基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統方案*

摘要： 分布式視頻監控系統正廣泛應用。在分析當前高速公路數據交互需要的基礎上，結合高速公路業(yè)務(wù)平臺的需求分析，提出建立基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統。它是一種面向業(yè)務(wù)的，具有模塊化、開(kāi)放性和先進(jìn)性的監控系統。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)監控系統能充分發(fā)揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，并且能最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò )的通行能力。

關(guān)鍵詞： 高速公路監控系統；IP通信網(wǎng)絡(luò )；分布式監控單元；SDH；EOS

引言

隨著(zhù)經(jīng)濟建設的發(fā)展，省域高速公路網(wǎng)絡(luò )已頗具規模。作為高速公路運行管理的必備現代化手段，監控系統的建設和管理就顯得愈發(fā)重要，聯(lián)網(wǎng)監控是整個(gè)高速公路監控系統發(fā)展的必然趨勢。然而，當前路段獨立的監控系統無(wú)法充分發(fā)揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，更無(wú)法最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò )的通行能力，所以省域聯(lián)網(wǎng)監控就顯的尤其必要。

圖1  協(xié)議通信的數據交互

聯(lián)網(wǎng)監控系統是一個(gè)省域分布式的，涉及上千臺計算機協(xié)同工作的系統工程，構造適于省域聯(lián)網(wǎng)監控網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)實(shí)施方案，實(shí)現監控圖像的數字化處理、數字化傳輸、數字化存儲、以及數字化控制，從單條路的內部監控向路網(wǎng)環(huán)境的跨路段跨地域聯(lián)網(wǎng)監控轉變。其中關(guān)鍵在于寬帶視頻數據流的數字化處理、遠程調用、遠程控制、遠程發(fā)布和數據共享、監控數據和指令格式的規范、權限管理、聯(lián)邦數據庫的實(shí)現，以及省域監控的網(wǎng)絡(luò )管理系統等，以滿(mǎn)足省域聯(lián)網(wǎng)監控的需求，同時(shí)，拓展高速公路通信網(wǎng)的信息化支撐功能。
　　
聯(lián)網(wǎng)的數據交互

省域監控數據的聯(lián)網(wǎng)交互除了實(shí)現路段監控系統的監控圖像聯(lián)網(wǎng)之外，對于省域聯(lián)網(wǎng)監控系統的成敗也是至關(guān)重要的。實(shí)際應用中，對于往往需要交互調用跨路段、跨區域的監控數據，尤其是諸如關(guān)鍵路段、重點(diǎn)路段、互連互通等監控點(diǎn)數據。

對于各路段的數據采集監測設備而言，其種類(lèi)繁多(如氣象檢測器，能見(jiàn)度監測器，車(chē)輛檢測器等等)、數據接口不一(RS232、RS422、RS485和CAN等)、速率不一、通信協(xié)議不一、數據格式不一。因此，實(shí)現監控數據的交互必須考慮監控數據規范化，對外場(chǎng)設備的遠程控制必須規范監控命令，進(jìn)行兼容性轉換處理。對于路段的監控數據庫而言，考慮到高速公路的路段監控系統建設是相互獨立的，表現為監控數據庫的設計獨立、通信獨立和執行獨立，各路段低速監控數據庫結構不盡相同，處理方式和查詢(xún)語(yǔ)言各異，缺乏聯(lián)網(wǎng)制式，缺乏信息調用共享平臺。

實(shí)現聯(lián)網(wǎng)交通監控數據的交互存在兩種方法：協(xié)議通信和聯(lián)邦數據庫。其中，協(xié)議通信指通過(guò)串行接口或網(wǎng)口、制定通信規約與路段監控中心的監控計算機通信，獲取所需的監控數據。如圖1所示，需在路段監控系統中監控計算機中添加通信模塊，獲取的監控數據采用規范的格式傳送給授權用戶(hù)。該方案結構簡(jiǎn)單，適合各路段中心的相對獨立聯(lián)網(wǎng)監控系統。

協(xié)議通信的關(guān)鍵工作是制定標準化的通信協(xié)議，協(xié)議目的在于不同制造廠(chǎng)的設備之間完全兼容和互操作性，規范上傳的數據格式。其中，物理層采用ITU-T建議，在所要求的介質(zhì)上提供了二進(jìn)對稱(chēng)無(wú)記憶傳輸，以保證所定義鏈路層的組編碼方法高的數據完整性。鏈路層采用明確的鏈路規約控制信息(LPCI)，此鏈路控制信息可將一些應用服務(wù)數據單元(ASDUs)當作鏈路用戶(hù)數據，鏈路層采用幀格式的選集能保證所需的數據完整性、效率、以及方便傳輸。應用層包含一系列“應用功能”，它包含在源和目的之間傳送的應用服務(wù)數據單元中。
　　
聯(lián)網(wǎng)監控拓撲結構和功能管理

