高速公路監控系統視頻傳輸設計與實現

王 麗，趙艷輝

（河北中崗通訊工程有限公司，河北 石家莊 050035）

0 引言

隨著國家高速公路事業的蓬勃發展，對其服務和管理水平的需求日益提高。而視頻監控系統是安全防范系統和高速公路機電系統的重要組成部分，是將視頻技術和現代通信技術相結合的應用，同時也為高速公路的管理提供了直觀、方便、信息豐富的內容，因此監控系統的實施成為了機電系統和高速公路管理不可缺少的一部分。隨著高速公路通行車輛的迅速增加，數字圖像壓縮處理技術和流媒體技術的不斷發展，計算機網絡帶寬、計算機網絡的處理能力和存儲容量的快速提高和加大，高速公路的全程監控和視頻傳輸的數字化將成為未來的發展趨勢。

1 監控系統傳輸方案比較

1.1 原有監控系統方案

原有監控系統方案如下：

（1）每車道設置車道攝像機和亭內攝像機各1臺；

（2）廣場的內、外側各設置快速球型攝像機1臺；

（3）主線收費站入口收費亭內攝像機分別設置，通過視頻分配器提供視頻圖像；

（4）收費站車道、亭內和廣場的視頻圖像采用一對一在監視墻上顯示，每站設置主監視器一套。復式收費車道的視頻圖像與原有收費車道的車道和亭內視頻圖像通過四畫面分割器后在監視墻上顯示；

（5）收費站均通過硬盤錄像機對視頻圖像進行存儲；

（6）視頻切換和控制采用模擬視頻控制矩陣；

（7）收費站與監控分中心視頻傳輸采用視頻數據復用光端機點對點傳輸方式，每收費站上傳一路視頻圖像至路監控分中心，并接受監控分中心視頻切換矩陣的控制。

原有監控系統方案構成如圖1所示。

圖1 原有監控系統方案構成

1.2 現有監控系統傳輸模式

現有公路的監控系統傳輸模式采用數字非壓縮點對點式視頻光端機傳輸方案。以光纖專線為傳輸介質，采用模擬攝像機＋視頻光端機等模式來實現，對重點路段、隧道和橋梁進行統一的24h實時音視頻監控。能夠做到集中監控、集中存儲，可以在內部網絡鋪蓋的任何地點查看、控制任何一個監控點，可隨意調用監控畫面，畫面清晰連貫。監控系統的現有方案主要體現在以下方面：

（1）實現了對重點區域的視頻監控，以各監控點為基本單元，各級基于數字化網絡視頻技術實現多級聯網監控；

（2）所有的視頻監控點考慮了全天候監控的效果；

（3）能夠對所有監控的視頻進行長達7×24h的視頻錄像，能夠作為證據進行分析、調用；

（4）組建視頻監控中心，采用數字化視頻還原技術組建電視墻，形成傳統的類矩陣集中系統，實現對所轄區域視頻監控的集中管理；

（5）以各管理處為單位組建視頻分監控中心，采用磁盤陣列存儲錄像資料及轉發視頻；

（6）在監控指揮中心組建系統調度指揮中心，統籌安排和調度整個系統，進行統一的現場調度和管理。

監控外場圖像，采用點對點式進行組網傳輸。在每處監控點根據需要設置l臺單路或雙路視頻+反向數據遠端機，在監控分中心設置多路視頻+反向數據節點式接收機，所傳圖像均為數字非壓縮格式。

1.3 兩種監控系統傳輸模式優缺點比較

1.3.1 點對點數字視頻光端機

點對點數字視頻光端機有如下優點：（1）使用簡單靈活，視頻質量高，實時性好；（2）除了傳輸多路視頻信號外，還可以傳輸音頻信號、異步數據、以太網數據等多種信號。

點對點視頻光端機有如下缺點：

（1）無法組網，不具備保護功能，系統可維護性差；

（2）無法實現遠距離傳輸，如果距離過遠，圖像無法直接到達監控中心/分中心，只能采用光端機級聯方式，多級光端機的級聯會造成信號質量的下降，同時也給業務和設備的維護管理帶來很大不便；

