高速公路视频云联网平台设计与研究

赵阳，黄印林，陶国信

（1.贵州省交通信息与应急指挥中心，贵州 贵阳 550001；2.贵州中南交通科技有限公司，贵州 贵阳 550018；3.贵州道坦坦科技股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

在当前国家积极推动交通运输行业高质量发展的背景下，全国各地区交通运输主管部门正积极开展高速公路视频云联网平台建设工作，不断完善高速公路可视化管理，提高服务水平，取得了积极成效。但当前高速公路视频云联网平台的建设仍面临技术指标不统一、设备位置信息不准确、视频质量难保障、道路信息延时高等问题。随着互联网、人工智能、大数据等新技术的不断发展，如何在利用新一代信息技术的同时紧贴政策需要，解决高速公路视频联网平台建设难点，是当前路网视频监控改革面临的最新挑战。

1 现状分析

我国各省市原有的高速公路数字化、可视化管理解决方案大多为独立的系统，虽然随着近年来高速公路视频监控信息化建设投入的不断增加，高速公路视频监控系统功能都得到大幅提升，但是由于各省份建设时间、建设范围、建设功能和技术能力的不同，已无法满足当前全国高速公路视频全联网、全覆盖与智能化要求。与此同时，传统的高速公路监控视频组网模式采用骨干网层层汇聚，受限于骨干网带宽和最小颗粒度的限制，可以同时调看的视频路数十分有限，难以保障视频质量，在高并发需求情况下，难以满足高速公路管理部门以及为社会公众的服务需求。因此，积极推动高速公路视频云联网平台的建设可以进一步发挥高速公路网的协同调度功能，实现高速公路视频监控设施的全网互联和视频资源的实时在线共享，这对于进一步促进高速公路网的高效运营和管理，为人们提供更便捷的出行信息服务具有重要意义。

2 主要存在问题

在分析我国原有高速公路视频监控系统现状的基础上，根据交通运输部对高速公路视频云联网系统建设的要求，目前高速公路视频云联网平台建设主要存在以下难点：

（1）原有已建成的高速公路视频监控体系，在视频监控方案、技术指标、设备型号和接口标准等方面均存在不同程度差异，导致其编解码兼容性、互联互通性等普遍存在问题。

（2）目前视频经纬度数据由大多由各家业主自行采集报送，难免出现采集设备不统一，偏差答疑不一致情况。

（3）面对大量视频监测资源的同时接入与庞大的用户访问量，需进一步解决系统高并发问题。

（4）受设备、天气、环境等特殊的原因，容易导致视频的质量降低，视频数据可用情况差等问题。

（5）在高速公路异常事件识别工作中，信息延时高，实时性不够，如何避免路况信息滞后甚至误报的情况发生。

3 概要设计

3.1 平台架构设计

根据交通运输部工作部署，高速公路视频云联网平台按照用户层、应用层、数据层、设施层、网络层、接入层六层架构，围绕安全、运维、标准规范三套保障体系进行设计，整体架构如图1所示。基于原有高速公路视频管理系统架构的基础上，平台以云计算、大数据、人工智能等技术为支撑，采用“云—管—端”扁平化的架构思想，实现平台在云端应用，满足高速公路视频资源的快速调看和高并发访问的要求。底层利用IaaS 基础设施相关技术和云服务器、存储和网络设施，形成可扩展、高安全、低维护的存储资源池和计算资源池；中间层使用PaaS 基础平台相关应用，并融合开源数据库、负载平衡器、消息中间件等平台应用构建信息系统；上层结合业务需求调用各种SaaS 服务，实现更灵活、更丰富的监控视频联网应用模式。

图1 高速公路视频云联网平台架构图

3.2 业务流程设计

3.2.1 PC 端/APP 访问流程设计

PC 端、APP 客户端从高速公路视频云联网平台取流，平台根据被访问的视频请求判断是否属32 k 码流或1 M 码流；若为32 k 码流，访问流程则为：PC 端/APP 客户端服务器将播放地址和防盗链发回给客户端—向CDN 请求推流信息—CDN 推流。若为1 M 码流，访问流程则为：根据摄像机ID 查询视频云平台中心管理服务器—访问数据库服务器获取调用视频播放地址和鉴权信息—返回客户端—客户端向流媒体服务器请求视频流—如果鉴权通过—视频上云网关向摄像机获取视频流—流媒体服务器发送所请求的视频流—客户端播放。调看流程图如图2所示。

图2 PC 端/APP 访问平台流程图

3.2.2 微信公众号访问流程

微信公众号访问高速公路视频云联网平台，平台根据被访问的视频信息访问数据库服务器获取调用视频的详细参数数据，数据库服务器返回视频的详细参数数据；平台接收视频管理服务器的返回信息，将播放地址返回给移动客户端。调看流程图如图3所示。