系統的拓撲結構

從網(wǎng)絡(luò )的角度上看，省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統拓撲結構如圖2所示。在省域SDH主干網(wǎng)上，采用IP over SDH 技術(shù)和EOS(Ethernet over SDH)設備，建立統一的IP監控傳輸平臺，省監控中心，以及各路段中心均作為傳輸網(wǎng)的節點(diǎn)，可通過(guò)該IP平臺實(shí)現各類(lèi)數據的交互?？紤]到系統的安全性，設置了信息發(fā)布服務(wù)器，外界的訪(fǎng)問(wèn)需經(jīng)過(guò)它認證、權限設定等，方可進(jìn)行。路段中心節點(diǎn)帶有接入網(wǎng)，與各收費站局域網(wǎng)相連；省監控中心帶有數據統計、視頻調看等計算機組成的局域網(wǎng)，省監控中心負責與公網(wǎng)的互聯(lián)，及對非監控用戶(hù)的安全管理。

圖2 聯(lián)網(wǎng)監控拓撲結構圖

系統的功能管理

省域高速公路視頻監控系統構建在路段視頻監控系統基礎上，其結構復雜，用戶(hù)數量、設備種類(lèi)繁多，系統的有效管理和有序控制尤為必要。在系統總體結構中，各路段中心、省中心之間交換的信息分為監控視頻信息、交通數據信息、管理控制信息。管理控制信息的實(shí)現機制對于省域聯(lián)網(wǎng)監控系統各節點(diǎn)之間能否高效的互聯(lián)互控至關(guān)重要。本項目給出的聯(lián)網(wǎng)監控系統的管理層次如圖3所示。
聯(lián)網(wǎng)監控系統的管理層次化分為4層：應用層、管理層、發(fā)布層和提供層。其中，應用層按用戶(hù)的類(lèi)型分為省高速公路信息專(zhuān)網(wǎng)用戶(hù)和公共外網(wǎng)用戶(hù)，前者通過(guò)資源發(fā)布管理服務(wù)器進(jìn)行認證、授權后可進(jìn)行全省監控的調用和控制，后者通過(guò)省中心的Web發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行授權的調看操作。管理層包括網(wǎng)管服務(wù)器和資源發(fā)布服務(wù)器，負責管理整個(gè)聯(lián)網(wǎng)監控系統的設備狀態(tài)/性能/故障、監控資源(視頻/數據)、接入控制、身份認證、權限管理等等。發(fā)布層包括NW-DMDU、視頻信息發(fā)布服務(wù)器和Web發(fā)布服務(wù)器，負責各路段中心監控圖像、監控數據的接入發(fā)布，完成模擬圖像的壓縮編碼，監控數據的交互以及數字圖像的封裝上傳等，且接收授權用戶(hù)的指令進(jìn)行圖像切換和控制。提供層包括模擬路段監控中心和數字路段監控中心，是聯(lián)網(wǎng)監控系統的監控圖像和監控數據的提供節點(diǎn)。

圖3 監控系統管理層次

根據聯(lián)網(wǎng)監控系統的管理控制信息的不同，具體功能管理又可分為：(1)資源管理，管理視頻信息系統內的所有資源，按需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和調度；(2)用戶(hù)管理，對用戶(hù)使用系統資源進(jìn)行接入控制、身份認證、權限分配等；(3)過(guò)程控制管理，完成用戶(hù)使用系統資源過(guò)程中的實(shí)時(shí)操作，包括圖像切換、攝像球機控制等；(4)監控網(wǎng)絡(luò )管理，主要負責監控網(wǎng)絡(luò )設備的管理。前三種功能管理的實(shí)現是監控系統能否高效控制的關(guān)鍵。為此，在省域聯(lián)網(wǎng)監控的總體設計中，專(zhuān)門(mén)設置了資源發(fā)布管理服務(wù)器，負責管理聯(lián)網(wǎng)監控系統內的相關(guān)監控資源(監控圖像和監控數據)、用戶(hù)的授權和認證、圖像的切換和控制權限、圖像資源的重組等。資源發(fā)布管理服務(wù)器的設置布局不同，聯(lián)網(wǎng)監控的實(shí)現機制也隨著(zhù)發(fā)生變化。
　　
系統功能實(shí)現模塊