（3）由于采用的是點對點模式，整個系統占用大量的光纖資源；

（4）外場監控節點多，需要構建大型視頻網絡時，矩陣增容費用增加很多，矩陣之間級聯非常困難，控制網絡復雜。

1.3.2 全數字傳輸方式

針對于傳統的點對點傳輸模式的缺點出現了新的全數字視頻傳輸方案：所有外場監控圖像在攝像機端即進行數字化編碼，圖像壓縮后（H.264標準）采用光纖組網方式，接入收費站（或服務區）的通信系統，利用接入網提供的10/100M通道傳至監控分中心。

全數字傳輸方式有如下優點：

（1）系統技術設備比較先進，能夠實現集中管理、集中控制、集中調度等功能，甚至有能力將除圖像外的其他業務集成于同一個平臺上進行傳輸；

（2）由于采用了H.264標準，圖像具有高清晰、低延時、抗干擾性強、分插（上、下）方便等優點，適合大規模、高質量圖像傳輸要求。

全數字傳輸方式有如下缺點：

（1）目前國內支持該種高新技術方案的廠商數量較少，造價較高；

（2）由于壓縮編碼的算法不統一，造成設備廠商之間設備編解碼器存在兼容性問題，不能做到設備互換，使已建成高速公路新增設備或原有系統改造面臨設備更新和兼容問題，沒有選擇的余地。

2 全程監控數字化傳輸設計

2.1 路段全程監控系統設計基本原則

路段全程監控系統設計時需考慮如下基本原則：

（1）使用新技術、新設備：充分使用新技術和新設備，保證價值工程的資源利用最大化。

（2）統一管理，合理利用：設備、資源統一管理，合理利用資金。

（3）標準化：視頻監控系統就是要實現在光纖上的圖像傳輸和共享。本系統采用的產品均遵循視頻協議和傳輸標準的要求。

（4）可擴展性：由于用戶以后的需求會不斷增加，監控數量將隨之擴大，用戶要求只增加前端設備和升級軟件不用添加其他附加設備，以保證其投資。為了適宜未來系統擴展的需求，系統在滿足現有功能的基礎上預留足夠的設備容納性以便系統擴充之用。系統中控制部件（軟、硬件）采用集中式結構、嵌入式等技術措施，可以方便靈活地進行擴充，充分保證系統在將來的適應性。靈活的組網方式，方便增加被監控點。幾個視頻監控系統可以作為子系統組成更大的視頻監控系統，可按多級組網的方式，形成大規模的監控網絡，高一級監控中心能管理和監控低一級監控中心的運行。

（5）易用性：軟件使用界面良好，用戶安裝相應軟件（客戶端控件）后就可進行實時監控，完全智能控制，不用單獨設置。系統可以很方便地進行在線升級，保證用戶投資。系統采用的程序包括服務器程序和客戶端程序，均能為客戶提供升級服務。可調節圖像質量與帶寬占用，系統采用H263++、X264硬件編解碼，可以根據用戶需求調節幀數、分辨率、圖像質量等。支持64～2048Kbps傳輸碼率的多種圖像瀏覽方式，包括單畫面、四畫面、九畫面、十六畫面多種瀏覽方式。

（6）可靠性：具有設計獨到的視頻流量管理功能，保證傳輸通暢。統一、規范地管理操作權限。系統具有自診斷功能。系統設備的平均無故障工作時間MTBF＞10000h。由于每一個設備均以分散的方式安裝于遠端的攝像機端，即使單個設備發生了故障也僅僅是影響到這個設備，而不至于影響整個系統。

（7）完善性：具有強大的視頻、音頻和數據告警功能：當某臺攝像機發生移動偵測報警時，系統可實時啟動錄像或驅動云臺前往預置位實時監視；當發生報警時，能接入聯動報警信號，識別報警。具有功能完善的錄像管理體系，系統可選用手動、移動偵測、報警、定時錄像四種方式，提供指定周期的滾動刪除功能，有效防止存儲空間耗盡，同時可提供分布式網絡存儲功能。具備完善的控制功能，系統設置了權限管理，對不同級別的用戶給予不同的權限，有效防止越權操作。

