基于無損光網絡的高速公路高清視頻改造方案分析

胡曉剛

（福建省高速公路集團有限公司三明管理分公司，福建 三明 365000）

1 高速公路高清視頻改造的背景

1.1 高清視頻改造的目的及意義

根據《交通強國建設綱要》及《數字交通“十四五”發展規劃》等關于交通基礎設施建設及養護的要求，模擬標清視頻在圖像清晰度、智能化應用、可監測性等方面已極大制約了高速公路視頻監控系統的深度應用，無法滿足在視頻上云、智慧高速等場景的視頻應用需求，因此針對模擬標清視頻系統的數字高清改造顯得尤為迫切。

1.2 模擬視頻系統的現狀及存在問題

福建泉三高速三明段于2008年12月通車，早期模擬視頻監控系統使用模擬攝像機、模擬視頻光端機、視頻分配器、字符疊加器、硬盤錄像機、模擬矩陣、H.264 編解碼器等設備實現圖像采集、傳輸、后端控制、存儲等功能。后期針對模擬視頻系統的不足，利用混合型硬盤錄像機具有的字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、云臺控制等功能，對原先的視頻矩陣、字符疊加器等設備進行集成替代改造，優化并提升整體性能，但仍無法彌補相較于高清視頻系統的差距[1]。

2 高清視頻整體改造思路

以福建泉三高速三明段高速公路高清視頻監控改造方案為例，提出山區高速公路視頻監控系統數字化高清改造整體方案，包括前端視頻設備、視頻傳輸系統、后端視頻系統的改造思路。

2.1 前端視頻設備改造思路

前端攝像機采用高清網絡攝像機，200 萬像素、1080P 分辨率，IP 前端編碼模式。云臺及槍式攝像機采用星光級低照度機型，半球攝像機集成定向拾音功能。

2.2 視頻傳輸系統改造思路

高清網絡攝像機采用全IP 視頻模式，對通信網絡帶寬、速率、穩定性的需求急劇增加。結合福建省高速公路實施的光傳送網（OTN）建設，考慮到其具有低時延、超長距傳輸、超大容量、彈性帶寬等優勢，此次改造采用光網絡星型組網，收費站作為局端數據點，遠端數據在此匯聚后通過OTN ONU 設備接入OTN光域傳輸，使隧道、收費亭、收費站機房及匯聚中心的數據連接為一體，數據傳輸高效穩定。

2.3 后端視頻系統改造思路

視頻網交換機采用光口互聯，取代原有“光纖收發器+電口”傳輸模式，并對核心交換機端口數量、數據處理及轉發能力等方面進行性能提升，避免關鍵節點出現性能短板。

3 隧道視頻高清改造方案

3.1 隧道視頻系統現狀

3.1.1 現狀網絡拓撲圖

泉三高速三明段下渡隧道視頻網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 隧道視頻系統現狀網絡拓撲圖

3.1.2 前端視頻設備現狀

前端設備采用標清模擬槍式攝像機，分辨率752×582，像素43.8 萬，因分辨率有限，無法看清隧道內環境的細節情況。在低照度情況下，圖像產生大量噪點。

3.1.3 視頻傳輸系統現狀

每3 臺攝像機通過同軸電纜接入一臺模擬視頻節點光端機，每3 臺光端機串聯通信，與部署于機維站中心機房的接收光端機組成一條視頻傳輸鏈路。因采用串聯通信，設備單點故障會因干擾影響鏈路穩定。

3.1.4 后端視頻系統現狀

模擬視頻圖像接入中心機房內的混合硬盤錄像機模擬通道，通過其實現視頻字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、前端攝像機控制等功能。

3.2 隧道視頻高清改造方案

3.2.1 隧道視頻高清改造后網絡拓撲圖

下渡隧道視頻改造后的網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 隧道視頻系統改造后網絡拓撲圖

3.2.2 前端視頻設備改造

前端設備采用200 萬像素星光級高清網絡槍式攝像機，1920×1080 分辨率，夜間低照度環境下可實現隧道彩色清晰畫面監控。

3.2.3 視頻傳輸系統改造

前端傳輸系統由模擬視頻光端機改為SFP 光纖收發器，并由級聯傳輸方式改為點對點光傳輸方式，即每路攝像機通過雙絞線接入一臺SFP 光纖收發器發射端電口，光纖收發器獨占一芯光纖傳輸至隧道口機房，使用SFP 光模塊接入隧道口機房的全光視頻以太網交換機光口。對于遠端數據點的視頻，以太網交換機通過光纖互聯至就近局端的三層視頻網交換機[2]。

