基于NVR-VGW 網絡穿透的野外公路工程視頻接入方法

陳柯 CHEN Ke；呂若丹 LU Ruo-dan；王世法 WANG Shi-fa；陳靜 CHEN Jing；何杰 HE Jie；鄺靖 KUANG Jing

（①四川成綿蒼巴高速公路有限責任公司成都分公司，成都 641400；②四川高速公路建設開發集團有限公司，成都 610047；③四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041）

0 引言

四川省山區地震斷裂帶眾多，地質災害頻繁發生，這對野外公路的監控和維護提出了極高的要求。當前用于野外公路工程（如橋梁、邊坡、隧道）現場視頻設備的接入主要有兩種方式：一是在局域網內，使用攝像頭與NVR（Network Video Recorder 網絡視頻錄像機）組網，完成視頻接入，通過局域網內客戶端或者瀏覽器直接從NVR 上查看實時視頻或者獲取歷史視頻。二是在廣域網或專網內，在機房搭建廠商視頻服務器，在現場使用攝像頭與NVR組網，通過NVR 主動注冊的方式接入視頻到視頻服務器，通過客戶端或瀏覽器從中心服務器查看實時視頻或者歷史視頻。但這兩種常用方式在數據采集、存儲和傳輸方式方面均存在一定程度的缺陷。方式一的缺陷在于現場組網在局域網內，屬于封閉的視頻監控系統，僅限于現場辦公人員使用，無法接入其他平臺，共享視頻相關數據。方式二的缺陷在于雖能夠接入專網或公網的視頻服務器，但用戶只能從視頻服務器獲取視頻流，因此負責視頻接入的視頻服務器對帶寬有極高的要求；視頻流延時也較大，大約在5-15 秒左右[1]，不利于獲取實時反饋；此外，服務器有視頻路數限制，擴容會增加經濟成本，且不支持設備的遠端維護，維護設備需要到現場操作。

1 相關研究

視頻監控系統是公路工程運維管理的重要組成部分，已有不少學者開展了視頻監控系統接入或運維方案的研究。中國工程建設標準化協會2022 年發布了《高速公路智慧視頻監測系統設計指南》（征求意見稿）[2]，旨在規范我國高速公路智慧視頻監測系統的建設，有利于部署和應用視頻相關產品。該指南從監測系統組成、監測功能、外場監測點、平臺功能和通信網絡要求方面都做出了規定。但該標準在各項規定上并未區分一般高速公路和野外高速公路，難以實際指導野外公路工程環境下的視頻監測設計。

許續等人[3]引入無線影音收發系統，提出了一種使用數碼攝像機遠程接入便攜式計算機的方法。王一竹[4]基于組播通信的分布式信道接入方法進行了研究，通過統計決策優化算法實現高效信道接入。魏振宇[5]提出了一種基于TePA 的面向安全的視頻監控系統密鑰管理解決方案。朱予辰[6]提出了一種基于EPA 的網絡資源預分配的靜態復合調度算法，實現了充分利用帶寬為目標規劃各設備周期時間片，解決控制網絡與多媒體數據的傳輸需求沖突。萬明華[7]提出了一種井下無線視頻監控系統，絞車司機可遠程掌握梭車運行工況及所在區域環境情況，提升了無極繩絞車運行安全性。趙振宇[8]探討了石油化工企業安防視頻監控系統的實現路徑。周婧榮[9]介紹某變電站工程視頻監控系統典型應用配置及功能。葉海波[10]構建了鐵路站段綜合視頻監控系統的頂層架構，以及設計系統實現安全監控、生產調度和綜合分析等功能。類似地，馬占中[11]結合視頻圖像質量診斷、Zabbix 網絡監控等技術，研究了攝像機圖像質量、系統軟硬件設施運行狀況和網絡狀況等數據的實時采集與數據分析，實現鐵路綜合視頻監控系統的一體化全方位管控。綜上，上述方法多適合網絡良好的環境或面向特定作業環境，鮮有針對野外公路工程現場的視頻接入方法的研究。針對以上業界痛點和學界尚未解決的問題，本文提出一種能應用于野外公路工程設施（包括橋梁、邊坡、隧道）現場視頻設備的數據采集、存儲于傳輸的解決方法。該方法的創新點有二。其一，能夠在野外公路現場沒有固定公網IP 的情況下，方便第三方平臺獲取低延時視頻數據；其二，能夠對設備進行遠端維護，以滿足野外公路工程設施視頻監控的需求。

2 基于NVR-VGW 網絡穿透的野外公路工程視頻接入方法

圖1 展示了本文提出的基于NVR-VGW 的公路工程視頻接入方法，分為五個大的步驟。

圖1 基于NVR-VGW 網絡穿透的野外公路工程視頻接入方法流程圖

步驟一，將野外公路工程現場的至少一個視頻數據采集設備NVR 接入視頻網關VGW 中，以使視頻網關VGW采集視頻數據采集設備NVR 上的視頻數據。步驟二，建立視頻網關VGW 與中心服務器之間的連接，并在中心服務器上添加各個視頻網關VGW 對應的節點以及節點下每個視頻數據采集設備NVR 采集的視頻信息。視頻信息用于表征視頻數據的基礎信息，不包含視頻流。步驟三，根據節點下每個視頻數據采集設備NVR 采集的視頻信息，通過中心服務器為用戶對應的用戶終端提供視頻記錄查詢功能，并確定用戶在使用視頻記錄查詢功能過程中的視頻播放指令，得到視頻播放指令對應的目標制視頻信息。步驟四，當得到目標視頻信息之后，建立所述用戶終端與視頻網關VGW 之間的點對點連接，得到連接結果。步驟五，若連接結果成功，則根據視頻播放指令對應的目標視頻信息，直接從視頻網關VGW 拉取對應的目標視頻；若連接結果失敗，則啟用視頻中繼服務，并通過視頻中繼服務間接從視頻網關VGW拉取對應的目標視頻。最后，將目標視頻傳輸至用戶終端進行播放，完成視頻的接入。