（8）良好的硬件平臺：系統硬件平臺為嵌入式設計，實現高度一體化、高度工程化，便于施工、安裝、調試。

（9）良好的軟件平臺：系統的軟件操作簡便、采用模塊化結構。

2.2 全光纖數字矩陣系統的特點

根據以上使用原則，需要全新的系統方案進行設計和實施。全光纖數字矩陣系統是一個集光纖傳輸、分布式數字視頻矩陣、多業務接入于一體，具有全數字、大容量、高品質圖像、高擴展性、完善的視頻管理及網絡管理能力的光纖網絡傳輸交換平臺。本業務系統將視頻、音頻、計算機網絡、數據等統一到同一傳輸平臺，提供了豐富的業務接口如Ethernet、E1、RS232/RS485/RS422、開關量、愛峰對講、語音等，并且創造性地將開放式全數字視頻綜合管理設備納入該平臺。為視頻監控高端用戶提供了專業的綜合解決方案，可滿足用戶對多級傳輸、交換高質量視頻、多種業務接入的需要。

2.3 VAM平臺

2.3.1 VAM平臺簡介

高速公路監控系統采用VAM——開放式高畫質數字視頻網絡平臺。VAM平臺綜合運用計算機、圖像處理、視頻壓縮、傳輸與交換、網絡管理、視頻行為分析等技術，集視音頻信號的接入、傳輸、交換、存儲、顯示以及PTZ控制、告警聯動、視頻分發、事件檢測等功能和應用于一體，能有效提升高速公路運營維護的信息化、智能化水平，為高速公路運營管理和風險控制提供有力的支撐。

VAM平臺是一個高度標準、開放的視頻監控網絡平臺，完美支持專業級視頻監控所必備的從非壓縮到不同壓縮等級的多碼率數字視頻信號的并行傳送與統一調度。VAM平臺采用符合國際電聯（ITU-R）BT.601、BT.656標準的非壓縮分量數字視頻碼流作為其基礎視頻碼流，視頻信號的壓縮、傳輸、交換、處理、存儲、顯示等全部基于此標準的基礎視頻碼流，從而使得VAM平臺具備了非常優良的擴展性和通用性。VAM平臺內的壓縮視頻采用MPEG-2、MPEG-4和H.264三種標準，同時提供從128Kbps到8Mbps的不同畫質的多種壓縮視頻。

VAM平臺的信號接入、傳輸和交換均基于電信級以太網技術，支持星形、鏈形、環形、相切環等光網絡拓撲，可在全網提供1+1保護，使整個平臺具有極高的可靠性和安全性。VAM平臺也可利用各種已建通信網絡，如：SDH、RPR、ASON等，實現互聯組網。

2.3.2 VAM平臺的主要特點

（1）全程數字化：標準分量數字視頻信號可直接無損接入平臺內；模擬視頻信號進入平臺后即數字化為符合ITU-R BT.656國際標準的分量數字視頻，并在平臺內全程基于此標準碼流進行壓縮、存儲、分析、編碼等各種處理；

（2）傳輸接口標準、開放：符合國際標準IEEE802.3z的千兆以太網承載非壓縮和各種壓縮視頻碼流，既可獨自構建電信級受控以太網，也能支持已有的SDH、RPR、ASON等通信網絡；

（3）網絡安全和帶寬保護：用VAM平臺構建的電信級受控以太網能阻止非法接入；各項業務按需動態指配網絡帶寬；

（4）大容量全交換：單子架96G高速交換背板容量，支持子架級聯和堆疊；

（5）實時非壓縮視頻到桌面：可在桌面端提供清晰細膩的非壓縮實時視頻；

（6）內建視頻存儲和調閱：同時支持集中存儲和分布式存儲，存儲的視頻可根據授權全網調閱；

（7）多碼流支持：可同時提供標準的ITU-R BT.656非壓縮分量數字視頻碼流以及從128Kbps到8Mbps的不同畫質的多種壓縮視頻，滿足大屏顯示、電視墻顯示、視頻分析、視頻存儲、信息發布等不同應用需求；

（8）前光后電式子架設計：子架前面板只有指示燈和光纖接口，所有的電纜全部集中在子架后面板，同時配備了接口功能指示燈，方便工程開通和設備維護；

（9）視頻統一調度：非壓縮、壓縮視頻全網統一接入、傳輸、交換和存儲；

（10）完善的網絡管理：故障自動定位，良好的人機界面；

（11）豐富的行業特色應用：提供切合高速公路管理特點的多種應用。

2.3.3 VAM平臺的子系統

VAM平臺由以下子系統構成：

（1）交換子系統；

（2）傳輸子系統；

（3）接入子系統；

（4）視頻調度子系統；

（5）視頻存儲子系統；

（6）信息發布子系統；

（7）告警管理子系統；

（8）設備管理子系統；

（9）事件監測子系統。

上述系統可以接入攝像機、高清攝像機、網絡攝像機、云臺（解碼器）、拾音器（麥克風）、揚聲器、對講、求助報警、煙霧傳感器、車流檢測器、紅外報警、氣象探測器、電話、可變情報板等前端設備信號，提供包括視頻監視、視頻存儲、事件監測、PTZ控制、檢索回放、告警聯動、收費稽查、Web發布、桌面瀏覽、視頻會議、視頻對講、OSD配置在內的各種應用，實現高速公路機電系統中各子系統的整合。

