高速公路运营高清视频监控技术探析

闫静斌

摘要 为了保证人们的交通出行安全，快速处理交通事故，我国高速公路使用了高清视频监控技术。文章首先论述了视频监控系统的发展，然后阐述了高清视频监控技术的应用必要性与优势特点，重点探讨了高清视频监控系统的构成与应用方式，最后依托某一高速公路工程案例，阐述了高清视频监控技术在高速公路运营管理中的应用。

关键词 高速公路；运营；高清视频；监控技术；案例

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0013-03

0 引言

最近几年，随着我国社会经济水平的不断提高，人们在生活与工作中越来越广泛地使用视频监控技术，获得了很多便利，相应地，在高速公路运营管理中，也广泛使用视频监控技术，可及时了解与全面掌控高速公路的交通运行情况，确保人们的出行安全。基于此，该文就高速公路运营视频监控技术展开探讨，以供大家参考。

1 高清视频监控技术的优势

与传统视频监控技术比较，高清视频监控技术主要具有以下优势：一是具有较强的可扩展性与灵活性。引用数字化存储技术与视频压缩技术，具有多种不同功能，可对系统进行及时升级与更新[1]。二是远程化控制。使用高清视频监控技术与网络通信技术传输数据信息，通过专网监控平台远程控制各个监控子站，实时采集与监控各种数据，统一管理监控信息。三是图像画面清晰度高。在高清视频监控系统中，安有嵌入式一体机与传感器芯片，拍摄的图像清晰度可达到1 080 P，动态记录高速公路的交通运行状况与行驶车辆的行驶状态，稳定性十分强[2]。四是监控范围大。与过去传统监控系统相比，高清视频监控技术可监控更大画面范围。目前，高速公路运营管理通过使用高清视频监控技术，现已获取较大的集成化和数字化成效，但在智能化方面依然存在较大的发展空间。在未来一段时间的发展中，高速公路视频监控技术将会继续朝着集成化、智能化和数字化的方向发展与深化，因此，为进一步提高我国高速公路的运营管理水平，应结合使用高清视频监控技术与其他先进的技术，升级与优化海量信息的自动分析能力和视频图像自动甄别能力[3]。

2 高清视频监控系统的构成

2.1 高清图像采集设备

在高清视频监控系统中，高清图像采集设备是重要构成部分。该设备含有多种色彩，分辨率与清晰度高，深入分析监控目标。现阶段，较常用的高清图像采集设备为高清网络摄像机与HD-SDI高清摄像机。

2.1.1 高清网络摄像机

利用高清网络摄像机采集的数据，因被经过压缩处理，无需封装，故采用普通网络传输该数据即可[4]。高清網络摄像机的占用带宽小、传输距离长，采集的数据无需封装处理。高清网络摄像机存在网络安全隐患问题，网络运行状况影响数据传输质量，若高清视频监控系统对图像的实时性要求较低，可采用高清网络摄像机。

2.1.2 HD-SDI高清摄像机

采用HD-SDI高清摄像机，以某种格式封装采集的高清信号数据，然后传输数据。HD-SDI高清摄像机可安全、非压缩传输信号数据，真实还原图像画面[5]。但HD-SDI高清摄像机不能远距离传输数据、占用带宽大，必须借用专用传输设备，方可长距离传输数据，因此，采用HD-SDI高清摄像机采集的图像，需进行压缩处理后方可储存起来，故HD-SDI高清摄像机的使用成本较高。

2.2 高清视频数据存储

在高清视频监控系统中，高清视频数据存储容量应足够大。现阶段，NVR和IP-SAN是两种常用的高清视频存储方式。所谓NVR，即使用网络对摄像机传输的数据进行接收、存储与管理网络[6]。NVR具有存储可靠、便于安装、运行成本低、布设灵活等多种优势，提高高清视频监控系统的实用性。近年来，高清视频监控系统数据信息在不断增多，为满足视频监控系统的运行要求，普通存储硬盘不再适用，宜使用IP-SAN储存方式。其中，IP-SAN是一种云存储方式，使用第三方服务器分别导入和导出数据，具有十分强的集中存储能力，能集中化管理海量数据信息，在长距离数据传输管理中使用IP-SAN，降低运行成本。

2.3 高清视频传输设备

采用高清视频传输设备，将采集的图形信息传输给监控中心。高清视频传输设备大致划分为两种类型：①支持网络传输的以太网光端机；②支持HD-SDI视频传输的HD-SDI高清光端机。

