基于H.265 的隧道施工全景无线视频监控系统研究

程梨明，周永，陈军程，马军旗，王进进，张志增

（1.中原工学院建筑工程学院，郑州450007；2.中电建路桥集团玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪653100）

1 引言

伴随着我国经济的持续发展，综合国力不断增强，对交通运输业的发展有很大的刺激作用[1]。其中，公路运输与铁路运输在交通运输业起着不可替代的作用，隧道能够通过优化线形和缩短距离来减少旅行与运输时间，有效地提高运营收益，达到节能减排的效果。隧道的造价较高，而且隧道施工的管理也相对复杂，存在着较多的安全隐患。利用无线全景视频监控技术进行施工监控，能够在隧道施工过程中确保工程质量[2]，在保证工程质量安全可靠的前提下降低施工成本，实现项目信息的高效管理。及时全面地收集、分析隧道内的实时情况，也将提高公路隧道、城市隧道、铁路隧道工程项目的管理与施工技术水平，可以为探索高效模式提供实践与应用基础。

H.265 是一种高效视频压缩编码技术，与H.264 相比，传输同样质量的视频需原来带宽的1/2[3]，完美地解决了由于带宽限制传输图片时容易出现丢帧、画面延时及传输干扰容易造成的连接中断现象[4]。全景视频需要的带宽较高，H.265 的高压缩性能使高清的全景视频无线传输得以实现。

2 系统优势

系统优势主要体现在以下几个方面：

1）由于隧道内的施工环境较为复杂，人员流动量大，机械设备较多[5]，如果采用有线的形式进行信号的传输，不仅布线会遇到困难，而且固定的网络线路难以适应隧道内多变的施工环境。机械运作时难以避免发生线路破坏的问题，整个监控系统由于信号传输环节的失效而导致整个监控系统瘫痪。

2）随着隧道的掘进，可以随时根据需求布设新的全景摄像头或对全景摄像头的位置进行合理的调整。采用全景摄像机进行布控的优势在于，全景相机的监控范围较大，使用1 台机器就可以对一个监控点的全方位布控，可大大减少布控成本。

3）H.265 编码标准是在现有的H.264 编码标准的基础上进行改进而来，可以改善码流、编码的质量、延迟及算法复杂度之间的关系[6]。传输单路720P（分辨率1 280×720）普通高清视频利用H.265 编码标准进行视频编码只需要1～2Mb/s 就可完成信号的传输，更能实现4K（4 096×2 160）与8K（8 192×4 320）超高清视频的传输。隧道施工过程中需要监控的点较多，加上全景高清视频的传输占用带宽较高，采用H.265 进行视频的编码能够很好地解决全景无线视频监控系统中无线传输的问题。

3 系统的搭建

系统由全景视频采集模块、无线信号传递模块、文件与全景相机管理模块、监控视频播放模块4 部分组成。全景视频采集模块由全景摄像头、辅助照明设备、无线网桥组成；无线信号传递模块由交换机和无线网桥、网线组成；文件与全景相机管理模块由无线网桥、交换机、网络硬盘录像机、文件服务器组成；监控视频播放模块由电脑、显示器、头戴式VR 显示设备组成。图1 为全景无线视频监控系统示意图。

图1 全景无线视频监控系统示意图

3.1 全景视频采集与编码

考虑隧道内光线问题，加之部分隧道具有弯道，根据极限原则，应以弯道或监控死角为基准点，以全景摄像头的最大夜视半径的2 倍为安装距离进行摄像头的安装。

在不影响施工的前提下，一般安装在隧道侧壁或拱顶，并配备辅助照明设备以确保拍摄出的全景视频的清晰度，方便技术人员做出正确判断与决定。拍摄的全景视频以H.265 的编码标准进行编码，每台全景网络摄像机连接1 台无线网桥（也可邻近的多台摄像机通过1 台小型交换机共用1 台无线网桥）进行全景视频的信号传输，设备由电源或就近电路进行供电。

3.2 无线信号的传递

市场上常见的无线频段为2.4Hz 频段和5.0Hz 频段2种。2.4Hz 频段的绕射能力与穿墙能力强于5.0Hz 频段，但传播距离、信号强度、稳定性、传播数据的速率均不如5.0Hz，且由于隧道大部分呈直线型，故选用5.0Hz 用于信号传递较为合适。为了保证系统的可靠性，网桥的有效传输距离不得低于5km，传输速率不得低于500Mb/s，安装方式以隧道拐点为基准点，以500～600m 的距离进行中继点的布设，布设位置在不影响施工的情况下以隧道拱顶为宜。

3.3 文件与全景相机管理

根据视频拍摄模块总数据流量的大小，由1 台或多台无线网桥进行信号的接收，同时传递到交换机进行汇总，由交换机将视频信号传递到网络硬盘录像机中进行本地的数据备份与管理（硬盘录像机可以把视频根据不同摄像头和不同的时间段进行管理，以便于使用时的精确调用）。

硬盘录像机还可以对前端的摄像机进行设置管理，例如，对摄像机的开关机及定时录像。可将硬盘录像机的储存路径更改至文件服务器，既可在局域网内也可利用外网通过手机、电脑等登录系统账号，对视频文件进行权限内的访问与管理。此外，要注意文件服务器与储存空间的配置，以保证视频的保存时间能够满足需求。可根据所选摄像机的码率，布设总个数，保存天数由：总容量（GB）=位率（Kbit/s）/8×保存时间周期×通道数/1 024/1 024 估算需要配备的硬盘容量。例如，32 路视频，码率4M，保存90d：计算出大概硬盘容量为=4/8×3 600s×24h×90d×32 路视频/1 024/1 024=118T。

3.4 监控视频播放模块

首先要给监控中心配置必要的硬件设施，才能发挥全景无线视频监控的画面优势。需要配置的硬件包括电脑、电视墙、头戴式VR 播放设备，以及必要的供电设施。所有硬件安装连接到位以后，在监控电脑中根据提供的账号密码对监控文件进行访问。这种监控中心除了能对全景视频进行常规的分屏观看，还可以通过VIVEPORT 播放器连接头戴式VR 视频播放设备观看全景视频。这种观看模式更具有真实感，给人以身临其境的感觉，带来更好的观看体验与效果。

4 结语

随着科学技术的发展，越来越多的高新技术将会被应用到工程建设之中，工程建设将迎来智能化时代。基于H.265 的全景无线视频监控系统具有监控覆盖面广、画质清晰，对各种环境适应能力强，系统布设方便简洁，投入小收益大，能够通过多客户端进行监控的调用，还能够通过全景设备进行全景视频的观看，H.265 的全景无线视频监控系统必将在今后的隧道施工中受到越来越多的关注。此设计也给隧道全景无线监控系统的布设提供借鉴。