高速公路数字视频监控系统的架构设计

邢磊

摘 要：从高速公路智能监控体系的需求入手，设计针对天津市高速公路联网需求的监控系统解决方案。将整套系统分为五个层面：应用、管理、存储、转发、采集。通过展开这五个层面来规范化视频监控系统的架构。

关键词：高速公路；运营管理；机电系统；视频监控

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0027-02

1 应用背景

目前天津高速集团各路网的视频监控体系无法相互协同，主要是因为系统建设时间不一致，采用的信息化建设标准也不同，设计方案各异，设备种类多样等因素的存在，致使系统管理不便、建设维护成本高、应用扩展受限等诸多问题和弊端，使视频监控技术在高速公路管理体系中难以发挥更大的影响。

因此，在天津高速集团所辖路网范围内，能够实现不同硬件设备与异构网络组成视频监控系统之间的数据共享，达到了利用现有各类视频监控资源、实现视频监控系统的联网就是本文的目的。

2 设计基础

该系统应当适应于各类高速公路的业务环境中，系统整体有着非常强的抗干扰性和高度的扩展性。因此，该系统的设计基础如下[1]：

（1）实用性是高速公路视频监控系统核心目标。因此为了使高速公路视频监控系统具有高操作性和实用性，需要对整体监控及检测过程进行深入的研究分析来设计视频监控系统，同时需要简介美观且易操作的交互界面，人机友好，信息提示准确。

（2）高速公路监控系统的所有功能及业务流程设计应模块化，可满足后续发展的需要。针对高速公路监控管理的需求不断变化，所提供的监控系统应有充分的扩展性；同时系统开发应预留出足够的数据存储空间满足日益增长的信息处理及数据量不断增加的需求。同时要预先考虑到业务数据的导入和导出，各部门的业务信息发展以及新数据信息源的存储和提取等方面[2]。

（3）为了保证系统的高鲁棒性和稳定性，高速公路监控系统应具备高效的技术框架作为支撑，在系统开发过程中采用快速原型法设计出系统原型和业务数据流程，进而最终实现系统平台的应用。

3 架构设计

根据系统软件的总体架构设计，同时按照系统调用顺序划分，可将架构分成应用层、管理层、存储层、转发层、采集层共5个层，如图1所示。

3.1 视频应用层

视频应用层为视频管理系统的交互/显示单元，支持视频监控客户端的视频软解码显示和视频监控中心通过视频硬解码实现大屏幕的解码显示。支持本片区或收费站内视频组播模式下的实时视频切换、视频云台控制、视频事件报警联动、视频存储和录像等功能；支持本片区或收费站内视频单播模式下的历史视频点播；以及第三方级联单位需要的实时视频单播直播请求、PTZ控制、历史视频点播、单播码流请求等。

应用层包括视频显示客户端和配置管理客户端。

（1）视频显示客户端，完成2部分功能：1）用于显示视频资源信息，如：IPC摄像机、编码器数据的显示，宏操作、本地录像、抓屏等操作。2）用于视频图像的显示和遥控控制，如：切换摄像机、运行巡检、软解码播放实时视频、VOD视频点播、切换视频源、本地文件播放、摄像机状态查询、本地资源浏览、云台控制、摄像机参数控制等。

（2）配置管理客户端，完成如下功能：1）服务器参数的配置；2）用于平台维护功能，对摄像机、解码器、编码器、IPC、监视器、网络键盘等进行配置，使这些设备协同工作；3）用户和用户组，对于对摄像机、解码器、编码器、IPC、监视器、网络键盤等操作权限的控制和设置；4）巡检设置、宏编辑设置、摄像机码流等参数设置；5）配置控制接口，用于第三方平台的接入控制和对第三方平台的控制；6）实现服务器平台配置参数的上传、下载、保存、打开功能；7）检查配置参数的正确性，错误的配置参数，不允许上传到服务器；8）下载配置参数的自动保存到缓存区，防止突然掉电造成的参数丢失。

3.2 视频管理层

视频管理层主要由视频管理服务器实现视频设备的协调、管理和控制功能，视频管理服务器是视频控制、管理的核心单元。它实现了各个设备的调度和管理功能，实现整个视频监控系统的设备、视频流的管理和共享，控制着媒体分发、存储、系统管理、用户管理以及与第三方系统的互联等，并可对重要视频图像信息进行存储、检索。

管理服务器实现设备接入管理、平台接入管理、业务管理、用户管理4个子系统模块。

（1）设备接入管理：实现视频设备相关的调度管理功能，如设备配置、设备状态查询、云台控制、设备码流的请求和转发管理、设备校时、码流参数设置、设备报警消警管理等；设备接入管理模块，完成如下功能：

