高速公路視頻監控系統架構評價分析

鄧超

摘要：文章結合層次分析法原理對高速公路視頻監控系統架構進行評價分析，對5個重要技術指標進行量化，并對不同監控系統進行對比分析。通過建立層次結構模型、構造判別矩陣，根據各系統評分結果得出混合-管理所轉換非壓縮監控系統綜合得分最高，而全數字網絡監控系統最具發展前景。

關鍵詞：高速公路;視頻監控系統;架構;層次分析法

0 引言

視頻監控技術應用在高速公路管理中，不僅可以對高速公路的運行情況進行實時監測，還可以進行報警復核，輔助監控系統提高管理效率。20世紀90年代，美國開啟“視覺監控項目”，開始研究將網絡傳輸、智能傳感和圖像視覺分析等技術進行融合，實現在多種復雜狀況下的視頻監控。歐洲在1999年聯合高校和科技企業開展視頻監控系統研究，其中一部分功能就是對交通運行情況進行監控，緩解城市交通壓力。我國于2002年開始研究視頻監控技術，中科院自動化研究所對運動檢測、定位、識別和跟蹤方面的視頻監控技術進行重點研究，得到了一種新型的交通監控系統。雖然我國監控系統的研究晚于美國、歐洲等發達國家，但經過多年的研究探索已經取得了很大的進步，尤其在信息化和智能化方面得到了較大的提高。

1 層次分析法的基本原理

層次分析法是在20世紀70年代由美國數學家Satty T提出來的，是一種可以同時完成多目標多指標的決策分析方法。在層次分析法構建的模型中，既考慮了定性指標，還考慮了定量指標，這就可以保證分析結果的全面性。采用層次分析法進行復雜問題分析時，首先要將問題分解成多個評價指標，并按各指標之間的相互關系劃分層級，經過全面分析得到層次評價模型，綜合對比后將各評價指標按重要性進行排序。另外，準確確定各評價指標的權值是保證層次分析法計算結果準確性的關鍵。簡言之，層次分析法的基本原理就是將一個復雜的問題分解為若干評價指標，然后根據各指標的重要性進一步劃分為若干層級，通過計算確定各個評價指標的權值，取權值最大的作為最優方案，選定為最終結果。

2 研究背景

某省高速公路由交通運輸廳通過設立高速公路聯網管理中心進行統一管理，開展運營管理、聯網收費等工作。通過高速公路網綜合監控系統進行全面管理，下設高速公路管理公司負責運營管理，設置監控分中心，收集數據并實時傳輸到高速公路收費管理中心。綜合監控系統主要組成部分包括省監控中心、監控分中心和外場設備等高速公路網綜合監控系統總體布置如圖1所示。省監控中心對全省高速公路進行管理，并將信息傳遞給上級管理部門和相鄰省份。監控分中心的主要功能是對所管轄的高速公路的日常運行情況進行監督，并將數據信息、圖像視頻等上傳至省監控中心。為了合理選擇高速公路監控系統的架構，采用層次分析法開展評價，確定最佳監控系統架構方案。

3 不同監控系統量化對比

3.1 視頻圖像采集

本文視頻圖像采集質量采用主觀視頻質量評定，可以完成對數字圖像和模擬圖像的評定。高速公路監控系統規模大，模擬難度較大，本文以模擬視頻與數字視頻的質量評價結果作為監控系統視頻圖像采集質量的評價結果，并做適當調整。通過對比分析某收費站監控視頻畫面，經過壓縮處理的數字視頻圖像質量明顯下降。模擬圖像與未經壓縮處理的數字視頻圖像肉眼觀察效果相差可以忽略，可認為評價結果一致。

3.2 占用帶寬

為了分析不同監控系統在運行過程中占用帶寬的情況，對高速公路收費車道和收費廣場的原始信號和壓縮信號進行對比，得出視頻平均壓縮率為147，說明數字信號可以大大減少帶寬占用。全數字網絡監控系統所有數據傳輸均采用數字信號，因此可以大大減少帶寬占用，是所有監控系統中占用帶寬最少的，而其他監控系統帶寬消耗遠遠高于全數字網絡監控系統，均在100倍以上。由于轉換非壓縮信號與模擬信號所占用的帶寬接近，因此模擬視頻監控系統和混合-管理所轉換非壓縮監控系統運行過程中帶寬消耗最大，為全數字網絡監控系統的300倍以上。

3.3 傳輸距離

模擬/數字混合監控系統收集的信號需要進行數模轉換，將轉換后的數字信號傳遞到上層的光端機。然而，在數模轉換過程中，由于受到干擾會產生信號衰減，縮短傳輸距離的問題。而數字信號不需要進行數模轉換，也不容易受到干擾產生衰減，因此全數字網絡監控系統的信號傳輸距離最長，可認為不受傳輸距離的限制。除全數字網絡監控系統傳輸距離不受限制外，其他監控系統信號傳輸距離可以達到100～300 km。