系統模塊劃分

整個(gè)省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統，按拓撲、職能劃分可分為：省監控中心模塊、路段監控中心模塊，；按功能、技術(shù)實(shí)現可分為硬件平臺和軟件平臺兩大模塊。硬件平臺包括：聯(lián)網(wǎng)監控設備、網(wǎng)管服務(wù)器、資源發(fā)布管理服務(wù)器、監控終端以及IP通信網(wǎng)絡(luò )等，如圖4所示。

圖4 省域聯(lián)網(wǎng)監控功能模塊示意圖

軟件功能模塊劃分

系統軟件的開(kāi)發(fā)是整個(gè)系統成敗的關(guān)鍵，系統軟件必須能夠可靠、穩定地與各子系統中的各種設備交換數據，具有故障監測和系統監控功能。系統采用層次化軟件設計和實(shí)現，按功能和目標劃分為不同層次的功能和目標模塊，每個(gè)功能或目標模塊定義自己的數據和算法，對外只提供由上層模塊調用的功能接口，面向目標的設計和實(shí)現帶來(lái)系統性能的高穩定性和程序的高可靠性，系統性能問(wèn)題也易于定位和解決。

高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統軟件平臺主要由監控圖像處理模塊、監控數據處理模塊、流媒體實(shí)時(shí)發(fā)布模塊、網(wǎng)絡(luò )管理模塊和發(fā)布資源管理模塊組成，如圖5所示。其中，監控圖像處理模塊包括模擬系統的視頻編碼模塊和數字系統的視頻流轉發(fā)模塊；數據處理模塊包括監控數的據協(xié)議通信、專(zhuān)家系統分析、聯(lián)邦數據庫模塊等；流媒體發(fā)布模塊負責省監控中心向公共外網(wǎng)發(fā)布實(shí)時(shí)交通視頻流；網(wǎng)管模塊負責聯(lián)網(wǎng)監控系統中各設備的故障、配置、性能以及安全的管理；發(fā)布資源管理模塊負責網(wǎng)絡(luò )上可用監控視頻和數據資源的管理，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)、控制權限的認證等。

圖5 軟件模塊構成圖

聯(lián)網(wǎng)監控系統實(shí)現

聯(lián)網(wǎng)監控總體構成

省域聯(lián)網(wǎng)監控系統的組織構成圖，如圖6所示，體現了系統構成的技術(shù)實(shí)現主要內容，可分為：基于W-DMDU以太接入網(wǎng)的數字化路段監控系統，省監控中心監控系統，IP通信平臺。

圖6 聯(lián)網(wǎng)監控總體構成圖

在數字化路段監控系統中，以寬帶分布式監控單元WDMDU為基礎，與各種終端、服務(wù)器，以及三層交換機組成以太方式路段接入網(wǎng)。由位于各收費站的WDMDU實(shí)現了沿路各外場(chǎng)設備的數據采集、匯集，包括各類(lèi)圖像的編碼、IP包傳輸等。位于該路段監控網(wǎng)的終端，遵循TCP/IP協(xié)議，與各類(lèi)外場(chǎng)設備數據交互，實(shí)現路段監控的各項功能。非本路段的終端要訪(fǎng)問(wèn)，須經(jīng)本路段中心的視頻信息發(fā)布服務(wù)器和資源發(fā)布管理，進(jìn)行認證、授權。省監控中心根據需要設置工作站、視頻發(fā)布服務(wù)器等組成本地的計算機局域網(wǎng)，通過(guò)交通專(zhuān)網(wǎng)與各路段交互，也可根據需要與公網(wǎng)相連。

IP地址規劃

省域高速公路專(zhuān)用通信網(wǎng)，作為一個(gè)龐大的分布專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )系統，為保證其正常運行和方便管理，必須對其依據地理位置、職能職責、網(wǎng)絡(luò )架構、網(wǎng)絡(luò )規模等進(jìn)行IP地址規劃分配。IP地址的規劃原則如下。

* 自治性：根據高速公路管理體制，將龐大的整個(gè)網(wǎng)絡(luò )分切成小塊的網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)小塊的網(wǎng)絡(luò )管理與網(wǎng)絡(luò )其他部分相對獨立，如每個(gè)路段中心為一個(gè)子網(wǎng)，便于管理。

