淺談甘肅省高速公路視頻監控系統

張禹

【摘 要】近年來，甘肅省交通運輸系統建設的蓬勃發展對促進全省乃至周邊地區的經濟發展起到了十分重要的作用。在這種態勢下，雖然甘肅省交通運輸系統運輸能力不斷提高，但仍然遠遠滿足不了持續增長的交通運行需求。同時公眾對交通運輸服務水平的要求也在不斷提高，特別是甘肅省自然災害的發生，對運用信息化、智能化手段提升現有交通運輸系統的管理、應急救援和公眾服務水平提出了更高、更迫切的要求。本技術專題類短文針對目前我省高速公路視頻監控系統面臨的問題及現狀進行探討，通過發展視頻監控系統信息化建設，提高公眾出行服務水平。

【關鍵詞】高速公路;視頻監控;通信

中圖分類號： U495 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0226-003

1 視頻監控系統帶寬需求分析

伴隨著IP網絡視頻應用的發展，高清視頻時代正式來臨。近年來，高清視頻圖像技術在高速公路廣泛應用，較大程度的提高了高速公路的管理及服務水平，為社會提供廣泛的出行公眾服務信息。由于高清視頻圖像的分辨力相當于傳統模擬視頻的4倍，其畫面清晰度與色彩還原度均需要龐大的通信帶寬作為支持。而甘肅省高速公路現有的監控網絡傳輸通道是以一路圖像配置2Mbps的傳輸帶寬進行分配的，這種分配方式滿足現有的標清視頻圖像要求，但不適用于高清視頻圖像網絡。

甘肅省高速公路監控網絡勢必會發展成為高清視頻監控網絡，在這種趨勢下，監控網絡及通信設備未來的發展方向均需滿足高清視頻圖像的傳輸需求。而根據現有的監控網絡帶寬分析，以各個收費管理所、隧道管理所為單位，每條路段平均擁有150-250路圖像，考慮到監控視頻在上傳圖像時不會同時并發，因此，監控網絡核心匯聚層承載業務的帶寬收斂比通常是5比1，也就是本地路段若有150路圖像，監控圖像并發數為30路圖像，該收斂比同樣適用于高清視頻圖像。按照1920×1080p/60Hz分辨率的高清視頻進行估算，每路圖像需要預配置10Mbps帶寬，那么所屬路段監控網絡傳輸通道的帶寬算法是：監控帶寬=圖像數×1/5×10Mbp，以150路圖像的路段為例，高清視頻監控所需通信帶寬至少為150×1/5×10Mbps=300Mbps.

而在實際應用當中，因為異地存儲的存在，該收斂比為1比1，甚至為1比2.

2 視頻監控系統現狀分析

2.1 通信帶寬分析

收費所至省中心帶寬分析

根據目前視頻監控網絡帶寬分析，監控系統以各個收費管理所劃分子網，以各個收費站的監控攝像機、外場攝像機、編碼器、解碼器、存儲設備等為基礎網絡單元，每條路段至省中心的監控總帶寬按照同時調用30路圖像進行平均計算，各路段的監控總帶寬不小于60Mbps。目前監控視頻帶寬瓶頸還不是“所-省中心”，60Mbps的帶寬在實際應用當中甚至可以傳輸數量不多的高清視頻圖像。

收費所至各收費站帶寬分析

收費管理所至收費站的帶寬大多數為通信系統“RPR以太網業務”，該類業務將在業務環內共享虛擬通道，在某站業務高峰期動態調整即時帶寬.以白蘭高速公路收費管理所為例，擁有4個站點的白蘭路環內帶寬為622M，根據RPR業務原則共享帶寬后，每個站點平均可享受到155M通信帶寬，當本路段的其他業務達到高峰期時，每個站的監控業務也可保障100Mbps帶寬。這種動態分配的帶寬在理論上是不存在帶寬瓶頸的，但在實際應用當中，卻出現圖像傳輸至分中心就出現卡頓的現象，而進行接入級通信帶寬升級也是治標不治本的方法。就算升級至2.5G通信帶寬，通過動態分配解決了卡頓問題，可是上了高清視頻圖像又當如何？還有大多數收費站看本站圖像是從收費所平臺反向取用視頻流，甚至有一路圖像視頻流在傳輸網絡中被復用了七次。出現這種問題的站點，升級通信帶寬到多少才夠用？因此，整改視頻傳輸結構，減少異地存儲，提升三層交換機背板交叉能力才是目前應該關注的重點。

