高速公路外场视频监控系统方案设计

孟庆祝 (北京国安电气有限责任公司， 北京 100190)

1 概述

随着数字技术和网络技术的发展，高速公路交通信息的管理也正逐步向网络化、智能化方向发展。其中，高速公路全程监控系统正日益成为高速公路日常运营管理和服务的一个重要手段，发挥着越来越重要的作用。

高速公路监控系统是通过沿线的外场设施(各类检测、监控显示等设备)及时、准确、完整地收集并预告前方道路的各类信息，如交通量、事故、路况等，道路使用者通过监控中心的监视(显示)设备直观地了解交通运行状况。

本文高速公路案例路段全长125.3km，共10个匝道收费站和1个省界主线站，4座隧道，单洞总长为8.97km。全线采用双向六车道高速公路标准，设计时速120km/h。由于全线路势较平坦，没有长上下坡及急转弯路段，故车辆在行驶时速度快，司机容易疲劳，事故发生率较高。因全线缺少必要的外场视频监控点，发生多起事故时存在无法及时有效监控道路的情况，不利于路政对事故及时处置。

2 系统总体架构

系统设计采用目前最先进的高清网络监控系统解决方案，系统由前端网络摄像机、传输网络、视频存储与显示、总控中心视频管理平台等几部分组成，系统总体架构图如图1。

视频监控系统主要利用最新的计算机处理技术(计算机图像处理、压缩、传输技术及网络技术)，将前端的监控摄像机取得的视频图像信号数字化后经编码压缩通过网络传输到总控中心，并在大屏拼接屏上显示，同时实现集中式存储；总控中心安装视频管理平台，对监控图像数据(实时视频和录像视频)进行统一管理；各路段前端监控摄像机通过摄像机内

3 总体系统方案介绍

图1 系统架构图

图2 视频管理平台结构图

置定时抓拍功能，将抓拍的道路情况图片上传给总控中心服务器进行保存和分析。

此次新建高清数字化视频监控系统兼容原有模拟系统，可以为综合管理平台提供SDK做兼容，同时满足《高速公路数字化视频监控技术要求》。

3.1 外场摄像机

外场摄像机为系统的前端设备，为监控人员提供实时道路状况，同时也是事件检测系统的信息输入来源。

1)外场摄像机的设备选型

为实现对道路状况的有效监控，要求摄像机能够提供清晰、稳定的视频图像，并且监控人员能够根据管理需要对道路状况进行各方位的监控，本工程方案设计全部采用技术成熟、全球领先的高清网络摄像机。

高速公路外场监控点每处摄像机立柱上设置2台枪型固定摄像机分别对道路的上、下行方向进行监控。间隔2km～3km以及事故多发路段，加装一台云台摄像机(采用一固定一云台方式)。大型桥梁监控摄像机采用枪型固定摄像机。

2)外场摄像机的设置位置

根据高速公路的道路情况，本项目采用在1处外场摄像机立柱上设置2台外场摄像机的方式，结合道路线形和太阳能采光等因素将外场摄像机立柱设置于道路两侧，桥梁监控摄像机设置于大型桥梁两端梁底外沿，南北两侧各设置1台摄像机。

3.2 前端监控设计

前端监控对象主要是对高速路实时监控，采用1 080P高清分辨网络摄像机。基于网络视频产品所构建的数字化视频监控系统采用POE供电可以直接连入网络，达到即插即用的效果，省掉多种复杂的电缆，安装方便(仅需设置一个IP地址)，用户也无需安装任何硬件设备，仅通过PC机用浏览器即可观看，解决了前几代系统的诸多弊端。

3.3 视频管理平台设计方案

3.3.1 管理平台层级结构

管理平台可以按数据的流向可分为四个层级：数据采集层、网络传输层、数据管理层、数据应用层。

1)数据采集层

前端的数据采集层由网络摄像机和探测设备组成，完成对监控场景中的音视频数据和报警信号的采集。网络摄像机通过感光元件，把光学信号转换成视频数字电信号后，再经过视频压缩技术，在网络上传输。传输带宽根据视频分辨率和视频质量决定。

2)网络传输层

网络传输层是指由交换机负责交换数据，前端的数字视频信号通过网络进行传输。数据传输层除了视频信号外，同时也肩负着其他系统与视频系统的数据交互，只要信息在TCP/IP网络上传输，都可以进行数据交互与展示。网络传输的质量，同样也影响着后端数据处理的表现。

