高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙學利

（河北睿通高速公路聯(lián)網(wǎng)運營有限責任公司，河北石家莊 050000）

0 引言

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要的要求是對隧道內運行的車輛、設備進行全天候實時監(jiān)控，采集隧道內的設備運行數(shù)據(jù)、道路環(huán)境及氣象條件參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)控制中心，由控制中心對收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，并做出決策，再通過通信系統(tǒng)將決策信息傳送至信息發(fā)布設備，使得需要經(jīng)過隧道的車輛及時獲取隧道內的通行情況信息。此外，隧道監(jiān)控系統(tǒng)還包含通風、照明、供電、交控等子系統(tǒng)，各個模塊與監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調運行，保障隧道內的環(huán)境安全及道路安全。

1 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求包括以下3 個：①實時數(shù)據(jù)采集，這是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心內容。監(jiān)控系統(tǒng)需要采集隧道內的交通狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)，實時監(jiān)控隧道內的異常情況，并針對交通事故高發(fā)時段進行檢測，做好視頻記錄，一旦發(fā)生交通事故能夠提供對應的救援服務；一旦隧道內發(fā)生重大交通事故或交通擁堵，監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過信息發(fā)布模塊發(fā)布實時交通信息，通過限速標志或其他措施對后續(xù)車輛完成誘導控制；②能夠預先判斷出隧道內存在的安全隱患，并采取對應的處理措施，降低事故及二次交通事故的發(fā)生率；為公眾的出行提供隧道運行狀態(tài)信息；③與高速公路其他管理系統(tǒng)互相融合，包括收費系統(tǒng)、出行者服務系統(tǒng)等，構建一個完善的高速公路管理路網(wǎng)，最大限度實現(xiàn)高速公路的通行能力。

2 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能

高速公路隧道智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具備視頻控制、系統(tǒng)參數(shù)設置、視頻處理、數(shù)據(jù)庫查詢及報警自動切換等功能，這些功能需要通過以下子模塊來實現(xiàn)：①系統(tǒng)管理模塊，主要作用是管理用戶及系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，實際應用中可以查詢用戶信息、用戶設置，并根據(jù)用戶的級別設置不同的管理權限，不同的權限級別再針對不同的服務內容，用戶級別包括管理員、值班員及普通用戶等；②參數(shù)設置模塊，主要對隧道內的相關參數(shù)進行設置，包括采樣周期、攝像頭參數(shù)設置、系統(tǒng)串口及設備定義等內容；③視頻控制模塊，主要包括視頻采集、視頻控制及視頻處理等功能，其中視頻采集模塊主要是保證系統(tǒng)監(jiān)控無死角，因為隧道內對攝像機的布置要求更高，縮小了攝像機的有效視場，此時需要增加攝像機的數(shù)據(jù)保證視頻采集的完整性；視頻控制主要通過視頻矩陣切換器控制視頻流的采集與存儲過程；視頻處理則是利用計算機視覺技術分析、處理現(xiàn)場采集到的視頻，獲取對應的交通狀態(tài)信息；④信息查詢模塊，主要作用是查詢管理系統(tǒng)信息、運行信息及事件信息等；⑤系統(tǒng)調試模塊，主要作用是進行系統(tǒng)的調試與維護；⑥自動切換模塊，即向監(jiān)控管理人員呈現(xiàn)異常出現(xiàn)的監(jiān)控點，系統(tǒng)可以根據(jù)報警場景自動切換矩陣切換器。監(jiān)控系統(tǒng)功能結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能結構

2.2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括前端設備、傳輸設備及站端設備三大模塊。

2.2.1 前端設備

隧道洞口、洞內及橫洞等重點監(jiān)測場景中設置的視頻采集設備即為前端設備，通過高清攝像機能夠實時采集隧道內的運行情況。洞口攝像機選擇高清采集傳輸一體化球機，清晰的監(jiān)視隧道周圍環(huán)境，并對隧道洞口的運行情況進行高清巡視；在隧道內非特殊路段可設置洞內固定攝像機，間隔距離在150 m 左右，采用固定高清采集傳輸一體化槍式攝像機，全程監(jiān)控隧道內的運行情況；橫洞攝像機主要設置于隧道內橫洞或停車帶等區(qū)域，采用高清采集傳輸一體化球機，全方位監(jiān)控停車帶或橫洞的交通運行情況。

