高速公路隧道监控系统的设计与实现

赵学利

（河北睿通高速公路联网运营有限责任公司，河北石家庄 050000）

0 引言

高速公路隧道监控系统主要的要求是对隧道内运行的车辆、设备进行全天候实时监控，采集隧道内的设备运行数据、道路环境及气象条件参数，将采集到的数据传输至系统控制中心，由控制中心对收集到的现场数据进行分析，并做出决策，再通过通信系统将决策信息传送至信息发布设备，使得需要经过隧道的车辆及时获取隧道内的通行情况信息。此外，隧道监控系统还包含通风、照明、供电、交控等子系统，各个模块与监控系统协调运行，保障隧道内的环境安全及道路安全。

1 高速公路隧道监控系统功能需求

高速公路隧道监控系统的功能需求包括以下3 个：①实时数据采集，这是整个监控系统的核心内容。监控系统需要采集隧道内的交通状态、环境状态，实时监控隧道内的异常情况，并针对交通事故高发时段进行检测，做好视频记录，一旦发生交通事故能够提供对应的救援服务；一旦隧道内发生重大交通事故或交通拥堵，监控系统能够通过信息发布模块发布实时交通信息，通过限速标志或其他措施对后续车辆完成诱导控制；②能够预先判断出隧道内存在的安全隐患，并采取对应的处理措施，降低事故及二次交通事故的发生率；为公众的出行提供隧道运行状态信息；③与高速公路其他管理系统互相融合，包括收费系统、出行者服务系统等，构建一个完善的高速公路管理路网，最大限度实现高速公路的通行能力。

2 高速公路隧道监控系统的设计与实现

2.1 系统功能

高速公路隧道智能视频监控系统需要具备视频控制、系统参数设置、视频处理、数据库查询及报警自动切换等功能，这些功能需要通过以下子模块来实现：①系统管理模块，主要作用是管理用户及系统数据信息，实际应用中可以查询用户信息、用户设置，并根据用户的级别设置不同的管理权限，不同的权限级别再针对不同的服务内容，用户级别包括管理员、值班员及普通用户等；②参数设置模块，主要对隧道内的相关参数进行设置，包括采样周期、摄像头参数设置、系统串口及设备定义等内容；③视频控制模块，主要包括视频采集、视频控制及视频处理等功能，其中视频采集模块主要是保证系统监控无死角，因为隧道内对摄像机的布置要求更高，缩小了摄像机的有效视场，此时需要增加摄像机的数据保证视频采集的完整性；视频控制主要通过视频矩阵切换器控制视频流的采集与存储过程；视频处理则是利用计算机视觉技术分析、处理现场采集到的视频，获取对应的交通状态信息；④信息查询模块，主要作用是查询管理系统信息、运行信息及事件信息等；⑤系统调试模块，主要作用是进行系统的调试与维护；⑥自动切换模块，即向监控管理人员呈现异常出现的监控点，系统可以根据报警场景自动切换矩阵切换器。监控系统功能结构如图1 所示。

图1 系统功能结构

2.2 系统硬件设计与实现

高速公路隧道监控系统的硬件系统主要包括前端设备、传输设备及站端设备三大模块。

2.2.1 前端设备

隧道洞口、洞内及横洞等重点监测场景中设置的视频采集设备即为前端设备，通过高清摄像机能够实时采集隧道内的运行情况。洞口摄像机选择高清采集传输一体化球机，清晰的监视隧道周围环境，并对隧道洞口的运行情况进行高清巡视；在隧道内非特殊路段可设置洞内固定摄像机，间隔距离在150 m 左右，采用固定高清采集传输一体化枪式摄像机，全程监控隧道内的运行情况；横洞摄像机主要设置于隧道内横洞或停车带等区域，采用高清采集传输一体化球机，全方位监控停车带或横洞的交通运行情况。

