高速公路特長隧道監(jiān)控視頻系統(tǒng)的設計研究

常國偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 設計背景

經過多年跨越式發(fā)展，山西省高速公路建設取得舉世矚目的成績，高速公路建設是地區(qū)經濟增長的重要推動力，其快速的發(fā)展為經濟社會創(chuàng)造了基礎條件，同時也創(chuàng)造了巨大的社會效益和經濟效益，高速公路建設規(guī)模已成為對一個省經濟發(fā)展水平和經濟實力進行衡量的重要標準。

高速公路所處地理環(huán)境較為復雜，特別是近幾年在建高速公路隧道數(shù)量多且長度較長，多條高速公路中出現(xiàn)10 km 左右的特長隧道。隧道作為高速公路的咽喉地段，因空間小、密閉性強等原因，常為事故多發(fā)點，且一旦發(fā)生火災、事故，極易引起交通擁堵和二次事故的發(fā)生，進而引發(fā)嚴重的交通事故，嚴重影響了高速公路的通行效率和行車安全。長期以來，隧道監(jiān)控視頻采用標清圖像模式對隧道洞內進行監(jiān)控，隨著隧道視頻圖像的發(fā)展，高清視頻圖像模式逐漸取代標清圖像模式。高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種可視化管理技術，可以實時對隧道內交通流量和交通運行狀況監(jiān)視，向管理部門提供實時、直觀、可靠的信息，輔助管理部門對交通運行進行科學管理，及時制定交通管控方案，預防常發(fā)性擁擠的發(fā)生。同時結合視頻分析技術，可以對隧道內發(fā)生的異常事件進行自動檢測、報警，保證了異常事件第一時間發(fā)現(xiàn)和排除，避免二次事故的發(fā)生，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設對保障高速公路高速、安全、舒適、經濟地運營具有重大的意義。

2 設計目標與原則

2.1 設計目標

目前高速公路信息化的發(fā)展已經進入了“智慧高速”建設時代，作為“智慧高速”的重要組成部分，隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平影響著高速公路的整體“智慧”水平。對于該項目隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設，滿足隧道日常運營與安全管理業(yè)務需求的同時，充分利用先進的技術手段提升系統(tǒng)的先進性、可靠性、智能化以及可維護性。系統(tǒng)設計目標主要包括：實時圖像點播、遠程控制、存儲和備份、歷史圖像的檢索和回放、電視墻顯示功能、與其他系統(tǒng)的接口與聯(lián)動、事件檢測與交通數(shù)據統(tǒng)計、用戶與權限管理、高可靠傳輸鏈路等。

2.2 設計原則

高速公路隧道高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為了充分發(fā)揮高速公路“高速、安全、舒適、高效”的功能特性，保證較高的服務水平，實現(xiàn)對交通運行的宏觀管理和調度而建立的。系統(tǒng)設計主要原則包括：先進性、穩(wěn)定性、集成化、可拓展性、易用性與易維護性。

3 系統(tǒng)設計方案

3.1 設計思路

以山西省某高速公路為例，路段內設置特長隧道1 座/9 800 m，采用雙向四車道高速公路標準，設計速度80 km/h，根據項目路段交通量和隧道長度，分析得出隧道的監(jiān)控等級為A+級。隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計采用先進的高清視頻監(jiān)控技術，實現(xiàn)高清視頻采集，高清傳輸，高清顯示，高清存儲一體化高品質全高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。不僅可以帶來高品質、高清晰的圖像監(jiān)控，還能帶給智能分析系統(tǒng)更多的數(shù)據來源，極大地豐富了路段內隧道監(jiān)控數(shù)據的再利用再開發(fā)，為山西省高速公路大數(shù)據應用提供了優(yōu)質的視頻資源。隧道高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端感知系統(tǒng)、網絡傳輸和監(jiān)控中心（顯示、存儲、控制）三大部分組成。

3.2 前端感知設計

隧道視頻監(jiān)控主要包括上下行洞口監(jiān)控、隧道內監(jiān)控、人行/車行橫洞監(jiān)控、緊急停車帶監(jiān)控和變電所監(jiān)控。隧道內監(jiān)控攝像機采用高清網絡攝像機，同時兼容支持H.265/H.264 編碼標準，支持星光級低照度，滿足聯(lián)網標準更新后可以無縫切換升級。攝像機支持3 碼流輸出，高碼流用于電視墻顯示，第三碼流用于高清存儲和高清視頻事件檢測。由于隧道內環(huán)境昏暗，光照度條件差，因此本次設計在隧道內配置星光級低照度攝像機，提高成像效果以及事件檢測效果。