2.3.4 VAM平臺的設計

傳輸采用全數字綜合管理設備，全網信號共享，任一節點經過配置授權均可任意下載圖像，各前端視頻接入數量不受限制，設計的傳輸系統能夠傳輸所有格式的數字視頻信號，包括數字非壓縮視頻、MPEG2、MPEG4、H.264等。監控系統圖像傳輸采用遠端數字非壓縮采集、傳輸、接入，分中心（收費站）MPEG2或H.264（MPEG4）采用編解碼模式進行顯示、存儲、管理。

2.3.5 VAM平臺的主要設備組成

在分中心和收費站采用“開放式全數字視頻綜合管理設備（平臺）”，外場設備通過收費站全數字綜合管理設備與監控分中心全數字綜合管理設備之間結成多纖自愈光纖環網。在高速公路外場，采用“節點式光端機”聯結外場設備到監控分中心，其構成如圖2所示。

圖2 VAM平臺的主要設備構成

全數字管理平臺的構成如圖3所示。

圖3 全數字管理平臺的構成

在高速公路外場，采用“節點式光端機”聯結外場設備（如攝像機等），節點式遠端接入設備接入設在收費站的全數字綜合管理設備組成單纖鏈網進行傳輸，其構成如圖4所示。

圖4 單纖鏈網的構成

全數字視頻綜合管理設備和節點式光端機組成光纖鏈路網絡，結成的視頻圖像傳輸、轉換、處理系統是完全數字化的，具備一系列的優點：

（1）支持數字非壓縮視頻和多種碼流的壓縮轉換、傳輸及輸出，在保證本地管理站具有高清晰度實時圖像進行切換、顯示的同時，提供基于壓縮處理模式的視頻業務和基于非壓縮處理模式的視頻業務的共同傳輸，為上級監控分中心提供了多種顯示與瀏覽模式。

（2）數字管理平臺之間、數字管理平臺和接點光端機之間可以組成鏈網、環網、星型、分支、混合型等結構的網絡，可覆蓋到最前端的外場攝像機或其他設備處，具有強大的組網能力；

（3）支持多業務接入、傳輸功能，在收費站內和外場均可提供以太網、異步數據、音頻、對講、報警等多種接口和傳輸能力；

（4）強大的后臺軟件功能和模塊化設計；

（5）全網設備統一管理，網管、設備監控功能可覆蓋至外場設備最前端（外場攝像機或其他設備處）；

（6）系統有很強擴展性，外場使用節點式光端機，可以用單根光纖構成光纖鏈路，接入并傳輸不同地點的多路視頻圖像和多種數字碼流，適合于道路的全程監控（每隔1km或2km布設攝像機），為以后在不增加光纖的情況下，進一步增加外場監控設備提供了便利條件。

3 結語

傳統高速公路監控系統的傳輸系統主要為采用點到點光端機傳輸或使用節點光端機進行視頻和數據的傳輸，本身獨立成網。通過使用全數字視頻綜合管理設備將原有系統的監控點和新增的監控點融合在一個統一的管理平臺下，將多種視頻模擬和數字接入模式（光、電）結合在一起，組成一個新的統一調度管理平臺，真正做到收費系統的語音圖像數據、監控系統的語音圖像數據傳輸統一管理在一個管理平臺下，節約了系統改造開支。隨著高速公路管理需求的提升和高速公路通行車輛的迅速增加，隨著數字圖像壓縮處理技術和流媒體技術的不斷發展，隨著計算機網絡帶寬、計算機網絡的處理能力和存儲容量的快速提高和加大，高速公路的全程監控和視頻傳輸的數字化將成為發展的趨勢。

[1] 曾瑤輝，李冬陵.高速公路監控系統集成[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 鄭國，葉裕民，皮定均.國內外數字化城市管理案例[M].北京：中國人民大學出版社，2009.