2.2 網絡結構及承載業務分析

目前，甘肅省高速公路視頻監控系統是以高速公路管理局中心機房放置的H3C-S7510E及H3C-S9512E核心交換機作為總網絡匯接點，通過靜態路由與OSPF兩種方式匯聚了全省各個收費管理所的收費視頻監控業務、隧道監控、外場監控、區間測速、隧道火災報警、PLC控制信息等多種業務類型。與之配合的光傳輸通信系統為OSN7500蘭州干線設備，通過四端口千兆交換功能以太網板，匯接了全省各個收費管理所及隧道管理所視頻業務。

其網絡結構自表面看，是簡單的“省中心-收費管理所-收費站”三級聯動的星型網絡結構，但業務類型及IP地址分類混亂不堪，各種業務網絡匯集到一個大雜燴網絡當中，經常可以看到一個收費站擁有三臺，甚至三臺以上的視頻監控交換機串聯。而這些收費站在建設初期，僅有一臺網絡交換機，傳輸著單純的收費廣場監控視頻。隨著后期業務需求的增大，建設過程中為了節省通信端口資源，同時不能占用更為重要的收費網絡資源，只能將各種混雜的業務并入原監控網絡后上傳（如外場監控、隧道控制及火災報警、綜合信息平臺、區間測速等業務）。IP地址由最初規劃的10.162.X.X，到后來的10.162.X.X與10.168.X.X共存，到后來的10.162.X.X、10.168.X.X、192.168.X.X、@#$%￥共存，再到如今的“地址還是不夠用，竟然IP地址沖突”，“視頻平臺為啥兼容，網絡通的為啥上不了墻”等問題。

3 視頻監控系統存在的問題

就現在的監控網絡使用情況來看，監控網絡問題主要存在兩個方面：

3.1 網絡交換機老舊

我省目前大部分路段各個收費站分布點多線長，特別是擁有超過15車道的主線收費站，其業務總量遠遠超過普通收費站兩倍，但是使用的網絡交換機型號老舊，導致圖像上傳后卡頓。

3.2 網絡龐大且混亂

目前我省各個收費管理所及隧道管理所視頻監控業務、區間測速、情報板業務、外場監控均在同一網絡中運行，網絡中同時存在10.168.X.X地址、10.162.X.X、192.168.X.X等多個段的地址，各類業務在同一網絡中共存，互相影響，使得網絡龐大而混亂，不便于管理。

3.3 IP地址資源不夠用

視頻監控系統不同于收費系統網絡，編解碼器的數量較為龐大，最初的各站32個IP地址的網絡規劃已遠遠不能滿足目前的IP地址使用現狀，就新接入的南繞城視頻監控系統來看，一條路使用了四個規劃段的近1000個地址。因此重新規劃各路段監控IP地址，同樣需要預留1000個地址為基礎使用IP。

3.4 視頻圖像重復取用

通常我們計算一個所的帶寬需求量是按照總圖像數被同時調用的幾率作為收斂比計算的，而實際使用當中存在異地存儲時，該收斂比被打破造成了圖像的卡頓。

同時，還有大部分收費站調取本地圖像，是從遠端的收費所服務平臺調用，這就造成了一路視頻圖像在網絡中的重復調用，帶寬消耗呈幾何增長。

3.5 平臺互通問題

大華、中威、宇視、海康、蛙視等多家廠商的平臺不兼容，使用媒體網關互通，造成碼流轉換過程中圖形實時性的損耗，在此不做過多研究討論。

4 優化構想

隨著我省經濟的快速、穩定發展，國家對交通基礎設施建設的投入也不斷加大，現我省已經建成高速公路3000余公里。因此，甘肅省高速公路必須靠自身的資源和規模優勢在信息化建設中起主導作用。而由于歷史的原因，甘肅高速的信息化建設無論從投入到設計規劃都比較薄弱，和整體需求發展不相適應，從而嚴重影響了甘肅高速的信息化應用水平和管理水平的提高。其中基礎網絡的建設顯得猶為滯后，需要科學的規劃和建設。

因此，在甘肅高速范圍內建設一個統一的網絡基礎架構，為網絡信息化應用提供一個統一、安全的信息交換平臺和標準勢在必行。首先，建立統一網絡基礎架構能實現對網絡資源（用戶、計算機、數據等）的集中管理，并使管理標準化、有序化、簡單化，從而大大降低了網絡資源管理的成本。其次，建立統一網絡基礎架構可以實現對網絡資源更加安全的訪問。最后，建立統一網絡基礎架構是實現收費系統各信息應用系統運行和集成的基礎。

4.1 優化視頻傳輸結構

首先推薦使用OSPF路由協議組網。目前核心或者匯聚層設備上建立了過多的靜態路由，導致路由表過于龐大，從而影響交換機的轉發性能，因此OSPF路由協議的典型環境便很適合我省高速公路現網。

