高速公路運營高清視頻監控技術探析

閆靜斌

摘要 為了保證人們的交通出行安全，快速處理交通事故，我國高速公路使用了高清視頻監控技術。文章首先論述了視頻監控系統的發展，然后闡述了高清視頻監控技術的應用必要性與優勢特點，重點探討了高清視頻監控系統的構成與應用方式，最后依托某一高速公路工程案例，闡述了高清視頻監控技術在高速公路運營管理中的應用。

關鍵詞 高速公路；運營；高清視頻；監控技術；案例

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0013-03

0 引言

最近幾年，隨著我國社會經濟水平的不斷提高，人們在生活與工作中越來越廣泛地使用視頻監控技術，獲得了很多便利，相應地，在高速公路運營管理中，也廣泛使用視頻監控技術，可及時了解與全面掌控高速公路的交通運行情況，確保人們的出行安全。基于此，該文就高速公路運營視頻監控技術展開探討，以供大家參考。

1 高清視頻監控技術的優勢

與傳統視頻監控技術比較，高清視頻監控技術主要具有以下優勢：一是具有較強的可擴展性與靈活性。引用數字化存儲技術與視頻壓縮技術，具有多種不同功能，可對系統進行及時升級與更新[1]。二是遠程化控制。使用高清視頻監控技術與網絡通信技術傳輸數據信息，通過專網監控平臺遠程控制各個監控子站，實時采集與監控各種數據，統一管理監控信息。三是圖像畫面清晰度高。在高清視頻監控系統中，安有嵌入式一體機與傳感器芯片，拍攝的圖像清晰度可達到1 080 P，動態記錄高速公路的交通運行狀況與行駛車輛的行駛狀態，穩定性十分強[2]。四是監控范圍大。與過去傳統監控系統相比，高清視頻監控技術可監控更大畫面范圍。目前，高速公路運營管理通過使用高清視頻監控技術，現已獲取較大的集成化和數字化成效，但在智能化方面依然存在較大的發展空間。在未來一段時間的發展中，高速公路視頻監控技術將會繼續朝著集成化、智能化和數字化的方向發展與深化，因此，為進一步提高我國高速公路的運營管理水平，應結合使用高清視頻監控技術與其他先進的技術，升級與優化海量信息的自動分析能力和視頻圖像自動甄別能力[3]。

2 高清視頻監控系統的構成

2.1 高清圖像采集設備

在高清視頻監控系統中，高清圖像采集設備是重要構成部分。該設備含有多種色彩，分辨率與清晰度高，深入分析監控目標。現階段，較常用的高清圖像采集設備為高清網絡攝像機與HD-SDI高清攝像機。

2.1.1 高清網絡攝像機

利用高清網絡攝像機采集的數據，因被經過壓縮處理，無需封裝，故采用普通網絡傳輸該數據即可[4]。高清網絡攝像機的占用帶寬小、傳輸距離長，采集的數據無需封裝處理。高清網絡攝像機存在網絡安全隱患問題，網絡運行狀況影響數據傳輸質量，若高清視頻監控系統對圖像的實時性要求較低，可采用高清網絡攝像機。

2.1.2 HD-SDI高清攝像機

采用HD-SDI高清攝像機，以某種格式封裝采集的高清信號數據，然后傳輸數據。HD-SDI高清攝像機可安全、非壓縮傳輸信號數據，真實還原圖像畫面[5]。但HD-SDI高清攝像機不能遠距離傳輸數據、占用帶寬大，必須借用專用傳輸設備，方可長距離傳輸數據，因此，采用HD-SDI高清攝像機采集的圖像，需進行壓縮處理后方可儲存起來，故HD-SDI高清攝像機的使用成本較高。

2.2 高清視頻數據存儲

在高清視頻監控系統中，高清視頻數據存儲容量應足夠大。現階段，NVR和IP-SAN是兩種常用的高清視頻存儲方式。所謂NVR，即使用網絡對攝像機傳輸的數據進行接收、存儲與管理網絡[6]。NVR具有存儲可靠、便于安裝、運行成本低、布設靈活等多種優勢，提高高清視頻監控系統的實用性。近年來，高清視頻監控系統數據信息在不斷增多，為滿足視頻監控系統的運行要求，普通存儲硬盤不再適用，宜使用IP-SAN儲存方式。其中，IP-SAN是一種云存儲方式，使用第三方服務器分別導入和導出數據，具有十分強的集中存儲能力，能集中化管理海量數據信息，在長距離數據傳輸管理中使用IP-SAN，降低運行成本。

