化展示

②可基于安全策略創建個性化周界和探測區域

③可根據現場情況(工作日/非工作日、實時戒備/人員來訪、日/夜、晴/雨/霧等天氣)調整周界或探測區域的報警等級

2)報警聯動

系統平臺可以和眾多的第三方系統聯動，如出入口控制系統、入侵防范報警系統、視頻智能分析系統、照明系統、消防系統，停車場管理系統等。

當這些第三方系統與平臺通訊時，平臺可以執行一連串的動作，如啟動錄像、抓拍圖片、彈出電子地圖、彈出某幾路視頻畫面在大屏上顯示等等。

采用模塊化設計，所有的聯動動作都具備細致的自定義功能設置，可靈活應對各種突發事件，制定不同的報警聯動策略。

3)場景監控

在GIS地圖上可直觀顯示攝像機的可視范圍和當前視角，快速查找到監控畫面。點擊所關注的場景，將立即彈出以點擊位置為中心的監控畫面。

支持在浮動窗口直接對視頻進行控制。

同一監控場景有多臺攝像機的視角重疊時可一次調用多個視頻進行查看，實現多方位監控。

圖7 場景多方位監控

3.3.4 設備運行維護

系統支持對前端設備進行狀態偵測，檢測內容包括設備是否在線，是否有視頻數據連接，云臺是否正常。可以調整服務器定時向攝像機進行這些條件的檢測。檢測完后，可以在軟件中進行保存、記錄，形成電子表格進行匯總，這樣對于使用者來說，能一目了然地知道整體系統運行情況，而不必等到出現事故時，才發現問題。除了記錄外，所有設備在客戶端上都有狀態提示，某些設備出現故障，會有標識進行提醒，客戶可以在系統使用的過程中避開這些出現故障的設備。

1)設備運行狀態監測

系統可以采用HTTP方式或PING方式對攝像機進行定期輪巡掃描，掃描間隔可設置。采用HTTP方式而非Ping方式地好處在于，Ping方式只能知道IP是否能連通，但是無法知道攝像機訪問控制是否正常，而HTTP則可以確定設備數據傳輸、訪問控制是否在正常工作。

2)設備視頻流監測

設備視頻監測主要檢測設備連通后是否有視頻流，系統在服務器端加入每個IP的流量統計，當流量在規定時間內平均值低于閥值后，發出報警信號，告知相關人員該攝像機視頻流低，可能出現異常，需要對其進行檢修。

3)數據表格統計

在有了大量檢測數據后，系統把所有數據進行匯總，然后以表格的形式表現出來。通過表格，用戶可以直觀的看到哪些攝像機是完全正常的，哪些設備是出現故障的，并且可以具體了解到是哪部分的故障。

表格統計還支持以Excel表格的形式導出，這樣可以方便用戶做設備維護統計，或在后續修復過程中，以表格的形式作為工作的依據。

3.3.5 系統統一管理

1)集中管理各站點的服務器，保障服務器穩定運行

服務器集群管理，建立一級中心平臺，集中管理各地服務器；

攝像機參數、電子地圖、輪巡策略、錄像策略、報警聯動策略等數據的集中管理、備份及恢復；

服務器自動重連、遠程重啟；

服務器斷開連接狀態報警；

看門狗遠程重啟服務器恢復運行、定期重啟以保障系統穩定；

錄像故障報警。

2)精細的用戶權限管理

每個用戶設置不同的管轄范圍；

提供常用的14種控制權限；

可精確到對每一臺攝像機擁有不同的控制權限；角色權限可繼承，便于快速添加用戶。

3.3.6 模數兩套系統無縫整合

隨著新的高清網絡監控系統的建設，用戶面臨著如何把原有模擬視頻監控系統(以模擬矩陣為中心)融入到網絡監控系統中去的問題，本方案中的視頻管理平臺提供的模數視頻監控整合方案可以完美地集成原有模擬監控系統到現有網絡視頻監控系統中去。

平臺的客戶端軟件(E-Client)內置模擬矩陣控制模塊，支持多種模擬矩陣控制協議的接入(比如Pelco模擬矩陣控制協議)，當操控員需要調用某一路模擬系統的視頻時，可通過串行接口或以太網接口方式發送控制指令到模擬矩陣或模擬矩陣控制器。只需再增加若干臺視頻編碼器，將模擬矩陣的視頻輸出接口與視頻編碼器的視頻輸入接口連接，客戶端所調用的視頻通過編碼器進行編碼壓縮后傳輸至監控平臺，這樣就可以在網絡視頻監控系統中直接調用模擬系統的視頻了。

方案示意圖如圖8。

3.4 網絡傳輸設計方案

圖8 模數系統整合方案示意圖

數字視頻系統基于獨立監控網絡，即：實現“前端百兆接入，千兆匯聚”的先進高速網絡。該網絡可快速、安全、穩定的傳輸所有監控信息，系統基于3層網絡傳輸，采用生成樹協議提供鏈路冗余。

1)網絡結構

為了保證單點故障不引起大面積功能喪失，本視頻監控系統整體網絡設架構設計為冗余架構，包括接入交換層、匯聚層和核心層的星型結構；

本次所有視頻監控點的信號均采用光纖進行傳輸，配備光端機，并選用單口POE供電模塊，為攝像機供電，光端機和POE供電模塊就近安裝于前端設備箱；節點帶有光保護功能，每臺發射機之間可相互替換，當其中一個節點遠端機發生故障時，不影響后續節點圖像的正常傳輸。

2)帶寬計算

網絡視頻監控基于寬帶網絡傳輸視頻流，其所占用的帶寬與所使用的圖像壓縮格式、圖像分辨率、圖像壓縮率以及圖像內容密切相關。IP攝像機在所有分辨率條件(1080P，1080i，720P等)下均可達到每秒25幀(或更高)的傳輸速率，每臺設備所占用的帶寬資源位于幾十K到6M之間。表1列出了中等壓縮率(壓縮率值設置為30)，全幀速(25幀每秒)條件下，單臺設備在不同分辨率和不同壓縮格式下的帶寬占用參考值：

考慮到不同的網絡應用環境，IP攝像機提供了多種帶寬管理技術，可根據用戶實際情況，自行調節設備的帶寬占用量。IP攝像機采用的H.264壓縮格式在同樣條件下，對于帶寬和存儲的占用量都比現有MPEG-4編碼方式低50%左右。

表1 單臺設備在不同分辨率及不同壓縮格式下帶寬占用參考值

3.5 存儲設計方案

本工程視頻監控系統中攝像機壓縮格式采用H.264格式，分辨率為1080P(1920X1080)，每路攝像機全實時25fps視頻流量大概為6Mbps，則每路攝像機每天所需存儲容量見表2：

表2 攝像機每天所需存儲容量

總共需要存儲計算見表3。

表3 攝像機所需存儲總量

4 結束語

隨著網絡技術、芯片技術、圖像傳感技術、圖像壓縮技術和嵌入式等技術的飛速發展，視頻監控系統也會沿著網絡化、全數字化、智能化的方向發展；高速公路的遠程網絡視頻監控系統解決方案，必將成功地應用到高速公路行業信息管理中，利用先進的科技手段提高交通管理水平，為交通規劃，交通管理，交通信息發布和交通疏導等提供重要的基礎和運行數據。

[1]張峰華，程龍飛，陸 樹 嵩.高速公路外場監控設備安裝點的選取方法[J].中國交通信息產業.2007(2).