OSPF是一種分層次的路由協議，其層次中最大的實體是AS（自治系統），即遵循共同路由策略管理下的一部分網絡實體。在每個AS中，將網絡劃分為不同的區域。每個區域都有自己特定的標識號。對于主干（backbone）區域，負責在區域之間分發鏈路狀態信息。這種分層次的網絡結構是根據OSPF的實際提出來的。當網絡中自治系統非常大時，網絡拓撲數據庫的內容就更多，所以如果不分層次的話，一方面容易造成數據庫溢出，另一方面當網絡中某一鏈路狀態發生變化時，會引起整個網絡中每個節點都重新計算一遍自己的路由表，既浪費資源與時間，又會影響路由協議的性能（如聚合速度、穩定性、靈活性等）。因此，需要把自治系統劃分為多個域，每個域內部維持本域一張唯一的拓撲結構圖，且各域根據自己的拓撲圖各自計算路由，域邊界路由器把各個域的內部路由總結后在域間擴散。這樣，當網絡中的某條鏈路狀態發生變化時，此鏈路所在的域中的每個路由器重新計算本域路由表，而其它域中路由器只需修改其路由表中的相應條目而無須重新計算整個路由表，節省了計算路由表的時間。

4.2 減少異地存儲

原監控網絡中大量采用集中式存儲，即只在監控分中心建立一套監控存儲，各收費站遠程調閱。但實際實施中發現一些收費管理所一旦存在收費站多、設備使用年限較長，設備功能弱、視頻源多的情況，采用該設計技術則本地調閱視頻就會出現嚴重的視頻卡頓現象。

因此我們在今后視頻國標化建設當中應推行本地化存儲，即每一個收費站及分中心都建立一套監控存儲，各收費站及分中心本地調閱圖像。

4.3 核心網絡虛擬化建設

可以在監控網絡核心層配置兩臺核心交換機，在監控網絡中使用虛擬化技術（SDN），保證配置的統一性和穩定性。

SDN是Software Defined Network（軟件定義網絡）的縮寫，顧名思義，這種網絡技術的最大特點就是可以對網絡進行編程。

SDN是一種非常新興的技術，通過增加對網絡的可編程性來革新當前偏重靜態、配置復雜、改動麻煩的網絡架構。SDN的一個非常大的優點就是它不屬于某一家商業公司，而是屬于所有IT企業和一些標準組織，因此SDN的發展也可以打破目前一些網絡巨頭的壟斷并為網絡技術的飛速發展提供動力。

傳統IT架構中的網絡，根據業務需求部署上線以后，如果業務需求發生變動，重新修改相應網絡設備（路由器、交換機、防火墻）上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯網/移動互聯網瞬息萬變的業務環境下，網絡的高穩定與高性能還不足以滿足業務需求，靈活性和敏捷性反而更為關鍵。SDN所做的事是將網絡設備上的控制權分離出來，由集中的控制器管理，無須依賴底層網絡設備（路由器、交換機、防火墻），屏蔽了來自底層網絡設備的差異。而控制權是完全開放的，用戶可以自定義任何想實現的網絡路由和傳輸規則策略，從而更加靈活和智能。

對甘肅高速監控網絡核心層進行SDN改造后，無需對網絡中每個節點的路由器反復進行配置，網絡中的設備本身就是自動化連通的。只需要在使用時定義好簡單的網絡規則即可。如果核心設備自身內置的協議有問題的時候，可以通過編程的方式對其進行修改，以實現更好的數據交換性能。

4.4 提升系統抗癱瘓能力

我們嘗試采用一種創新模式，即平臺對接編碼器、存儲;存儲對接平臺、編碼器;編碼器對接存儲、平臺的三角模式。這種模式，平臺、存儲、編碼器這三個設備之間，兩兩都是互通的，它的優點在于設備獨立運行能力強，當存儲故障的時候，實時視頻流不會間斷;當平臺故障的時候，存儲錄像不會丟失;當存儲被拆卸后，錄像能獨立回放，不需要平臺支撐，且對整個環網帶寬壓力很小。這種創新模式要求前端設備必須支持上聯雙注冊，目前市場上主流廠商大部分ipc攝像機都支持此功能，但對于即將淘汰于市場的標清編碼器來說，解決此問題需要大量的研發工作。

5 小結

通過對視頻監控圖像問題的分析，希望可以對我省視頻監控系統現狀有了一個大致的了解。目前我們面臨的最緊要問題是解決各方平臺的互聯互通，至少可以在省中心看到各路段的視頻監控圖像。而下一步需要做的就是解決網絡交換機老舊、網絡龐大而混亂、IP資源不夠用、視頻圖像重復使用帶寬、等級保護等相關問題。