高速公路IP高清網(wǎng)絡(luò )監控系統方案

　　本文以一條省際高速公路為例，此高速公路全長(cháng)115KM，全路段共有8個(gè)收費站入口，8個(gè)收費站出口，8個(gè)雙向隧道，10個(gè)高速公路服務(wù)區。整個(gè)項目全部采用IP高清監控技術(shù)、智能分析技術(shù)、車(chē)牌識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)等進(jìn)行設計，取得了良好的應用效果。

　　需求分析與建設目標

　　通過(guò)與高速公路運營(yíng)方，高速公路管理方等各方面溝通了解，結合我們深入分析高速公路管理部門(mén)的業(yè)務(wù)需求和我們對高速公路管理信息化建設的理解，以合理性、先進(jìn)性、可靠性、穩定性和可擴展性為設計原則?？偨Y了以下幾個(gè)重要的建設內容和方向。

　　高清化

　　所有硬件設備全部支持720P和1080P的高清分辨率，唯有實(shí)現高清化的圖像采集和應用，才能實(shí)現整體系統的高清化，才能使監控系統從看得見(jiàn)到看得清的轉變，也唯有高清化，才能提高整個(gè)系統的智能化程度和實(shí)際應用的效果。不僅前端全部采用720P或者1080P的高清監控攝像機，網(wǎng)絡(luò )傳輸、管理控制、顯示系統全部采用高清設備和技術(shù)。

　　智能化

　　通過(guò)各種智能分析技術(shù)來(lái)主動(dòng)判斷高速公路的運營(yíng)狀況，對高速公路上不符合規范，規章和違法的交通行為及事件自動(dòng)記錄并報警，能夠智能識別各種違章行為，包括車(chē)牌識別，人臉識別等。以實(shí)現從被動(dòng)監控到主動(dòng)智能監控的轉變。

　　IP網(wǎng)絡(luò )系統架構

　　基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通信體系架構是全球最開(kāi)放的和最標準的，由于IP網(wǎng)絡(luò )系統架構的開(kāi)放性、成熟性和廣泛兼容性，采用IP網(wǎng)絡(luò )體系架構不僅維護簡(jiǎn)單，而且方便系統的擴容和管理。

　　網(wǎng)絡(luò )存儲

　　基于整個(gè)系統的全IP網(wǎng)絡(luò )架構設計，采用網(wǎng)絡(luò )化存儲技術(shù)，部署簡(jiǎn)單，與其他存儲技術(shù)相比具有強大的優(yōu)越性能。存儲網(wǎng)絡(luò )可提供在計算機與存儲系統之間的數據傳輸，可以實(shí)現超大容量數據的集中存儲，超大數據吞吐能力，遠距離數據存儲，方便擴容并且部署簡(jiǎn)單。

　　彈性擴展，標準開(kāi)放

　　高速公路的管理是一種層級管理結構，并且隨著(zhù)各地經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，高速公路建設里程不斷增長(cháng)，高速公路的監控系統也會(huì )不斷新建和擴容，為了保護已有投資，必須確保新舊高速公路監控能夠無(wú)縫融合、平滑彈性擴展。在系統不斷擴大的同時(shí)，標準的開(kāi)放性可有效降低系統擴容的整體成本，并實(shí)現快速部署。

　　系統整體規劃

　　根據高速公路長(cháng)距離，全室外，多級管理的特點(diǎn)，設計高清全IP光網(wǎng)絡(luò )系統架構。與目前高速公路聯(lián)網(wǎng)監控的其他幾種系統架構相比有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。傳統的第一種系統設計方式是站級以下采用光端機+模擬視頻矩陣+硬盤(pán)錄像機的主體架構方式，錄像和上傳都采用硬盤(pán)錄像機編碼和存儲。另外比較典型的一種是分中心以下全部采用模擬攝像機+光端機+光矩陣平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，省中心一級采用編碼傳輸的方式。

　　在本文的高速公路全IP高清監控系統設計當中，高清IPC直接輸出高清720P或1080P圖像，同時(shí)高清IPC都具備雙碼流輸出技術(shù)，在高速公路機電工程中，傳輸系統全部采用光纖，為高清IP監控系統提供了良好的基礎網(wǎng)絡(luò )傳輸平臺，全流媒體轉發(fā)和交換技術(shù)，并通過(guò)環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)，可大大節約高速公路緊張的光纖資源，同時(shí)可降低系統成本。