3)数据管理层

数据管理层是系统的核心，部署了存储转发服务器、集中管理服务器等设备，负责对前端视频流的连接、存储与转发。存储转发服务器从前端获取视频数据，然后再进行分发，包括提供给智能分析及数据应用层的电视墙服务器、控制客户端等应用，当多个应用同时调取一路视频的时候，存储转发服务器支持组播，数据转发的任务由交换机完成，而不会重复从前端摄像机和服务器上获取，减少摄像机与服务器的压力。

4)数据应用层

数据应用层包含了监控中心所有的终端应用功能，可调用数据处理层的数据进行展示，在该层部署有电视墙服务器、客户端工作站等设备。通过信息一体化技术，除了视频显示外，还可以与智能分析、GIS地图、周界报警等系统进行联合数据展示，提高整体安防水平。

3.3.2 平台功能特点

1)高清显示

(1)丰富的自定义显示模式

图3 自定义显示模式

为了方便监控人员调节显示效果，客户端模块还提供自定义视频框、自动分屏、全屏模式或窗口模式等功能。监控人员可以控制P/T/Z、键盘，通过改变变焦倍数和视角，达到对视频场景缩小和局部放大的效果；根据具体场景和采取不同的摄像机，监控人员可以通过固定焦距和固定光圈，避免在背光、明暗对比强等业务场景中视频所出现的虚焦、画面过曝或欠曝等情况。而为了提高系统的可行性，客户端模块还可以记录摄像机的预设位，通过预设位可以快速切换摄像机的取景范围，如图三所示。

(2)千万像素高清画面拼接显示

支持1 080P高清视频进行剪裁、旋转、拼接；可对视频进行光亮度、色彩等调节，达到画面色彩拼接平滑的效果；跨电视墙服务器进行集群输出，与拼接屏结合可拼接千万像素的视频画面，如图4所示。

(3)虚拟电视墙

虚拟电视墙专为电视墙大屏控制打造，用户可通过控制台的客户端和可视化的操作对整个大屏进行视频切换，轻松完成电视墙的控制，如图5所示。

图4 高清画面拼接显示

可根据实际电视墙布局对虚拟电视墙进行调整；可通过鼠标、触摸屏进行快速控制，灵活操作；支持跨服务器视频流切换。

图5 虚拟电视墙

(4)码流自适应切换

可实现同时显示多路高清视频。分屏显示时采用低码流显示，单画面显示的时候自动转为高清显示，突出画面细节，如图6所示。

图6 码流自适应切换

2)录像存储及回放

(1)PB级高清存储

本方案云存储服务器架构，遵循云服务分布式架构，通过集群式协同工作，让多台服务器并行运行，从而达到资源最大化的目的，也通过这样的方式，突破了传统NVR单台服务器集中运行的瓶颈。

在云存储的架构下，存储服务可以支持超大容量高清视频的存储，单个集群总容量达到5PB级别，在集群中单台服务器支持32路1 080P和64路720P视频数据进行存储。并且通过分布式算法，在数据检索时能更快、更准确的找到所需要的数据。

(2)海量数据快速检索

录像信息系统是一个数据量很大的系统，在事后还原事件中起到至关重要的作用。

录像回放给事后取证、业务分析等需求提供视频资料。相关监控人员及领导可通过时间、事件、地点、书签等条件进行对录像视频和事件记录的检索，监控人员通过客户端工作站查看录像视频时，可即时对录像视频或实时录像视频加入书签。当检索录像时，便可以根据书签进行检索，方便录像查看及应用。相关部门在对事件进行调查时，相关人员可以将事件的录像和其他报警信息统一进行导出，成为还原事件的一份有力证据。

(3)录像智能检索回放：按时间、设备名称、地址等为条件检索回放

支持时间轴上叠加的动态侦测信息，快速判断有价值的录像片段进行检索。

支持时间切片检索回放：将一段完整录像根据可自定义的时间间隔切片，并提供每一片段的第一帧为快照，快速定位。

支持插入书签及书签模糊检索，可快速切换至事件发生时刻。

录像档案管理：系统可以将重要的事件录像、手动检索获得的录像、同类事件的录像进行手动建档归类，以档案的形式管理录像资料。

3)高可靠平台设计

本方案平台为客户提供具备高可靠7×24h运行的解决方案，支持三种高可靠机制。

危险隔离：平台接入的视频设备本身存有运行不稳定的隐患，有些设备也会因采购时间久远而故障频发，平台采用危险隔离的机制，通过设备代理模块接入编码器、DVR，确保系统不会因该部分的故障而崩溃。