（2）平台接入管理：实现第三方联网视频监控系统与本系统之间对接，而组成的具有统一格式协议通信能力，具有设备注册与发现、用户认证与管理、监控图像获取与控制、联网设备状态查询等功能的逻辑实体。平台接入管理，由平台接入模块和平台控制模块组成，平台接入模块支持第三方系统对本地平台进行远程控制；平台控制模块，支持本地平台系统对第三方视频监控系统平台进行远程控制。

（3）业务管理：业务管理功能实现管理服务器接收外部客户端的业务请求，对相关设备信令的转发和设备调度功能，实现将业务请求翻译成对设备或子系统的调度指令，以实现请求的功能响应，如实现实时视频切换、视频点播控制、视频巡检、操作权限控制、事件联动录像、报警信息处理等业务处理功能。

业务管理模块是信令处理和转发模块，业务管理模块本身并不承担实际视频处理功能，业务管理模块通过接收客户端请求信令和根据请求信令进行权限判断和对请求的目标设备及相关服务器进行信令调度与控制。

（4）用户管理：用户管理功能，实现视频系统用户管理功能，包括用户登录管理、用户管理、用户权限管理等。

3.3 视频采集层

视频采集层包括前端视频采集设备和前端视频设备接入层软件，前端视频设备接入层设置视频采集和接入单元，支持收费站或高速公路片区多种视频设备的接入控制，采集（或接入单元）是视频监控系统的信息采集（或接入）功能单元，主要完成对监控点现场连续画面（也可以包含声音）的采集、编码、视频广播，通过传输网络传递到视频接收端，同时接收管理平台下达的控制指令并加以执行。

（1）组播码流的采集和接入：系统首次启动，收费站和片区管理服务器会分别根据数据库中的视频存储设定，向收费站或高速公路片区主线前端视频采集设备，发送组播广播指令，并通知对应片区存储服务器，实时获取组播码流进行存储。

（2）单播码流的采集/接入和转发过程：高速公路信息中心或第三方视频监控系统，对本视频监控系统片区管理服务器发送实时视频请求，视频管理服务器根据权限和请求设备所在区域向本片区前端设备发送码流广播请求或向下级收费站管理服务器发送码流广播请求，前端视频设备接到请求指令开始向指定组播地址广播码流，同时流媒体收到管理服务器的从指定组播地址获取码流指令，从指定组播广播地址获取码流，并向指定接收端转发单播码流。

3.4 视频转发层

视频转发层可设置视频流媒体存储转发服务器，承担实时直播视频码流的获取和码流转发任务。

在本设计中流媒体服务器只设置在片区分中心，响应上级高速公路信息中心或相邻视频监控分中心的实时和历史视频请求控制指令；同时流媒体服务器应当支持上级视频管理中心向其所在层的流媒体服务器请求下级单位的实时视频，从而建立的上下级流媒体服务器之间的视频流请求。

（1）组播码流的转发。在本视频方案中，收费站站内车道、收费亭、收费广场、室内监控摄像机，高速公路片区主线前端视频设备，全部采用组播广播的码流发送方式，收费站级不设置流媒体转发服务器。收费站级和片区监控中心级视频客户端和视频解码器等视频设备，通过直接获取组播码流实现视频实时监控。

（2）单播码流的转发。在片区分监控中心为满足视频上报和交互共享需求，同时抑制网络广播风暴，在对外视频交换共享中，设置片区级流媒体服务器对外进行单播码流转发。根据外部交互共享視频监控系统的视频请求、视频设备的数量和性能要求，视频平台支持同一级别建立多个视频流媒体服务器，视频管理服务器通过跟踪活跃的流媒体服务器转发的视频流数量，自动在多个流媒体服务器之间实现负载均衡。

3.5 视频存储层

存储管理服务器实现获取实时组播码流，实现实时录像和报警录像、录像文件、录像时段的管理，响应VOD点播请求，检索并读取录像文件，按照请求码流要求向指定点播客户端发送录像码流。视频存储点播服务器实现视频录像模块、录像查询模块、业务模块、码流存储模块、录像读取模块、码流转发、磁盘管理等7个功能模块。

4 结语

总结本文在详细了解了视频监控联网的技术及其发展趋势的基础之上，又综合分析及研究了市场上主流的视频联网标准及相应的技术规范，并充分考虑了天津高速集团所辖路网范围内视频系统的业务需求和实际情况，而设计了这套天津高速公路数字视频联网监控系统，进而在节约成本，提高工作效率的同时又对动态交通起到了积极的推动作用，进而对高速公路的信息化建设以及有序管理起着非常重要的意义。

参考文献

[1]陈小兵，杨武，高速公路视频监控系统设计方案及发展方向[J].公路交通科技：应用技术版，2011.11（83）：4-6.

[2]赵妍.公路隧道交通事件视频监控系统的研究与实现[D].长安大学，2010.