2.2.2 传输设备

前端设备采集到隧道内的运行数据信息后，通过传输设备将信息传送至站端的高清数字综合平台。前端设备采用的是图像采集与视频压缩、传输一体的摄像机，该摄像机机身内嵌入通信传输模块，可直接接入高速远程传输网络，通过光纤环网连接高清数字视频综合管理平台。无需额外配置通信传输设备，摄像机采用的是新型光纤接入网技术，即光纤自愈保护技术，能够实现光纤快速自愈恢复，最大程度上保证了视频信息采集的稳定性与可靠性。前端摄像机内还包含有智能分析模块，能够实时监测隧道内的异常事件及正常运行状态。

2.2.3 站端设备

传输设备将前端设备采集到的视频信息发送至站端高清数字综合平台进行处理分析，该平台连接系统其他模块，是站端核心设备，与其他设备连接完成数据的传输与管理。具体而言，站端高清数字综合平台可以实现四大功能，即综合接入、视频矩阵交换、大屏控制、联网监控等。视频矩阵交换则能够实现上述综合接入各种信号之间的混合交换，保证视频输出无延时、无损伤，输出高清或标清的视频内容；大屏控制主要通过多窗口拼接、图像分割、缩放等，将系统采集到的视频根据不同的应用环境多画面、多屏幕地显示出来；联网控制主要是将前端设备、监控分中心、总中心及桌面用户组成的视频联网，形成完整的监控网络。研究的站端核心设备采用型号为VAR3S 的高清数字视频综合平台，基本可满足系统需求。

2.3 系统软件设计与实现

研究提出的高速公路隧道监控系统软件设计采用Microsoft Windows Server 10，数据库管理系统采用Microsoft SQL Server 2019，开发工具采用Visual C++6.0。整个高速公路隧道监控系统中，视频数字图像处理是核心模块，通常摄像机设置于隧道内部、隧道内出入口固定位置，因此视频监控场景背景也是固定的，在这种条件下可以应用算法更简洁的背景差分算法，无论车辆处于运动状态或静止状态，均能够获得较好的实时性及适用性。背景差分算法默认隧道监控场景背景是固定不变的，具体计算步骤如下：首先选择合适的算法，通过合理的计算获取目标环境的背景图像及实时图像，对获取到的图像进行预处理，主要包括灰度化及对应的像素点做差，根据限定阈值提取车辆的特征信息，其计算公式如下：

式中 DBt（x，y）——t 时刻的目标分割结果

It（x，y）——t 时刻待分析灰度图

Bt（x，y）——t 时刻背景更新灰度图像

TH——分割阈值，确定阈值可采用多次试验或试凑法，阈值选取会直接影响目标分割结果

2.4 视频处理程序运行

系统进行视频处理程序运行时，首先进行系统初始化处理，启动系统后，将虚拟检测器置于视频监控图像中，为后续的视频分析做好充分的准备。接下来进行视频图像的预处理，预处理主要是对图像进行校正、增强及灰度化处理，其中灰度化处理是用数字化处理模拟视频后将其转换为灰度图像，可以起到减少检测数据量的作用；视频图像的质量受到多种因素的影响，包括隧道内的环境变化、摄像设备本身的性能及图像采集过程等，易导致视频图像发生畸变及噪声，针对这种情况需对图像进行校正与增强。

接下来进行目标检测与定位。采用自适应混合高斯分布方法提取视频场景背景，并实时更新环境动态变化情况；利用上述背景差分法及阈值分割技术获得目标检测结果，进行二值化处理提取运动车辆目标；采用形态学滤波操作消除不连续及空洞问题，采用一次膨胀操作及一次腐蚀操作，改善目标区域的空间连通性；提取目标连通区域计算重心，确定检测目标的位置。最后进行车辆区配跟踪，抽取目标区域图像特征。

3 系统测试

系统测试包括单元调试、集成调试、确认调试等，采用白盒测试法对对应模块的功能情况进行检查，分析视频图像处理模块内部逻辑是否恰当，集成调试即用渐增式的黑盒测试进行组装测试，最后进行确认调试，检查图像处理程序的性能及功能是否满足用户需求。经过测试可知，研究提出的高速公路隧道监控系统能够满足用户需求。