2.4 高清监视器

在高清视频监控系统中，采用高清监视器，观察高清图像采集设备采集的图像信息。现阶段，普遍使用的高清监视器接口有HDMI、DVI、SDI。在高清视频监控系统中，要想使用HD-SDI高清摄像机，需配置HD-SDI高清监视器。

3 关键技术设计

各种环境背景下，为实时处理视频图像数据，在远程视频监控系统中使用了可见度测量算法和YOLO-V3网络算法模型这两种关键技术。

3.1 可见度测量算法

高速公路经常会出现大雾天气，易发生交通事故。为根据各种大雾天气合理调整监控系统，需测量空气的可见度。根据物理学原理可知，气象的透明程度是由可见度指标衡量的。利用贝尔·兰伯特定律与光传输物理模型，可计算出空气能见度的变化，故通过图像特征的耦合变化监测与空气能见度分析，可获取空气可见度值。假令空气水平的水均匀，利用监视视频察看的参考目标为绝对黑体，则水平气象能见度的计算见公式（1）：

（1）

式中，P——气象能见度；x——观察点与被观察物体间的直线距离；Lb——背景亮度；Lt——在观察点中检测到的物体亮度。例如，利用CCD视频设备观察被摄物体的亮度与被监控图像的灰度二者之间的关系，如公式（2）所示：

G=KL+Gdc （2）

式中，G——被摄物体的亮度；Gdc——监控视频设备内暗电流的灰度值；K——监控视频设备灰度与亮度的转换系数。

通过分析路边视频监控设备收集的实时视频帧图像，可获取图像灰度Gt、Gb目标与周边背景，然后利用公式（2）可计算出Lt与Lb，利用公式（1）对气象能见度P进行计算，通过利用气象能见度间的转换关系，可对公路路边实时可见光距离与可见距离进行计算。

3.2 YOLO-V3网络算法模型

在公路进行实时监控过程中，应实时转化监控设备采集的视频数据信息，将其转化为图像数据信息，故该文主要选用基于深度学习的目标检测算法来计算与处理大数据。精准提取图像特征信息是公路实现远程视频监控的重要条件，利用远程视频监控能否对公路行驶车辆的行为进行精准判断与分析，主要取决于图像特征提取的精准率。现阶段，在视频监控数据处理中，常采用YOLO-V3网络算法模型。在YOLO-V3网络算法模型中，1个网络单元会为1个对象提供3个不同比例的边界框，选取与注释框重叠面积最大的边界框作为最终的预测结果。

在YOLO-V3网络算法模型中，共有3个输出比例，最后对3个比例分支进行了合并。在检测大物体时使用深特征，在检测小物体时使用浅特征，故该算法模型可以对比例发生变化的对象进行检测。与其他算法检测模型比较，YOLO-V3检测模型的运输速度更快，其中，YOLO-V3检测模型与其他检测模型运算速率比较表如表1所示。

通过分析表1发现，YOLO-V3检测模型的FPS为35帧/s，检测速度满足实时检测速度要求，故在高速公路视频监控系统中使用YOLO-V3检测模型比较合适。采用YOLO-V3网络算法模型时，图像上传至网络中后，图像尺寸会被调整。因图像被分割处理，偏远路面的尺寸会发生较大变形，能够获得较小行驶车辆的更多特点，有效解决因行驶车辆物体过小而损失部分物体特征问题。在YOLO-V3网络中，数据集把“车辆数据集”内容放入其中进行训练，可获取车辆目标检测模型。

由此可见，通过采用YOLO-V3网络算法模型，对海量图像数据进行处理，能够获取更精准的优质图像数据，可实时了解高速公路的具体路况，确保公路交通车辆的正常运行。

4 应用案例

目前，某一高速公路工程每间隔2 000 m分别布设1台固定式摄像机与1台云台式摄像机，道路全线外场沿线共布设300台摄像机。在发生交通事故等特殊情况下，采用云台式摄像机进行细节性监控；采用固定式摄像机进行近距离全景监控。

4.1 采用的监控模式

4.1.1 云台式监控模式

云台式监控是一种灵活的监控模式，在平时监控中，通过拉短焦距，能够进行宏观监控；当发生交通事故等特殊事件时，合理调整焦距，能够进行细节性的监控。

该高速公路云台式摄像机监控情况如表2所示。

通过分析表2数据可知，该高速公路视频监控系统基本满足视频监控的一般要求，为满足特殊情况下的视频监控要求，需对高速公路视频监控系统进行改造与升级。改造与升级时需要考虑以下因素：①交通事件检测系统接入视频监控系统后，需根据交通事件检测系统的实际情况，综合考虑检测范围。②道路遮挡和道路线形对视频监控效果带来的影响。③恶劣气象对视频监控效果带来的影响。