时至今日，传统中国山水画的创作者们仍然在从前辈的画作中汲取营养，学习他们甘于平淡的艺术精神。从政治经济环境来说，现今的社会和古代社会已发生了天壤之别，当今的山水画作者所处的时代背景决定了他们并不会完全像古代画家一样去追求离尘出世。然而中国文化的内核一直未曾改变，都是以儒释道为核心的。这一点决定了中国山水画的艺术追求不会发生根本的转变，隐逸山林、心生出离的基调也不会彻底改变。

冗余机制：冗余是整个高可靠设计最重要的部分，系统核心部件—集中管理服务器可采用双机热备，存储转发服务器可采用N+M冗余机制。

智能维护：系统平台提供软件看门狗，通过进程之间的监视，系统发生故障时自行重启并恢复到原来的工作。

3.3.3 一体化展示

1)统一指挥

视频管理平台可综合集成各监控子系统及第三方业务系统，以GIS地图为用户界面，作为信息呈现、操控指挥的载体，通过一体化、智能化的展示，将保安人员从大量视频画面的监控疲劳中解放出来，便于掌握全局的安全状态。

(1)各种前端设备的部署与检索

①前端设备(摄像机、门禁、报警及消防等设备)分区域、楼层部署

(2)直观的信息集中呈现方式

①设备、区域状态信息，警情信息直观的视图化展示

②可基于安全策略创建个性化周界和探测区域

③可根据现场情况(工作日/非工作日、实时戒备/人员来访、日/夜、晴/雨/雾等天气)调整周界或探测区域的报警等级

2)报警联动

系统平台可以和众多的第三方系统联动，如出入口控制系统、入侵防范报警系统、视频智能分析系统、照明系统、消防系统，停车场管理系统等。

当这些第三方系统与平台通讯时，平台可以执行一连串的动作，如启动录像、抓拍图片、弹出电子地图、弹出某几路视频画面在大屏上显示等等。

采用模块化设计，所有的联动动作都具备细致的自定义功能设置，可灵活应对各种突发事件，制定不同的报警联动策略。

3)场景监控

在GIS地图上可直观显示摄像机的可视范围和当前视角，快速查找到监控画面。点击所关注的场景，将立即弹出以点击位置为中心的监控画面。

支持在浮动窗口直接对视频进行控制。

同一监控场景有多台摄像机的视角重叠时可一次调用多个视频进行查看，实现多方位监控。

图7 场景多方位监控

3.3.4 设备运行维护

系统支持对前端设备进行状态侦测，检测内容包括设备是否在线，是否有视频数据连接，云台是否正常。可以调整服务器定时向摄像机进行这些条件的检测。检测完后，可以在软件中进行保存、记录，形成电子表格进行汇总，这样对于使用者来说，能一目了然地知道整体系统运行情况，而不必等到出现事故时，才发现问题。除了记录外，所有设备在客户端上都有状态提示，某些设备出现故障，会有标识进行提醒，客户可以在系统使用的过程中避开这些出现故障的设备。

1)设备运行状态监测

系统可以采用HTTP方式或PING方式对摄像机进行定期轮巡扫描，扫描间隔可设置。采用HTTP方式而非Ping方式地好处在于，Ping方式只能知道IP是否能连通，但是无法知道摄像机访问控制是否正常，而HTTP则可以确定设备数据传输、访问控制是否在正常工作。

2)设备视频流监测

设备视频监测主要检测设备连通后是否有视频流，系统在服务器端加入每个IP的流量统计，当流量在规定时间内平均值低于阀值后，发出报警信号，告知相关人员该摄像机视频流低，可能出现异常，需要对其进行检修。

3)数据表格统计

在有了大量检测数据后，系统把所有数据进行汇总，然后以表格的形式表现出来。通过表格，用户可以直观的看到哪些摄像机是完全正常的，哪些设备是出现故障的，并且可以具体了解到是哪部分的故障。