　　另外，為了提高高速公路管理部門(mén)的現場(chǎng)管理和執法水平，系統還設計了移動(dòng)執法終端系統，通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)絡(luò )，管理人員能通過(guò)終端管理系統實(shí)時(shí)現場(chǎng)查看整條或多條高速公路的路況，并可通過(guò)系統快速展開(kāi)取證執法，可極大提高高速公路的管理效率和減輕管理人員的勞動(dòng)強度。

系統分層設計

　　采用全IP網(wǎng)絡(luò )系統架構，系統結構簡(jiǎn)單，遵從了信息系統技術(shù)領(lǐng)域一直追求的“瘦前端，胖后端”的發(fā)展趨勢，可有效提高系統的堅強度，同時(shí)可以使系統應用更加靈活方便。

　　信息采集

　　綜合考慮高速公路室外的惡劣環(huán)境，包括光照環(huán)境，氣候環(huán)境等。攝像機防護等級全部滿(mǎn)足IP65及以上的防護標準，攝像機利用先進(jìn)的ISP圖像優(yōu)化處理技術(shù)，極大的提高高清圖像的質(zhì)量。采用標準的H.264視頻編碼壓縮技術(shù)，支持雙碼流輸出，攝像機主碼流分辨率為720P或1080P，系統符合ONVIF的標準規范，可實(shí)現廣泛的平臺系統兼容性。

　　根據需要選擇智能車(chē)牌識別技術(shù)，結合平臺指揮管理系統可實(shí)現多種應用，車(chē)牌識別技術(shù)采用先進(jìn)的STS視覺(jué)技術(shù)、采用逐幀識別的方法，將車(chē)牌定位、車(chē)牌字符分割、字符識別以及物體跟蹤技術(shù)有機結合;大量使用機器學(xué)習算法，有效地克服了啟發(fā)式算法系統的弊端;車(chē)牌識別率高、識別速度快、識別功能全、使用方式靈活;同時(shí)，可以在不需要借助任何觸發(fā)裝置的前提下，能夠快速、實(shí)時(shí)地對每一幀圖像進(jìn)行有效分析、識別。其工作機制和軟件模塊。

　　前端信息采集系統，主要劃分為3個(gè)大的組成部分，分別是外場(chǎng)道路智能監控子系統，隧道智能監控子系統和收費站監控卡口子系統。

外場(chǎng)道路及服務(wù)區智能監控子系統

　　選用高清智能網(wǎng)絡(luò )攝像機和高清智能網(wǎng)絡(luò )高速球攝像機為主，按照道路的實(shí)際環(huán)境情況和結合交通管理部門(mén)的管理需要，在高速公路的合適位置安設具有智能分析功能的高清網(wǎng)絡(luò )攝像機，智能視頻分析算法可對高速公路上過(guò)往車(chē)輛的交通行為進(jìn)行準確檢測，如逆行檢測，超速檢測，違章或故障、事故停車(chē)檢測。對智能攝像機檢測到的違章或違法行為進(jìn)行錄像和拍照并聯(lián)動(dòng)觸發(fā)各種報警并自動(dòng)執行各種預案。在智能攝像機檢測到各種違章行為的同時(shí)，通過(guò)車(chē)牌識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)提取違章車(chē)輛的車(chē)牌信息和人臉信息并傳送給指揮中心服務(wù)器做智能分析處理。同時(shí)根據管理的需要，可以選擇在高速公路沿線(xiàn)的適當位置布設溫度傳感采集器，實(shí)時(shí)溫度可疊加顯示在顯示和錄像通道上，實(shí)現遠程指揮中心非現場(chǎng)實(shí)時(shí)掌握高速公路傳感器附近的氣象溫度。

　　由于高清攝像機720P/1080P的高分辨率，在服務(wù)區部署更少的攝像機即可實(shí)現大范圍高清監控，不僅看得見(jiàn)，而且能夠實(shí)現看清人臉和任何事物的細節特征。

　　隧道智能監控子系統

　　為應對高速公路隧道光環(huán)境復雜，入口、出口光照反差大，隧道內部光照不足等情況，選用低照度攝像機以及寬動(dòng)態(tài)攝像機來(lái)對監控圖像最初良好改善，以實(shí)現高清監控。同時(shí)用于隧道的監控攝像機全部集成智能分析功能，實(shí)現對隧道內超速，隨意變道，違章停車(chē)和隧道逆行等違章駕駛行為進(jìn)行抓拍和記錄，同時(shí)通過(guò)集成自主研發(fā)的車(chē)牌識別技術(shù)提取違章車(chē)輛的車(chē)牌信息全部上傳至高速公路指揮中心交通信息管理系統，管理信息系統對采集的信息進(jìn)行分析，統計和處理。