4.1.2 固定式监控模式

固定式监控模式采用COMPUTAR H6Z0812AMS型镜头。该高速公路固定式摄像机监控情况如表3所示。

在固定式摄像机监控过程中，将视场角范围调至最大、焦距拉至最短时，观察范围随着视轴俯角的加大而变大，视轴俯角达到65°时，观察半径范围为1 045 m，若监控范围为1 000 m，视轴俯角宜采用65°。

5 高速公路运营视频监控系统技术的升级对策

5.1 视频存储系统的升级

近年来，我国高速公路管理水平在不断提高，进而不断暴露出很多视频存储系统存在的问题与不足，如衔接性差、提取速度缓慢和容量小等。鉴于此，为有效提高视频信息存储系统的安全性、稳定性与工作效率，需对视频存储系统进行升级改造，即选用先进的數字大容量保存技术，逐步取代DVR储存设备。为顺利升级改造视频存储系统，提高公路运行维护的工作质量与工作效率，应充分利用视频诊断处理技术，全面监测不同设备的运行状态。

5.2 特殊用途摄像机的使用

通过大量实践后可知，一旦出现大雾、雨雪、烟尘等恶劣天气时，将会直接影响视频监控系统的正常运行，难以捕捉到高清视频图像。鉴于此，应逐步升级改造摄像探头，在大雾天气中选用具有透雾功能的摄像头，可全时段监测公路各路段交通路况；大雨、大风、打雷天气直接影响视频线路设备和视频监控探头，因此，为使视频监控系统更好地适应环境，应选用防雷能力与防抖能力强的设备装置。

5.3 夜间视频监控系统的升级

通过调查分析后可知，公路夜间交通事故发生率相比白天的要高，夜间也更易出现违规驾驶行为，这就需要升级改造夜间视频监控系统。具体升级措施包括：为处理夜间捕捉到的视频图像，获取更高清晰度的夜间视频图像，选用红外激光夜视软件；在重点区域与重要路段中，为能够全时段高清监控公路交通路况，应选用具有夜视功能的高清摄像探头。

5.4 IP数字高清技术的应用

当前我国高速公路视频监控系统主要采用高清模拟摄像机设备。实际使用过程中，该设备的使用存在一定的约束与限制，鉴于此，为提高原模拟平台图像的分辨率，可采用IP数字高清技术，改造升级信息保存、信息显示处理设备等，选用的高清摄像头的像素至少要大于2 000 000。目前，我国大部分地区高速公路上安装有光缆，其余量较大，通信覆盖面积较大，充分表明高速公路光缆能够高效传输信息化和高清化视频图像。现阶段中，我国一些地区已建立与使用了IP数字高清视频管理系统，同时配置了IP-SAN系统大容量储存结构矩阵。在未来一段时间中，随着科学技术水平的不断提高，研发出基于数字高清网络的综合性管理系统，现行的SDI装置将会逐渐被淘汰。综上所述，在未来发展中，我国高速公路视频监控系统将会融合使用更多的新技术，包括5G无线传输系统、大容量存储系统、GPS定位软件、高清视频编码软件等，提高高速公路视频监控系统的智能化，更好地服务于道路维护、交通管理、故障预警等方面。

6 结语

在我国高速公路运营管理中，高清视频监控技术发挥着十分重要的作用。与传统标清视频监控技术相比，高清视频监控技术具有更多的优点，尽管高清视频监控技术的使用成本较高，但可弥补传统标清视频监控技术的缺陷，提高高速公路运营管理水平。该文对高速公路运营高清视频监控技术进行了深入研究，以期对相关人员起到一定的借鉴作用。

参考文献

[1]朱凤杰. 高速公路视频监控技术研究[J]. 工程建设与设计， 2022（21）： 110-114.

[2]高航远. 视频监控技术的发展及在高速公路中的应用[J]. 科技创新与应用， 2020（4）： 176-177+180.

[3]罗起潮. 高速公路高清视频监控技术探讨[J]. 西部交通科技， 2019（5）： 172-174.

[4]黄鹏. 高清视频监控技术在高速公路中的应用[J]. 甘肃科技纵横， 2018（3）： 4-6.

[5]赵亮. 高清视频监控技术在高速公路中的应用[J]. 交通世界， 2019（24）： 170-171.

[6]刘彦娥. 高清视频监控技术在高速公路管理中的应用[J]. 交通世界， 2020（10）： 110-111.