* 唯一性：在整個(gè)省域高速公路專(zhuān)用通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )內IP地址應該保持其唯一性。

* 簡(jiǎn)單性：IP地址的分配應該簡(jiǎn)單易管理，避免在主干上采用復雜的掩碼方式，雖然IP協(xié)議允許子網(wǎng)掩碼的“0”和“1”不連續，如掩碼為11111111. 11111111. 00110011. 11001100，但這會(huì )給路由尋徑帶來(lái)困難，影響網(wǎng)絡(luò )處理效率，所以應該采用連續的子網(wǎng)掩碼，如：11111111. 11111111. 11110000. 00000000。

* 連續性：根據地域、設備分布及區域內用戶(hù)數量來(lái)進(jìn)行子網(wǎng)規劃時(shí)，充分考慮網(wǎng)絡(luò )層次和路由協(xié)議的規劃，為同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )區域分配連續的網(wǎng)絡(luò )地址，通過(guò)聚合網(wǎng)絡(luò )減少網(wǎng)絡(luò )中路由的數目和地址維護的數量，便于縮減路由表表項，提高路由器的處理效率，充分體現分層管理的思想。

* 可擴充性：隨著(zhù)高速公路通信專(zhuān)網(wǎng)要承載的業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)種類(lèi)越來(lái)越多，為同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )區域分配的網(wǎng)絡(luò )地址應該具有一定的容量，便于主機數量增加時(shí)仍然能夠保持地址的連續性，保證網(wǎng)絡(luò )的可持續發(fā)展。

* 靈活性：IP地址的規劃應考慮不同的路由協(xié)議和不同的通信鏈路技術(shù)，合理使用VLSM(可變長(cháng)子網(wǎng)掩碼)技術(shù)，能較好的適應不同的網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，節約IP地址空間。

在聯(lián)網(wǎng)監控系統中，全網(wǎng)可采用私有保留地址。主干網(wǎng)絡(luò )采用基于IP OVER SDH千兆光纖以太網(wǎng)絡(luò )互連，各中心、收費站、辦公網(wǎng)等以百兆帶寬以太網(wǎng)接入，收費系統、監控系統、辦公局域網(wǎng)等采用VLAN 技術(shù)分別劃分虛網(wǎng)，VLAN之間通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)控制限定權限和可訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)，保證各系統之間的安全。
　　
結語(yǔ)

聯(lián)網(wǎng)監控是整個(gè)高速公路監控系統發(fā)展的必然趨勢，基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監控系統是一種面向業(yè)務(wù)的，具有模塊化、開(kāi)放性和先進(jìn)性的監控系統。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)監控系統能充分發(fā)揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，并且能最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò )的通行能力。省域聯(lián)網(wǎng)監控系統具體功能有：

* 通過(guò)省域高速公路專(zhuān)網(wǎng)，從各路段中心，提取與路網(wǎng)性能息息相關(guān)的各種重要圖像、數據，在必要時(shí)直接操作控制信息源；

* 綜合各類(lèi)提取數據進(jìn)行挖掘和分析，以把握路網(wǎng)的交通狀況，進(jìn)而制定路網(wǎng)交通流控制方案，充分運用交通控制系統的技術(shù)手段來(lái)提高路網(wǎng)整體的通行能力；

* 在路網(wǎng)樞紐區域出現擁塞、或路段發(fā)生重大事故時(shí)，能迅速采取措施，發(fā)布路況信息，調動(dòng)迂回，排除交通故障，組織緊急救援，恢復正常運行，以提高高速公路的整體服務(wù)水平，強化管理質(zhì)量，充分發(fā)揮其安全、高效、舒適的特點(diǎn)。

參考文獻：

1. 丁傳鎖，陳啟美，章德，基于IP網(wǎng)絡(luò )分布式高速公路監控系統［J］,數據通信，2002.，(1)51-53.
2. 孫培元，陳啟美，高速公路監控網(wǎng)絡(luò )管理系統的研究與實(shí)現［J］，公路交通科技，2004年第10期
3. 楊衛東、陳啟美，高速公路中的集中監控系統設計［J］，東南大學(xué)學(xué)報，2000年第4期，刊號ISSN 1001-0505
4.  H.T. El-Khatib, MH. Williams, L.M. MacKinnon, D.H. Marwick，A framework and test-suite for assessing approaches to resolving heterogeneity in distributed databases[J], Information and Software Technology 42 200