高速公路視頻監控系統架構設計優化研究

胡建科

摘要：文章基于現階段高速公路視頻監控管控系統現狀，針對高速公路視頻監控系統的功能組成，提出了新的系統架構組成方式，并對高速公路視頻監控系統的事件檢測模塊框架結構進行優化，分析了視頻監控系統的關鍵性技術，以提升高速公路現有設備利用效率。

關鍵詞：高速公路;機電工程;視頻監控;架構;優化設計

中圖分類號：U412.366 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.043

文章編號：1673-4874（2019）08-0156-04

0引言

隨著現代化水平加快，中國經濟實力快速提升，高速公路里程以及車輛數量逐步增加，而高速公路交通事故傷亡人數和事故經濟損失也在逐年增加。據統計，中國的交通事故發生率位居世界第一。現場情況不及時傳達及現場和不合時宜的救援方案，每年導致全世界由此引起的死亡人數可達10萬人。

加快高速公路機電化建設速度，尤其是對高速公路的視頻監控系統進行進一步完善，能夠有效地改善這一狀況。國內的專家學者在這方面已有了初步的探索：許振主要著眼于自動化運維技術在高速收費系統中的具體應用，涉及到了相關的監控和軟件系統，取得了較好的成效，提升了運營效率。趙紅等研究了高速公路視頻監控系統中的信號傳輸方向，為應對無法架設光纜有效傳輸的問題，搭建起了無線高清視頻網橋。張文彪探究了物聯網技術在高速公路視頻監控系統中的應用。林濤運用現代化計算機技術，針對丹阜高速公路緊急事件智能處理平臺進行了智能化改造，提高了高速公路緊急事件的處理速度。翟娜對高速公路視頻監控系統進行了介紹，分析得出了其應用過程中存在的圖像傳輸、運行不穩定等問題，并針對此類問題提出了相應的解決方案。現有研究針對高速公路視頻監控系統某類具體問題的產生及解決方案方面已有較多研究，但在涉及到其整體系統架構方面的研究仍存在一定空白，尤其是在新系統架構組成方式的探索方面仍有大量研究需要補充。

本文對高速公路視頻監控系統的功能組成進行了系統闡述，對常規的系統架構進行分析，提出了新的系統架構組成方式，重點對高速公路視頻監控系統的事件檢測模塊框架結構進行優化，分析了視頻監控系統的關鍵性技術，并對其各模塊進行拆分闡述。在高速公路已有的各種硬件設施條件下，對其加以利用整合，從而直接提升高速公路異常事件處置速度，最大限度地降低損失，促進交通經濟發展。

1高速公路視頻監控系統現存問題

在高速公路運行管理過程中，為達到快速、精準地偵測現場定位及概況并且展開救援部署的目的，在其機電化建設過程中，建立了視頻監控系統。此外還可以有效地向公路使用者傳達相應信息，以做好應對方案，減少二次事故的發生，盡可能消除不利后果。

然而現階段視頻監控系統往往有著較為分離的架構方式，處于簡單堆砌的組建階段，在操作上較為繁瑣，在智能化處理以及人機交互方面有欠缺，對實際道路狀況識別場景仍需人工進行識別，無法達到理想化的使用感受。此外，低配硬件設備限制了視頻監控質量，也影響了智能化系統的有效應用。

2高速公路視頻監控系統概述

搭建完整的高速公路視頻監控系統，需要具備視頻的采集、傳輸、中央處理模塊。此外，為實現智能化應用，還應具備專門的智能應用模塊。各模塊具備不同功能，而且相互之間的共通性并不多，往往較為獨立，若要完成整體化效應，則需注重加強各模塊間的鏈接結合。

2.1視頻采集模塊

現行的視頻采集模塊硬件設備通常指攝像機。該模塊是視頻監控系統順利運行的必要條件，將會影響到后續監控場景的整體效果，包括視頻清晰度、視頻采集范圍等。為適應不同的應用場景，往往也會選擇不同構造的攝像機類型，常見的包括球形、槍形、云臺以及半球形攝像機等。攝像機的外形也對其功能組成有著直接影響。

2.2視頻傳輸模塊

在高速公路監控系統視頻采集系統得到的視頻文件將會由視頻傳輸模塊收集到視頻中央處理模塊。每個中央處理模塊一般將會匯集高速公路上百km長度內的視頻采集資料。與常規安全防護監控相比，高速公路視頻監控范圍整體呈現出狹長帶狀，敵對視頻傳輸模塊提出了更高的要求。

2.3視頻中央處理模塊

視頻中央處理模塊為集成系統架構，下布設有中心管控子系統，主要配備有對監控采集視頻的控制、存儲、交換和輸出等多種功能。

2.4視頻智能應用模塊

在現今計算機人工智能及處理技術快速發展的背景下，高速公路視頻監控系統的智能化需求也越來越多。目前較為成熟的高速公路視覺監控視頻智能化應用有視頻質量診斷系統以及高速公路事件偵查系統。例如，視頻質量診斷系統指的是通過智能化程序自主判定采集的高速監控視頻是否存在閃屏、色差、對焦模糊以及雪花等問題。當智能化系統偵測到此類問題時，將會生成對應的問題報告并實現提示，從而促使維護人員及時核對并處理問題。