表格统计还支持以Excel表格的形式导出，这样可以方便用户做设备维护统计，或在后续修复过程中，以表格的形式作为工作的依据。

3.3.5 系统统一管理

1)集中管理各站点的服务器，保障服务器稳定运行

服务器集群管理，建立一级中心平台，集中管理各地服务器；

摄像机参数、电子地图、轮巡策略、录像策略、报警联动策略等数据的集中管理、备份及恢复；

服务器自动重连、远程重启；

服务器断开连接状态报警；

看门狗远程重启服务器恢复运行、定期重启以保障系统稳定；

录像故障报警。

2)精细的用户权限管理

每个用户设置不同的管辖范围；

提供常用的14种控制权限；

可精确到对每一台摄像机拥有不同的控制权限；角色权限可继承，便于快速添加用户。

3.3.6 模数两套系统无缝整合

随着新的高清网络监控系统的建设，用户面临着如何把原有模拟视频监控系统(以模拟矩阵为中心)融入到网络监控系统中去的问题，本方案中的视频管理平台提供的模数视频监控整合方案可以完美地集成原有模拟监控系统到现有网络视频监控系统中去。

平台的客户端软件(E-Client)内置模拟矩阵控制模块，支持多种模拟矩阵控制协议的接入(比如Pelco模拟矩阵控制协议)，当操控员需要调用某一路模拟系统的视频时，可通过串行接口或以太网接口方式发送控制指令到模拟矩阵或模拟矩阵控制器。只需再增加若干台视频编码器，将模拟矩阵的视频输出接口与视频编码器的视频输入接口连接，客户端所调用的视频通过编码器进行编码压缩后传输至监控平台，这样就可以在网络视频监控系统中直接调用模拟系统的视频了。

方案示意图如图8。

3.4 网络传输设计方案

图8 模数系统整合方案示意图

数字视频系统基于独立监控网络，即：实现“前端百兆接入，千兆汇聚”的先进高速网络。该网络可快速、安全、稳定的传输所有监控信息，系统基于3层网络传输，采用生成树协议提供链路冗余。

1)网络结构

为了保证单点故障不引起大面积功能丧失，本视频监控系统整体网络设架构设计为冗余架构，包括接入交换层、汇聚层和核心层的星型结构；

本次所有视频监控点的信号均采用光纤进行传输，配备光端机，并选用单口POE供电模块，为摄像机供电，光端机和POE供电模块就近安装于前端设备箱；节点带有光保护功能，每台发射机之间可相互替换，当其中一个节点远端机发生故障时，不影响后续节点图像的正常传输。

2)带宽计算

网络视频监控基于宽带网络传输视频流，其所占用的带宽与所使用的图像压缩格式、图像分辨率、图像压缩率以及图像内容密切相关。IP摄像机在所有分辨率条件(1080P，1080i，720P等)下均可达到每秒25帧(或更高)的传输速率，每台设备所占用的带宽资源位于几十K到6M之间。表1列出了中等压缩率(压缩率值设置为30)，全帧速(25帧每秒)条件下，单台设备在不同分辨率和不同压缩格式下的带宽占用参考值：

考虑到不同的网络应用环境，IP摄像机提供了多种带宽管理技术，可根据用户实际情况，自行调节设备的带宽占用量。IP摄像机采用的H.264压缩格式在同样条件下，对于带宽和存储的占用量都比现有MPEG-4编码方式低50%左右。

表1 单台设备在不同分辨率及不同压缩格式下带宽占用参考值

3.5 存储设计方案

本工程视频监控系统中摄像机压缩格式采用H.264格式，分辨率为1080P(1920X1080)，每路摄像机全实时25fps视频流量大概为6Mbps，则每路摄像机每天所需存储容量见表2：

表2 摄像机每天所需存储容量

总共需要存储计算见表3。

表3 摄像机所需存储总量

4 结束语

随着网络技术、芯片技术、图像传感技术、图像压缩技术和嵌入式等技术的飞速发展，视频监控系统也会沿着网络化、全数字化、智能化的方向发展；高速公路的远程网络视频监控系统解决方案，必将成功地应用到高速公路行业信息管理中，利用先进的科技手段提高交通管理水平，为交通规划，交通管理，交通信息发布和交通疏导等提供重要的基础和运行数据。

[1]张峰华，程龙飞，陆 树 嵩.高速公路外场监控设备安装点的选取方法[J].中国交通信息产业.2007(2).