3.4 傳輸時延

網絡信號延遲主要出現在傳輸介質和傳輸設備上，采用同軸電纜傳輸圖像信號的模擬監控系統所產生的延遲很小，可忽略不計。這是由于模擬監控系統傳輸的都是模擬信號，不需要進行數模轉換或數字壓縮，因此延時較小。而對于模擬/數字混合監控系統和全數字網絡監控系統來說，圖像信號傳輸過程中所產生的延遲較大。這是由于在圖像信號傳輸過程中，需要進行模數轉換和數字壓縮，導致產生較大時延。根據相關測試結果，傳輸介質采用千兆光纖的延遲時間為500 ms，而百兆光纖延遲時間為

800 ms。

3.5 數據存儲管理

模擬監控系統采用硬盤作為存儲設備，容量小，不利于調閱和共享。混合監控系統數據存儲設備采用數字硬盤錄像機，視頻資源便于調閱和共享，可有效節約存儲空間。全數字網絡監控系統數據存儲介質采用磁盤陣列IPSAN或光盤，與其他監控系統相比容量更大，而且便于檢索查詢監控記錄，可有效提高管理效率。

各視頻監控系統重要技術指標評價結果如表1所示。

綜合以上對各技術指標的分析結果，各監控系統分別具備一定的技術優勢。模擬視頻監控系統和混合-管理所轉換非壓縮監控系統視頻圖像采集效果最好，全數字網絡監控系統帶寬消耗最小、傳輸距離不受限制，模擬監控系統傳輸時延較小，全數字網絡監控系統數據存儲空間容量最大，且便于檢索查詢監控記錄。

4 視頻監控系統層次分析

4.1 建立層次結構模型

分析高速公路監控系統，確定評價指標，建立層次結構模型，劃分為最高層、準則層和最底層三個層次。層次結構模型如圖2所示。最高層定義為目標層O，該層只有高速公路監控業務需求一個元素。準則層定義為B，子準則層定義為C，包括進行監控系統架構評價的主要指標，可以劃分為若干層，本模型共包括準則、子準則兩層，其中準則層包括圖像采集、數據傳輸、數據存儲與處理三個元素，子準則層包括占用帶寬、傳輸距離、傳輸時延三個元素。最底層定義為P，是實現視頻監控系統所提供的所有解決方案。

4.2 構造判別矩陣

建立判別矩陣A=（aij）n×n[WTBZ]，按照先在矩陣左上角填寫包含子準則，然后再將其子準則分別書寫在矩陣的首行和首列中的原則完成矩陣填寫。評審專家對比分析各準則的重要性，分別進行賦值，各元素重要性標度賦值如表2所示。

經分析準則層C三個判別矩陣均滿足一致性檢驗要求，均為一致矩陣。

4.3 層次分析計算結果

模擬視頻監控系統層次計算示意圖如圖3所示，模擬監控系統得分計算結果如下：

P1=0.466 8*0.263 2+0.21*（0.2*0.05+0.333 3*0.125 0+0.466 7*0.281 3）+0.334 6*0.043 5=0.175 8

4.4 最佳方案確定

分析表3所列各類視頻監控系統的評價得分，其中最高分為混合-管理所轉換非壓縮監控系統P2=0.226 4，最低分為模擬視頻監控系統P1=0.175 8。這是由于模擬視頻監控系統的傳輸方式落后，雖然圖像質量得分較高，但占用帶寬和存儲處理與其他監控系統相比不具優勢，得分較低。而混合-管理所轉換非壓縮監控系統得分最高，這主要是該監控系統雖然在占用帶寬上存在一定的劣勢，但在傳輸距離與存儲處理方面評分均高于平均值，尤其在視頻圖像采集方面具有明顯的優勢，且傳輸時延較低，因此總體評分最高。

另外，全數字網絡監控系統得分僅次于混合-管理所轉換非壓縮監控系統，評分結果為P5=0.226 4，主要原因是由于技術上還不夠成熟，IP網絡的傳輸時延較大，在視頻圖像采集方面得分也偏低。然而隨著信息技術的不斷發展，全數字網絡監控系統必將是最能適應高速公路監控要求的監控系統，具有較好的發展前景。因此，結合以上分析結果，現階段高速公路視頻監控系統應優先選用混合-管理所轉換非壓縮監控系統。

5 結語

為了選擇最適合高速公路運營管理要求的視頻監控系統，采用層次分析法對各類監控系統架構進行評價分析，得出以下結論：

（1）通過對視頻監控系統各重要技術指標進行量化，并進行對比分析，得出模擬視頻監控系統和混合-管理所轉換非壓縮監控系統視頻圖像采集效果最好，全數字網絡監控系統占用帶寬最小、傳輸距離最長，模擬監控系統傳輸時延小，全數字網絡監控系統數據存儲空間容量最大，且便于訪問查詢監控信息。

（2）通過建立層次結構模型、構造判別矩陣，全面分析層次分析計算結果，確定混合-管理所轉換非壓縮監控系統為最佳視頻監控系統，而全數字網絡監控系統是最具發展前景的監控系統。

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