3高速公路視頻監控系統架構分析

3.1常規架構類型

目前的高速公路視頻監控系統發展已接近20年，由最開始的簡單拍攝監視設備發展到現今的結構化、智能化系統，已經日趨完善。以常見的高清視頻監控系統為例，如圖1所示。高清攝像設備獲取的監控視頻文件通過光纖傳導至視頻中央處理模塊的監控文件集線器。視頻中央處理模塊一般有著對應的儲存、控制、解碼、顯示、檢測和管理服務，上述所有視頻服務功能都通過視頻交換機處理。該高速公路視頻監控系統的體系結構，尤其是中央處理模塊聚合交互的典型結構，可以顯著反映此類系統的開發演變過程，也就是在該系統開發的各個階段，生成不同的設備，從而解決具體問題。將所有的問題及對應處理設備功能高度集中，便形成了當前的高速視頻監控系統架構模式。

3.2常規架構的優化

現階段的高速公路視頻監控系統已經發展成了相當復雜的整體結構，此結構中包含眾多類型的硬件設備，而且各類設備數量多、關系交錯。如果僅僅從獨立設備的角度嘗試優化整個架構系統，很難達到明顯的優化效果。正確的探索方向應轉移到整體系統的模塊化處理，方可取得較好的結果。此外，要將模塊化處理的思路進行展開，不能單單考慮各模組的物理拼裝組合，更要從各模組在總體架構中所承擔的功能類型著手，才能達到事半功倍的效果，最終完成高速公路視頻監控系統的架構升級，如圖2所示。考慮把原本系統架構中的事件檢測模組部分功能與攝像機硬件采集功能相互結合，從而將隨后的數據傳輸存儲包括分析階段作業轉移，最終達到均勻分布作業壓力的目的。此外可以把傳統監控架構中的分散功能轉移到綜合集成平臺，達到與上述優化方式同樣的目的，促進整體系統架構高效運轉。

4事件檢測模塊架構優化

4.1常規檢測模塊后置架構

高速公路視頻監控事件檢測模塊下設有子系統視頻事件檢測系統，用于對攝像機硬件拍攝的監控視頻文件進行智能化處理，從而偵測出非常規因素，并產生提示性信息。常規架構中往往將該子系統后置，如圖3所示。在此方案中，攝像機硬件僅提供監控拍攝，獲取視頻文件并傳輸至后端的作用，隨后視頻文件經傳輸系統抵達監控中心處理中心，經事件檢測模塊處理后，由檢測控制終端接收電子信號。

4.2檢測模塊前置架構

高速公路視頻監控系統中的常規事件檢測模塊架構對整個監控系統架構的后端服務器運算能力有著很大的依賴性，具體體現在利用計算機視覺算法對監控視頻文件進行處理計算，從而得出非常規事件的運算結果，進而上報并進行提示。而后端服務器運算能力占用量關系到整個系統的運行速度，并且考慮到現行攝像機硬件均可達到數字信號導出的要求，而數字信號的計算機計算處理可行性較高。因此，實現檢測模塊的前置化可行性很高，即將非常規事件視覺運算模組添加至攝像機硬件中，從而降低后端服務器的運算壓力，其具體示意情況如圖4所示。上述檢測模塊前置架構在城市道路中已有了一定的嘗試，出現了攝像機硬件智能化的先例。但在高速公路視頻監控系統中的應用仍很鮮見，并未實現大范圍的應用。這是因為城市道路視頻監控系統所需監測的各類非常規事件較為復雜，所需的計算量更大，對后端服務器的壓力影響明顯，包括變道、闖紅燈以及壓線等行為;而常規高速公路中的行駛環境則較為平穩，所需計算量較小，這也導致了高速公路視頻監控系統架構設計的不完善。隨著高速公路機電化、智能化要求的不斷提高，以往的檢測模塊后置架構已逐漸落后。

5中央處理模塊架構優化

高速公路視頻監控系統中的中央處理模塊有著很高的架構設計要求，它需要接入前端攝像機硬件設備導入的不同模式的信號，并對其進行計算處理，最終輸出計算結果。傳統的系統架構通常由攝像機硬件設備、交換設備、解碼設備、存儲設備、拼接設備以及處理軟件等多個模塊組合而成。為滿足高速公路視頻監控系統智能化、快速化的要求，可將其規整化為集成中央處理模塊，提供一種集合文字、音頻、視頻及其它各類數據的綜合性平臺。還可為其設計專門的網絡接入，設計齊全的輸出接口和通用管理接口，實現各功能高度協調配合。

6結語

本文著眼于現階段高速公路視頻監控管控系統不完善的現狀，對高速公路視頻監控系統的功能組成進行闡述，對常規的系統架構進行分析，提出了新的系統架構組成方式，重點對高速公路視頻監控系統的事件檢測模塊框架結構進行優化，分析了視頻監控系統的關鍵性技術，并對其各模塊進行拆分闡述。高速公路視頻監控系統架構總體上是一個整體性結構，但在必要的時候仍需保證個別設備處于獨立的工作模式，例如前置檢測模塊的架構。在實際應用中要針對性地加以選擇，以實現提升高速公路視頻監控系統總體運行快速化、準確化的目的。