此方案傳輸距離由原有長距離傳輸至中心機房改為就近傳輸至附近收費站機房，傳輸距離縮短，避免長距離傳輸光功率損耗過大，在傳輸的安全性、保護性及穩定性上得到進一步保障。全光視頻以太網交換機作為接收端，不采用獨立的光纖收發器接收端，將安裝空間由42U 機柜優化至2U，極大節省空間緊湊的隧道機房內的空間；采用SFP 標準型光模塊，避免了不同品牌設備的匹配問題，后期不受制于單一品牌，便于維護[3]。

3.2.4 后端視頻系統改造

前端視頻數據傳輸至就近局端收費站視頻網三層交換機后，通過OTN ONU 設備由干線傳輸至后端機維站中心機房OTN OLT 設備，光纖互連至中心級匯聚視頻網三層交換機，實現數據互通。

數字硬盤錄像機將隧道高清攝像機添加進IP 通道進行管理，視頻圖像數據通過IP 組播流獲取，實現視頻圖像存儲、調取、預覽、控制等功能。

4 收費站視頻系統高清改造方案

4.1 收費站視頻系統現狀

4.1.1 現狀網絡拓撲圖

泉三高速三明段永安北收費站視頻系統拓撲圖如圖3所示。

圖3 收費站視頻系統現狀網絡拓撲圖

4.1.2 前端視頻設備現狀

廣場云臺采用720 TVL 模擬標清球機，57 萬像素，12 倍光學變焦。模擬圖像質量較差，尤其在夜間低照度環境下因圖像噪點導致收費廣場圖像模糊，夜間使用較為不便。收費車道采用模擬標清車牌識別系統，票亭內反監控圖像采用模擬半球攝像機。

4.1.3 視頻傳輸系統現狀

廣場云臺通過點對點模擬視頻光端機傳輸至收費站通信機房。收費車道采用同軸電纜將音、視頻信號匯總至島總機柜，再通過點對點模擬視頻光端機上傳至通信機房。

4.1.4 后端視頻系統現狀

硬盤錄像機安裝于收費站機房，模擬視頻圖像接入混合硬盤錄像機模擬通道實現字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、前端控制等功能。

4.2 收費站視頻高清改造方案

4.2.1 收費站視頻高清改造后網絡拓撲圖

永安收費站改造后的視頻網絡拓撲圖如圖4所示。

4.2.2 前端視頻設備改造

廣場云臺采用200 萬像素星光級網絡高清球機，1920×1080 分辨率，32 倍電子變焦，實現物體局部細節捕捉，低照度下畫質提升。車道車牌識別系統采用300 萬像素高清車牌識別攝像機。票亭反監控視頻設備采用200 萬像素高清半球攝像機，并集成定向拾音功能，實現音、視頻同步數字化傳輸。字符疊加器采用數字字符疊加器，可通過web 頁面進行管理及配置。

4.2.3 視頻傳輸系統改造

廣場云臺圖像傳輸仍利用原有光纜路由，將模擬視頻光端機改為光纖收發器上傳。車道及票亭視頻設備通過雙絞線接入票亭內的新增視頻網二層以太網交換機，再通過雙絞線匯聚至島總機柜的車道級視頻網三層交換機，光纖上聯至收費站通信機房內局端三層視頻網交換機，實現收費站視頻圖像上傳[4-5]。

4.2.4 后端視頻系統改造

收費站三層視頻網交換機作為局端匯聚點，匯聚附近隧道及本站的視頻數據后，通過OTN ONU 設備由干線傳輸至后端機維站中心機房OTN OLT 設備，光纖互連至中心級匯聚視頻網三層交換機，實現數據互通。

數字硬盤錄像機安裝于本站機房，數字硬盤錄像機將隧道高清攝像機添加進IP 通道進行管理，視頻圖像數據通過IP 組播流獲取，實現視頻圖像存儲、調取、預覽、控制等功能。

4.2.5 中心級視頻系統改造

局端視頻數據通過OTN 傳輸至中心機房，光纖互聯至中心級視頻網三層交換機。中心級視頻網交換機采用核心匯聚級交換機硬件配置，以滿足高清視頻系統的各種業務需求。

5 結語

基于無損光網絡的高速公路高清視頻改造，升級前端設備性能，提升圖像質量的同時，對視頻傳輸系統及后端視頻系統也進行了設備改造、網絡拓撲結構優化，并結合OTN 技術，采用無損光信號傳輸技術，就近傳輸，使整體高清視頻監控系統更加安全、穩定。

數字化高清視頻監控系統既是完善高速公路可視化、智慧化管理的硬件保障，也是提升高速公路服務水平的重要方面，既是做好高速公路“一張網”運行與服務保障的迫切需要，也是加快推進“可視、可測、可控、可服務”的高速公路運行監測體系建設的重要組成部分，更是滿足人民群眾出行需求的必要路徑。全面提升高速公路信息化、智能化水平，提高出行服務保障能力，切實增強人民群眾的獲得感、幸福感和安全感。