2.3 高清視頻傳輸設備

采用高清視頻傳輸設備，將采集的圖形信息傳輸給監控中心。高清視頻傳輸設備大致劃分為兩種類型：①支持網絡傳輸的以太網光端機；②支持HD-SDI視頻傳輸的HD-SDI高清光端機。

2.4 高清監視器

在高清視頻監控系統中，采用高清監視器，觀察高清圖像采集設備采集的圖像信息。現階段，普遍使用的高清監視器接口有HDMI、DVI、SDI。在高清視頻監控系統中，要想使用HD-SDI高清攝像機，需配置HD-SDI高清監視器。

3 關鍵技術設計

各種環境背景下，為實時處理視頻圖像數據，在遠程視頻監控系統中使用了可見度測量算法和YOLO-V3網絡算法模型這兩種關鍵技術。

3.1 可見度測量算法

高速公路經常會出現大霧天氣，易發生交通事故。為根據各種大霧天氣合理調整監控系統，需測量空氣的可見度。根據物理學原理可知，氣象的透明程度是由可見度指標衡量的。利用貝爾·蘭伯特定律與光傳輸物理模型，可計算出空氣能見度的變化，故通過圖像特征的耦合變化監測與空氣能見度分析，可獲取空氣可見度值。假令空氣水平的水均勻，利用監視視頻察看的參考目標為絕對黑體，則水平氣象能見度的計算見公式（1）：

（1）

式中，P——氣象能見度；x——觀察點與被觀察物體間的直線距離；Lb——背景亮度；Lt——在觀察點中檢測到的物體亮度。例如，利用CCD視頻設備觀察被攝物體的亮度與被監控圖像的灰度二者之間的關系，如公式（2）所示：

G=KL+Gdc （2）

式中，G——被攝物體的亮度；Gdc——監控視頻設備內暗電流的灰度值；K——監控視頻設備灰度與亮度的轉換系數。

通過分析路邊視頻監控設備收集的實時視頻幀圖像，可獲取圖像灰度Gt、Gb目標與周邊背景，然后利用公式（2）可計算出Lt與Lb，利用公式（1）對氣象能見度P進行計算，通過利用氣象能見度間的轉換關系，可對公路路邊實時可見光距離與可見距離進行計算。

3.2 YOLO-V3網絡算法模型

在公路進行實時監控過程中，應實時轉化監控設備采集的視頻數據信息，將其轉化為圖像數據信息，故該文主要選用基于深度學習的目標檢測算法來計算與處理大數據。精準提取圖像特征信息是公路實現遠程視頻監控的重要條件，利用遠程視頻監控能否對公路行駛車輛的行為進行精準判斷與分析，主要取決于圖像特征提取的精準率。現階段，在視頻監控數據處理中，常采用YOLO-V3網絡算法模型。在YOLO-V3網絡算法模型中，1個網絡單元會為1個對象提供3個不同比例的邊界框，選取與注釋框重疊面積最大的邊界框作為最終的預測結果。

在YOLO-V3網絡算法模型中，共有3個輸出比例，最后對3個比例分支進行了合并。在檢測大物體時使用深特征，在檢測小物體時使用淺特征，故該算法模型可以對比例發生變化的對象進行檢測。與其他算法檢測模型比較，YOLO-V3檢測模型的運輸速度更快，其中，YOLO-V3檢測模型與其他檢測模型運算速率比較表如表1所示。

通過分析表1發現，YOLO-V3檢測模型的FPS為35幀/s，檢測速度滿足實時檢測速度要求，故在高速公路視頻監控系統中使用YOLO-V3檢測模型比較合適。采用YOLO-V3網絡算法模型時，圖像上傳至網絡中后，圖像尺寸會被調整。因圖像被分割處理，偏遠路面的尺寸會發生較大變形，能夠獲得較小行駛車輛的更多特點，有效解決因行駛車輛物體過小而損失部分物體特征問題。在YOLO-V3網絡中，數據集把“車輛數據集”內容放入其中進行訓練，可獲取車輛目標檢測模型。

由此可見，通過采用YOLO-V3網絡算法模型，對海量圖像數據進行處理，能夠獲取更精準的優質圖像數據，可實時了解高速公路的具體路況，確保公路交通車輛的正常運行。

4 應用案例

目前，某一高速公路工程每間隔2 000 m分別布設1臺固定式攝像機與1臺云臺式攝像機，道路全線外場沿線共布設300臺攝像機。在發生交通事故等特殊情況下，采用云臺式攝像機進行細節性監控；采用固定式攝像機進行近距離全景監控。