　　收費站監控卡口子系統

　　通過(guò)選用高清IP智能攝像機來(lái)建設高速公路收費站監控卡口子系統，一方面可以清晰準確記錄每一輛進(jìn)出高速公路車(chē)輛的車(chē)牌信息，通過(guò)服務(wù)器OLAP聯(lián)機查詢(xún)分析系統實(shí)現假套牌，違章違法布控(基于數據倉庫技術(shù)，通過(guò)抓拍過(guò)往車(chē)輛車(chē)牌信息，與違法及違章車(chē)牌信息數據庫對比分析，對于已經(jīng)實(shí)施布控的車(chē)牌，系統將聯(lián)動(dòng)布控預案并實(shí)施報警)等功能，另一方面可以通過(guò)車(chē)牌號實(shí)現自動(dòng)計費功能，改變目前進(jìn)口發(fā)卡，出口收卡計費及ETC預繳費的收費模式?？蓪?shí)現快速收費過(guò)站，減少車(chē)流量大時(shí)收費口車(chē)輛擁堵，提高公路通行效率，并可降低收費系統的建設成本。

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸

　　高速公路網(wǎng)絡(luò )通信全部為光纖傳輸，由于高速公路監控攝像機呈線(xiàn)狀分布于公路沿線(xiàn)，采用星型傳輸結構進(jìn)行信息交換，將需要占用大量有限的光纖資源，而且可靠性無(wú)法得到保障，而利用高速公路沿線(xiàn)的光纖資源建設光纖環(huán)網(wǎng)傳輸系統不僅可以節約光纖資源，而且可以通過(guò)以太光纖環(huán)網(wǎng)的快速收斂自愈功能提高網(wǎng)絡(luò )傳輸系統的可靠性。

　　環(huán)形以太網(wǎng)是目前比較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，它的自愈性功能好，具有生存能力強，網(wǎng)絡(luò )傳輸穩定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在光纖環(huán)網(wǎng)中，總前端和分前端可以根據需要靈活的在不同的路由上進(jìn)行切換，從而實(shí)現雙向業(yè)務(wù)的高可靠性、多備份和信號迅速恢復的功能，切實(shí)解決現有網(wǎng)絡(luò )傳輸不穩定性的缺點(diǎn)。當線(xiàn)路干線(xiàn)中有一個(gè)點(diǎn)出現問(wèn)題時(shí)(比如主干光纖線(xiàn)路某處出現斷路)，系統可以利用它的自愈功能自動(dòng)切換到備用線(xiàn)路上，保持通信暢通。

　　管控指揮中心

　　整個(gè)系統全部采用全IP流媒體交換的方式，確保系統最大的開(kāi)放性、兼容性和易擴展性。流媒體全部基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封包傳輸，系統硬件結構簡(jiǎn)單，容易部署實(shí)施。在管控指揮中心部署流媒體服務(wù)器，數據庫服務(wù)器，登錄服務(wù)器，應用系統服務(wù)器以實(shí)現設計的各種應用功能。整個(gè)系統業(yè)務(wù)與管理分離設計，音視頻實(shí)時(shí)流，點(diǎn)播回放流，音視頻存儲流，信令控制流邏輯分離分別傳輸。

　　分流設計使流媒體實(shí)現端到端轉發(fā)，減少中間環(huán)節，如此，假如某個(gè)服務(wù)器出現故障無(wú)法工作，也不會(huì )引起整個(gè)指揮系統的癱瘓，其他服務(wù)器應用繼續正常運行。另外這種IP系統的分流設計使系統比較容易擴容，當系統需要擴大規模時(shí)，整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )架構無(wú)須任何做任何改變，無(wú)須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )改造，無(wú)須增加新的平臺服務(wù)器，無(wú)須改變系統平臺結構。部署IP-SAN存儲服務(wù)器對前端攝像機的視頻流進(jìn)行直接存儲，同時(shí)部署高清網(wǎng)絡(luò )硬件解碼器把從流媒體服務(wù)器傳輸過(guò)來(lái)的音視頻流進(jìn)行解碼輸出至電視墻，實(shí)現大屏幕監看。為了方便高速公路管理人員移動(dòng)管理和執法的需要，通過(guò)部署支持移動(dòng)操作平臺(Android、Symbian、iOS)手機客戶(hù)端或平板客戶(hù)端系統，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )連接至公路監控指揮中心，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)應用。