此方法通過網絡穿透的方式優先建立用戶終端與視頻網關VGW 之間的點對點連接，穿透成功的情況下，視頻流會從野外現場視頻網關直達用戶瀏覽器，而不再經過服務器轉發，從而節約了網絡帶寬；在無法穿透的情況下，會經過中繼服務器建立連接，轉發視頻流，此情況會消耗一定網絡帶寬，但延時會大幅降低。在軟硬件資源充足的情況下，系統能接入的視頻路數沒有限制且可以通過SDK 抓取到關注的攝像機時間。中心服務器支持對視頻內網關階段的遠端維護，維護人員不必再奔赴野外現場作業，實現遠端維護設備。

3 案例分析

為了驗證方法的可行性和性能，筆者進行了應用場景的案例分析。如圖2 所示，案例為野外公路現場沒有固定公網IP 的兩座橋梁橋A 和橋B（還可以接入多座橋梁或其他公路設施），現場的硬件設備包含有多個設置于野外公路工程交通工程現場的攝像頭、多個攝像頭連接的NVR、多個NVR 連接的VGW（圖3）、VGW 連接的中心服務器、信令服務器以及中繼服務器，還包括用戶使用的瀏覽器。用戶通過瀏覽器登錄中心服務器查看各種視頻信息，當需要進行識別播放時，則通過信令服務器將用戶標識以及用戶終端與信息服務器之間的連接保存至各個信令通道中，以使VGW 通過信令服務器與用戶終端進行信令交互，建立用戶終端與VGW 之間點對點的連接，即穿透成功。穿透成功則進行視頻直傳，視頻流會從VGW 直達用戶瀏覽器，不再經過服務器轉發，從而節約網絡帶寬。在無法穿透的情況下，會經過中繼服務器建立連接，進行轉發并消耗一定的網絡帶寬。

圖2 應用案例示意圖

圖3 視頻網關VGW

啟動中心服務器上的WebSocket 服務，通過VGW 向中心服務器發送接入請求。中心服務器對接入請求進行解析，若判斷該VGW 信息存在于中心服務器的連接池中，則視頻網關的接入連接池，連接創建。隨后VGW 為中心服務器啟用第一讀寫服務，再通過中心服務器為VGW 啟用第二讀寫服務，如此進行VGW 與中心服務器的數據交互。

首先通過中心服務器對用戶進行鑒權，獲取用戶鑒權結果，成功鑒權后，通過中心服務器為用戶對應的用戶端提供視頻記錄查詢功能。將野外公路設施橋A 和橋B 現場的所有攝像頭接入到NVR 中，通過視頻網關VGW 調度SDK 接口進行設備搜索，在管理界面（圖4）中添加搜索出來的同網段或跨網段NVR，并添加NVR 的設備信息和VGW 下每個視頻采集通道對應的通道信息。VGW 通過SDK 接口連接所有NVR，將視頻網關VGW 的全局唯一ID 以及名稱轉換為Json 字符串，再用base64 編碼工具對該Json 字符串進行編碼，以將Json 字符串轉化為URL 查詢參數，得到視頻網關VGW 的唯一標識信息。中心服務器根據通道唯一編碼解析出所屬的視頻網關VGW 全局唯一ID，以此在連接池中查找對應連接，通過該連接完成與VGW 的交互，并通過SDK 接口執行如通道預置點查詢、預置點跳躍、倍速播放、錄像記錄查詢等操作。視頻回放（圖5）提供歷史視頻的檢索、下載、播放、跳轉、倍速等功能。云臺控制（圖6）提供攝像機的轉動、標膠、光圈、預置點等控制功能。

圖4 接入網關VGW 管理界面

圖5 視頻回放

經過多次應用場景的測試，網絡穿透的成功率達48.5%±2%，即節約了近一半的帶寬，并實現從VGW 點對點直接拉取野外現場目標視頻的目的，視頻流延時約1秒；在網絡穿透未成功的情況下，消耗的網絡帶寬為一路高清視頻2M 帶寬，不受視頻路數限制，而延時同樣會降低到1 秒。

4 結語

本文介紹了一種基于NVRVGW 網絡穿透的野外公路工程視頻接入的方法，有效解決了在野外網絡環境差、低寬帶的條件下，視頻難以傳輸共享且難以進行設備遠端維護等問題。網絡穿透成功率為48.5%±2%，在此情況下，該方法可直接從VGW 點對點拉取野外現場視頻，減少近一半帶寬消耗，且視頻流延時僅為1 秒；在網絡未穿透的情況下，該方法仍可在消耗帶寬的情況下大幅降低延時至1 秒。