图3 微信公众号访问平台流程图

4 关键技术研究

4.1 分级自适应加权轮询负载均衡技术

为了应对大量视频监测资源同时接入与庞大的用户访问，带来的高并发问题，平台云端使用了负载均衡解决方案，通过构建虚拟服务地址（IP），将平台的云服务器和容器虚拟成应用服务池，利用智能的调度算法，根据应用服务池中节点的实时负载性能动态的、自适应的去调整当前节点的负载性能，确保始终是最优的服务器在提供服务，满足平台高并发处理能力需求，同时针对用户访问量较大的微信公众号视频页面，通过负载均衡方式将业务负载分摊到多台云主机，提升业务的处理能力。另外，利用负载均衡的健康检查功能，自动屏蔽异常状态主机，将业务负载分配到健康的云主机上，从而保障业务连续可用。

4.2 视频质量智能化管理技术

摄像头监控数据是平台的主要数据来源，摄像机设备的监控数据质量对平台的正常运营有极大的决定作用，为保障平台的监控数据的质量，针对视频监控的不同应用场景，通过利用视频质量智能诊断技术，基于自动化图像分类方法对视频质量异常进行识别与诊断，采用卷积神经网络作为视频质量识别模型，实现视频质量智能化识别，实现对设备不连通、画面偏色、信号缺失、清晰度异常、亮度异常等故障；同时，根据摄像头所在区域、品牌、故障类型、故障严重程度等不同属性生成多种统计图形报表，进行统计分析，实现整网运行的状态的实时展示和便捷查询，为管理部门对故障设备维修，提供详尽的故障信息，提高了故障设备维修效率。

4.3 异常事件智能分析技术

为提高高速公路智能化管理效率，提高公众出行服务质量，结合人工智能算法和边缘计算技术实现高速公路异常事件的边缘端识别，围绕车像、人像、物象进行特征识别，提供交通流量、排队长度、异常事件（逆行、抛洒物、车道行人、停车、事故等）等实时分析，并将分析结果通过“智能分析接口”上报到平台，平台可以根据摄像机注册信息自动上图标定事件位置、查阅及报警，有效提高了异常事件识别的及时性，且降低传输资源需求。

4.4 基于访问预测的CDN 视频分发策略

采用公共云的架构，通过平台实现对沿线视频资源进行汇聚接入，利用CDN 技术将大量的服务器部署在多个地理位置不同的地点，通过多个网络运营商做分发，让用户从最近的服务器接收视频流媒体，从而降低服务器负载，实现平台的十万级并发视频流能力。

4.5 视频资源结构化分析技术

在视频资源管理过程中引入视频数据结构化分析技术，通过将视频数据中的关键信息通过有层级性的、人类易于理解的表达方式展现出来，这样在视频检索时就能够按照内容层次或者关键信息进行检索，节约检索的时间，同时降低视频数据资源的存储资源要求。

5 功能设计与实现

高速公路视频云联网平台是以现有视频资源为基础，实现视频资源的集中存储和统一管理，为管理部门和公众等用户提供跨行业、跨区域、跨部门、跨运输方式的视频应用，以此提升综合交通运输运行监测、协调联动、应急指挥、决策分析、出行服务等业务能力，平台由PC 端、移动端以及微信公众号三部分组成。

5.1 PC 端系统

高速公路视频云联网平台PC 端主要实现功能包括：视频资源汇聚、视频云端调看、录像回放及下载、在线状态监测、视频截图及管理、视频资源管理及对接、视频质量智能诊断、地图展示、事件智能分析、事实事件、后台管理、视频云分发服务、视频资源统一管理规范，如图4、图5所示。

图4 PC 端登录界面

图5 PC 端视频监控功能

5.2 移动端、微信公众号

移动端主要功能包括树状资源目录、实时预览、视频回放，如图6所示；微信公众号功能包括地图展示、视频调看、实时事件、路况与预警、视频发布管理，如图7所示。

图6 移动端APP

图7 微信公众号

6 结 论

高速公路视频云联网平台的建设是贯彻落实党中央、国务院重大战略决策，加快推进交通信息化、智慧化进程的重要举措，有利于提升各省（市）交通智能化管理水平、应急指挥能力以及社会公众服务能力。根据政策的要求以及对当前高速公路视频云平台的研究，本文提出的高速公路视频云联网平台架构设计，开展了平台关键技术论述，为高速公路视频云平台建设提供参考依据，对进一步促进高速路网高效运行管理、提升群众便捷出行信息服务有着重大的意义。