2.2.2 傳輸設備

前端設備采集到隧道內的運行數(shù)據(jù)信息后，通過傳輸設備將信息傳送至站端的高清數(shù)字綜合平臺。前端設備采用的是圖像采集與視頻壓縮、傳輸一體的攝像機，該攝像機機身內嵌入通信傳輸模塊，可直接接入高速遠程傳輸網(wǎng)絡，通過光纖環(huán)網(wǎng)連接高清數(shù)字視頻綜合管理平臺。無需額外配置通信傳輸設備，攝像機采用的是新型光纖接入網(wǎng)技術，即光纖自愈保護技術，能夠實現(xiàn)光纖快速自愈恢復，最大程度上保證了視頻信息采集的穩(wěn)定性與可靠性。前端攝像機內還包含有智能分析模塊，能夠實時監(jiān)測隧道內的異常事件及正常運行狀態(tài)。

2.2.3 站端設備

傳輸設備將前端設備采集到的視頻信息發(fā)送至站端高清數(shù)字綜合平臺進行處理分析，該平臺連接系統(tǒng)其他模塊，是站端核心設備，與其他設備連接完成數(shù)據(jù)的傳輸與管理。具體而言，站端高清數(shù)字綜合平臺可以實現(xiàn)四大功能，即綜合接入、視頻矩陣交換、大屏控制、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等。視頻矩陣交換則能夠實現(xiàn)上述綜合接入各種信號之間的混合交換，保證視頻輸出無延時、無損傷，輸出高清或標清的視頻內容；大屏控制主要通過多窗口拼接、圖像分割、縮放等，將系統(tǒng)采集到的視頻根據(jù)不同的應用環(huán)境多畫面、多屏幕地顯示出來；聯(lián)網(wǎng)控制主要是將前端設備、監(jiān)控分中心、總中心及桌面用戶組成的視頻聯(lián)網(wǎng)，形成完整的監(jiān)控網(wǎng)絡。研究的站端核心設備采用型號為VAR3S 的高清數(shù)字視頻綜合平臺，基本可滿足系統(tǒng)需求。

2.3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

研究提出的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計采用Microsoft Windows Server 10，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2019，開發(fā)工具采用Visual C++6.0。整個高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻數(shù)字圖像處理是核心模塊，通常攝像機設置于隧道內部、隧道內出入口固定位置，因此視頻監(jiān)控場景背景也是固定的，在這種條件下可以應用算法更簡潔的背景差分算法，無論車輛處于運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，均能夠獲得較好的實時性及適用性。背景差分算法默認隧道監(jiān)控場景背景是固定不變的，具體計算步驟如下：首先選擇合適的算法，通過合理的計算獲取目標環(huán)境的背景圖像及實時圖像，對獲取到的圖像進行預處理，主要包括灰度化及對應的像素點做差，根據(jù)限定閾值提取車輛的特征信息，其計算公式如下：

式中 DBt（x，y）——t 時刻的目標分割結果

It（x，y）——t 時刻待分析灰度圖

Bt（x，y）——t 時刻背景更新灰度圖像

TH——分割閾值，確定閾值可采用多次試驗或試湊法，閾值選取會直接影響目標分割結果

2.4 視頻處理程序運行

系統(tǒng)進行視頻處理程序運行時，首先進行系統(tǒng)初始化處理，啟動系統(tǒng)后，將虛擬檢測器置于視頻監(jiān)控圖像中，為后續(xù)的視頻分析做好充分的準備。接下來進行視頻圖像的預處理，預處理主要是對圖像進行校正、增強及灰度化處理，其中灰度化處理是用數(shù)字化處理模擬視頻后將其轉換為灰度圖像，可以起到減少檢測數(shù)據(jù)量的作用；視頻圖像的質量受到多種因素的影響，包括隧道內的環(huán)境變化、攝像設備本身的性能及圖像采集過程等，易導致視頻圖像發(fā)生畸變及噪聲，針對這種情況需對圖像進行校正與增強。

接下來進行目標檢測與定位。采用自適應混合高斯分布方法提取視頻場景背景，并實時更新環(huán)境動態(tài)變化情況；利用上述背景差分法及閾值分割技術獲得目標檢測結果，進行二值化處理提取運動車輛目標；采用形態(tài)學濾波操作消除不連續(xù)及空洞問題，采用一次膨脹操作及一次腐蝕操作，改善目標區(qū)域的空間連通性；提取目標連通區(qū)域計算重心，確定檢測目標的位置。最后進行車輛區(qū)配跟蹤，抽取目標區(qū)域圖像特征。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括單元調試、集成調試、確認調試等，采用白盒測試法對對應模塊的功能情況進行檢查，分析視頻圖像處理模塊內部邏輯是否恰當，集成調試即用漸增式的黑盒測試進行組裝測試，最后進行確認調試，檢查圖像處理程序的性能及功能是否滿足用戶需求。經(jīng)過測試可知，研究提出的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足用戶需求。