4.1 采用的監控模式

4.1.1 云臺式監控模式

云臺式監控是一種靈活的監控模式，在平時監控中，通過拉短焦距，能夠進行宏觀監控；當發生交通事故等特殊事件時，合理調整焦距，能夠進行細節性的監控。

該高速公路云臺式攝像機監控情況如表2所示。

通過分析表2數據可知，該高速公路視頻監控系統基本滿足視頻監控的一般要求，為滿足特殊情況下的視頻監控要求，需對高速公路視頻監控系統進行改造與升級。改造與升級時需要考慮以下因素：①交通事件檢測系統接入視頻監控系統后，需根據交通事件檢測系統的實際情況，綜合考慮檢測范圍。②道路遮擋和道路線形對視頻監控效果帶來的影響。③惡劣氣象對視頻監控效果帶來的影響。

4.1.2 固定式監控模式

固定式監控模式采用COMPUTAR H6Z0812AMS型鏡頭。該高速公路固定式攝像機監控情況如表3所示。

在固定式攝像機監控過程中，將視場角范圍調至最大、焦距拉至最短時，觀察范圍隨著視軸俯角的加大而變大，視軸俯角達到65°時，觀察半徑范圍為1 045 m，若監控范圍為1 000 m，視軸俯角宜采用65°。

5 高速公路運營視頻監控系統技術的升級對策

5.1 視頻存儲系統的升級

近年來，我國高速公路管理水平在不斷提高，進而不斷暴露出很多視頻存儲系統存在的問題與不足，如銜接性差、提取速度緩慢和容量小等。鑒于此，為有效提高視頻信息存儲系統的安全性、穩定性與工作效率，需對視頻存儲系統進行升級改造，即選用先進的數字大容量保存技術，逐步取代DVR儲存設備。為順利升級改造視頻存儲系統，提高公路運行維護的工作質量與工作效率，應充分利用視頻診斷處理技術，全面監測不同設備的運行狀態。

5.2 特殊用途攝像機的使用

通過大量實踐后可知，一旦出現大霧、雨雪、煙塵等惡劣天氣時，將會直接影響視頻監控系統的正常運行，難以捕捉到高清視頻圖像。鑒于此，應逐步升級改造攝像探頭，在大霧天氣中選用具有透霧功能的攝像頭，可全時段監測公路各路段交通路況；大雨、大風、打雷天氣直接影響視頻線路設備和視頻監控探頭，因此，為使視頻監控系統更好地適應環境，應選用防雷能力與防抖能力強的設備裝置。

5.3 夜間視頻監控系統的升級

通過調查分析后可知，公路夜間交通事故發生率相比白天的要高，夜間也更易出現違規駕駛行為，這就需要升級改造夜間視頻監控系統。具體升級措施包括：為處理夜間捕捉到的視頻圖像，獲取更高清晰度的夜間視頻圖像，選用紅外激光夜視軟件；在重點區域與重要路段中，為能夠全時段高清監控公路交通路況，應選用具有夜視功能的高清攝像探頭。

5.4 IP數字高清技術的應用

當前我國高速公路視頻監控系統主要采用高清模擬攝像機設備。實際使用過程中，該設備的使用存在一定的約束與限制，鑒于此，為提高原模擬平臺圖像的分辨率，可采用IP數字高清技術，改造升級信息保存、信息顯示處理設備等，選用的高清攝像頭的像素至少要大于2 000 000。目前，我國大部分地區高速公路上安裝有光纜，其余量較大，通信覆蓋面積較大，充分表明高速公路光纜能夠高效傳輸信息化和高清化視頻圖像。現階段中，我國一些地區已建立與使用了IP數字高清視頻管理系統，同時配置了IP-SAN系統大容量儲存結構矩陣。在未來一段時間中，隨著科學技術水平的不斷提高，研發出基于數字高清網絡的綜合性管理系統，現行的SDI裝置將會逐漸被淘汰。綜上所述，在未來發展中，我國高速公路視頻監控系統將會融合使用更多的新技術，包括5G無線傳輸系統、大容量存儲系統、GPS定位軟件、高清視頻編碼軟件等，提高高速公路視頻監控系統的智能化，更好地服務于道路維護、交通管理、故障預警等方面。

6 結語

在我國高速公路運營管理中，高清視頻監控技術發揮著十分重要的作用。與傳統標清視頻監控技術相比，高清視頻監控技術具有更多的優點，盡管高清視頻監控技術的使用成本較高，但可彌補傳統標清視頻監控技術的缺陷，提高高速公路運營管理水平。該文對高速公路運營高清視頻監控技術進行了深入研究，以期對相關人員起到一定的借鑒作用。

參考文獻

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