a）隧道洞口 監(jiān)控圖像主要是觀察隧道洞口交通擁堵情況，監(jiān)視的范圍較大，必要時也需要看清局部狀況，如山體滑坡等，圖像清晰度越清晰越好。因此，根據監(jiān)控需求的特點設計配置星光級高清網絡云臺，一方面滿足圖像清晰度的需求，同時可以控制攝像機云臺轉動，針對性地觀察路面情況。該項目在隧道上下行洞口距離隧道出入口約250 m 處分別設置1 臺星光級高清網絡槍機，用以觀察隧道洞口運行情況和對周圍環(huán)境進行監(jiān)視，有效監(jiān)視隧道入、出兩個洞口外的全貌。

b）隧道人行/車行橫洞和緊急停車帶 監(jiān)控圖像主要是觀察橫洞和緊急停車帶的交通擁堵情況，監(jiān)視的范圍較大，必要時也需要看清局部狀況，如車輛特征等，圖像清晰度越清晰越好。因此，根據監(jiān)控需求的特點設計選用超星光級高清網絡球機，一方面滿足圖像清晰度的需求，同時可以控制球機云臺的轉動，針對性地觀察車輛情況。該項目設計在特長隧道左右洞內每個橫洞/緊急停車帶分別設置1 臺星光級高清網絡球機，用于全方位監(jiān)控橫洞/停車帶交通運行情況。

c）隧道洞內 視頻圖像用于監(jiān)控特長隧道左右洞內的交通狀況，主要是隧道內的車輛密度、行駛速度、有無事故及逆行車輛等，圖像清晰度的要求則能看清車牌，在發(fā)生事故時可以第一時間得到更多的信息。由于隧道環(huán)境濕度非常高，是經常會出現(xiàn)護罩內水汽凝結的現(xiàn)象，因此隧道固定攝像機需要采用相機護罩一體的產品達到較好的密閉性能，本設計采用星光級高清網絡一體化單元，隧道內按照建設標準從距入口5 m 處每間隔約130 m 設1 臺固定高清網絡攝像機，實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)控[1]，用于監(jiān)控隧道內交通運行情況。

d）洞口/洞內變電所監(jiān)控 在隧道兩端洞口每個變電所內和隧道車行橫洞變電所內各設置2 臺星光級高清網絡半球攝像機，用于監(jiān)控隧道變電所設備運行及人員出入情況。

3.3 網絡傳輸設計

隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網絡設計主要包括隧道前端監(jiān)控點位到隧道管理站網絡通道以及隧道管理站到上一級管理單位的網絡通道。由于高速公路沿線都敷設了光纜，光纖資源較為豐富，因此直接采用光纖傳輸。在本次設計中監(jiān)控點位到隧道管理站的網絡傳輸采用光纖環(huán)型冗余設計方案，采用視頻監(jiān)控專用的智慧型傳輸設備組網傳輸。

上下行隧道洞口、人行/車行橫洞和緊急停車帶星光級高清網絡球機按照1∶1 配置原則，配置智慧接入終端進行傳輸；每個變電所2 臺星光級高清網絡半球對應1 臺智慧接入終端；洞內全程監(jiān)控星光級網絡一體化單元按照設備柜分配情況，每3 路對應1 臺智慧接入終端；考慮到整個視頻傳輸系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，所有智慧接入終端按照30 路圖像一個環(huán)的配置原則，組成若干個千兆光纖自愈環(huán)網傳輸?shù)剿淼拦芾硭鶅扰渲玫母咔逡曨l綜合平臺內，隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設計架構見圖1 所示。

3.4 監(jiān)控中心設計

隧道管理站端以高清智能數(shù)字視頻綜合平臺作為核心設備，并配置視頻存儲服務器、磁盤陣列、視頻工作站、大屏拼接電視墻、視頻事件檢測與交通信息分析統(tǒng)計系統(tǒng)、核心交換機等相關設備組成隧道管理站級監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)隧道視頻接入、視頻切換、視頻存儲、大屏控制、聯(lián)網上傳、視頻事件檢測及其他子系統(tǒng)（火災、緊急電話、視頻檢測子系統(tǒng)）聯(lián)動等功能。

3.4.1 顯示系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種可視化管理技術，最終展現(xiàn)給監(jiān)控管理人員的是顯示環(huán)節(jié)，包括監(jiān)視器、拼接大屏和視頻工作站的實時顯示和歷史圖像回放。為了保障高清顯示效果，顯示系統(tǒng)需要支持DVI/HDMI/VGA 高清接口，滿足不低于1 920×1 080 顯示分辨率性能。綜合考慮性價比，在本次隧道監(jiān)控視頻顯示系統(tǒng)設計中采用LED 液晶拼接屏和液晶監(jiān)視器相組合的電視墻方案，視頻顯示系統(tǒng)見圖1 所示。