信息存儲

　　監控信息的可靠存儲對于整個(gè)視頻監控來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，由于監控系統的監控攝像點(diǎn)多，要求保存時(shí)間長(cháng)，可靠性高。因此在設計監控系統信息存儲時(shí)必須從存儲系統的大容量，易擴容，高性能等幾個(gè)方面考慮。為實(shí)現以上要求，存儲方案分別設計前端攝像機緩存，路段中心直存和省中心備份存儲的可靠方案。

　　前端攝像機緩存

　　高清IP監控系統在實(shí)際的應用過(guò)程中，經(jīng)常無(wú)法避免的會(huì )遇到網(wǎng)絡(luò )擁塞、中斷，存儲服務(wù)器故障、斷電等各種意外情況，使得前端攝像機采集到的視頻流無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò )及時(shí)存儲到指揮中心存儲服務(wù)器上，從而導致視頻流錄像失敗。項目選用的高清IP智能攝像機都支持本地緩存功能，當網(wǎng)絡(luò )故障或中心存儲服務(wù)器等故障導致無(wú)法錄像時(shí)，攝像機自帶的數據緩存功能可以將采集到的視頻流存儲到本機的SD卡上，直到網(wǎng)絡(luò )或存儲服務(wù)器故障恢復正常后，攝像機會(huì )自動(dòng)將本地緩存的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到存儲服務(wù)器上，避免數據丟失。

　　路段中心直存

　　在路段監控指揮中心采用IP-SAN數據存儲技術(shù)對前端攝像機的視頻流進(jìn)行大規模存儲。IP-SAN存儲技術(shù)是一種基于IP以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )區域存儲架構，它使用iSCSI協(xié)議來(lái)傳輸流媒體數據，與其他存儲方式相比，更加適合高清網(wǎng)絡(luò )監控存儲的性能和適用要求,如(圖6)。系統存儲流直接從攝像機通過(guò)數據塊的形式寫(xiě)入IP-SAN存儲設備中，確?？煽看鎯?。另外通過(guò)平臺軟件系統的存儲管理機制根據實(shí)際應用的需要實(shí)現重點(diǎn)內容重點(diǎn)存儲，一般內容標準存儲。

　　省中心備份存儲

　　由于系統的多級管理架構，對于一些高速公路管理部門(mén)認為非常重要的視頻等信息，除在路段指揮中心集中可靠存儲之外，省指揮管理中心還需根據情況有選擇，有取舍的進(jìn)行流媒體存儲，增加系統存儲的可靠性。而且根據需要路段指揮中心存儲系統與省監控指揮中心存儲可互為備份，一旦某個(gè)存儲系統故障，另外一個(gè)存儲系統可以作為備份存儲，待故障修復后，視頻存儲信息可及時(shí)得到有效恢復。

　　整體系統功能和特點(diǎn)

　　基于全高清IP網(wǎng)絡(luò )架構而設計的高速公路監控系統，結合高清720P或1080P網(wǎng)絡(luò )監控攝像機，使得創(chuàng )新的架構體系和高品質(zhì)系列圖像采集產(chǎn)品獲得了完美的融合。項目經(jīng)建設部署后，具備如下功能和特點(diǎn)：1、功能強大的并易于集成開(kāi)發(fā)的監控管理指揮平臺。2、技術(shù)先進(jìn)的車(chē)牌識別技術(shù)、人臉識別技術(shù)及其他視頻分析技術(shù)應用于高速公路管理和收費，高速公路管理的智能化水平明顯提高。3、環(huán)網(wǎng)技術(shù)，確保信息的可靠傳輸，并實(shí)現了盡可能少的利用高速公路光纖資源。4、“瘦前端，胖后端”設計，大大減少了室外設備或系統發(fā)生故障的幾率，充分考慮了系統的易維護性要求。

　　結語(yǔ)

　　高速公路IP高清化監控系統的建設將是未來(lái)幾年的一個(gè)應用發(fā)展方向，它與上一代高速公路監控系統有著(zhù)本質(zhì)化的區別，系統在具備720P或1080P高清圖像監控的同時(shí)，實(shí)現了真正的高清圖像全數字化IP網(wǎng)絡(luò )化傳輸，系統具有強大的可擴展性能，在以太網(wǎng)可到達的任意地點(diǎn)，都可以進(jìn)行系統的擴容。不管是增加前端設備還是各個(gè)子系統的對接，都有可實(shí)現擴容的可能性，加上前端的攝像機和平臺系統都是采用標準化協(xié)議，使得系統強大的可擴展性名副其實(shí)。