圖1 隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體系統(tǒng)設計架構

智能視頻綜合平臺具備多光口接入交換機、編解碼器、視頻分配器、大屏控制器等多種設備功能，系統(tǒng)集成度較高，極大簡化了系統(tǒng)結構，減少線纜數(shù)量和中間視頻格式轉換環(huán)節(jié)。解碼拼控系統(tǒng)由視頻綜合平臺、控制鍵盤及LED 屏控制器等組成，視頻綜合平臺完成信號源的接入、視頻解碼、大屏拼接和控制等，控制鍵盤實現(xiàn)大屏的切換上墻控制，顯示預案管理切換等功能，LED 屏控制器驅動LED 屏顯示與控制電腦及事件信息的實時同步更新數(shù)據，而控制電腦可通過軟件實現(xiàn)對整個大屏幕墻顯示內容、顯示窗口、顯示時間等的控制。顯示系統(tǒng)由LED 液晶拼接屏和液晶監(jiān)視器組成，主要承載整個系統(tǒng)的信息集合、畫面顯示功能，將整個系統(tǒng)的各種數(shù)據及信息，以特制的方式，完美清晰地呈現(xiàn)出來。

3.4.2 存儲系統(tǒng)

該項目在隧道管理站監(jiān)控中心配置視頻存儲服務器和磁盤陣列，圖像數(shù)據從前端攝像機直接寫入存儲設備，數(shù)據傳輸協(xié)議支持主流的流媒體協(xié)議和GB/T28059 規(guī)范，支持平臺直接調取，架構簡化而開放，利用多級聯(lián)網調用。滿足按照高清格式大路數(shù)集中存儲的寫入/回放性能以及最低30 d 的存儲容量。本路段特長隧道監(jiān)控圖像共182 路，每路圖像按照25 fps@1 920×1 080 分辨率，4 Mbps 定碼率，存儲30 d 計算，計算公式為：182 路視頻×4 Mbps×3 600 s×24 h×30 d/8/1 024/1 024=225 TB。以上計算所得為視頻存儲實際所需空間大小，在設計時計算硬盤數(shù)量需要額外考慮每塊硬盤格式化損失，以及RAID 所占空間還有熱備盤空間。格式化損失按10%計算，一般視頻存儲采用RAID5 模式，RAID5空間按照一組RAID5 一塊硬盤配置，熱備盤按照一組RAID5 一塊硬盤配置。

3.4.3 控制系統(tǒng)

本次設計在隧道管理站監(jiān)控中心配置視頻事件檢測分析儀，視頻事件檢測與交通信息分析統(tǒng)計系統(tǒng)可以全天候地對車輛違章停車、擁堵、逆行、行人出現(xiàn)、遺落物、煙霧等各類交通異常事件進行檢測，同時對隧道左右洞內車道流量、車道平均車速、排隊長度、車頭時距等交通數(shù)據的檢測采集。設計采用全新深度學習算法+高密度GPU 的方案，相較于傳統(tǒng)的事件檢測設備，無論在算法還是算力上都有了質的飛越，大大提高了事件識別率，同時降低事件誤報率。

3.4.4 管理平臺設計

視頻監(jiān)控軟件平臺采用軟硬件一體化產品，避免軟件安裝環(huán)境引起的兼容性、穩(wěn)定性問題。系統(tǒng)平臺需具有開放的平臺架構，具有模塊化、標準化、可擴展等特性。可以通過山西省高速公路標準聯(lián)網協(xié)議無縫接入上級平臺，也可以通過標準聯(lián)網協(xié)議或者SDK 方式接入第三方的下級平臺。平臺可預留與其他信息系統(tǒng)的互聯(lián)接口，以滿足隧道各管理子系統(tǒng)聯(lián)動的需求。

4 結語

隧道監(jiān)控視頻系統(tǒng)是通過對隧道內現(xiàn)場的監(jiān)視，結合一些信息化控制手段達到對隧道洞內道路的監(jiān)控和控制，是一種防范能力較強的視頻監(jiān)控綜合管理系統(tǒng)，以其直觀、方便而廣泛應用于隧道場合。通過視頻圖像對隧道洞口及洞內的全部路段進行全面的監(jiān)視，以便熟悉洞內道路交通狀況，辨認交通事故及其嚴重程度，必要時進行交通控制，同時視頻圖像還可以監(jiān)視隧道內監(jiān)控設備（洞內車道指示標志、洞內可變信息情報板及其他設備）的運行狀態(tài)，作為除設備自檢運行狀態(tài)外能收集設備運行狀況反饋信號的輔助確認手段。