高速公路特長隧道監(jiān)控視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

常國偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 設(shè)計(jì)背景

經(jīng)過多年跨越式發(fā)展，山西省高速公路建設(shè)取得舉世矚目的成績，高速公路建設(shè)是地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的重要推動(dòng)力，其快速的發(fā)展為經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，同時(shí)也創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，高速公路建設(shè)規(guī)模已成為對(duì)一個(gè)省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)行衡量的重要標(biāo)準(zhǔn)。

高速公路所處地理環(huán)境較為復(fù)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(qiáng)等原因，常為事故多發(fā)點(diǎn)，且一旦發(fā)生火災(zāi)、事故，極易引起交通擁堵和二次事故的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，嚴(yán)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(biāo)清圖像模式對(duì)隧道洞內(nèi)進(jìn)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(biāo)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(shù)，可以實(shí)時(shí)對(duì)隧道內(nèi)交通流量和交通運(yùn)行狀況監(jiān)視，向管理部門提供實(shí)時(shí)、直觀、可靠的信息，輔助管理部門對(duì)交通運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)管理，及時(shí)制定交通管控方案，預(yù)防常發(fā)性擁擠的發(fā)生。同時(shí)結(jié)合視頻分析技術(shù)，可以對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生的異常事件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警，保證了異常事件第一時(shí)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(shè)對(duì)保障高速公路高速、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營具有重大的意義。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前高速公路信息化的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了“智慧高速”建設(shè)時(shí)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(duì)于該項(xiàng)目隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，滿足隧道日常運(yùn)營與安全管理業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，充分利用先進(jìn)的技術(shù)手段提升系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、智能化以及可維護(hù)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括：實(shí)時(shí)圖像點(diǎn)播、遠(yuǎn)程控制、存儲(chǔ)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(dòng)、事件檢測(cè)與交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、用戶與權(quán)限管理、高可靠傳輸鏈路等。

2.2 設(shè)計(jì)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(wù)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通運(yùn)行的宏觀管理和調(diào)度而建立的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要原則包括：先進(jìn)性、穩(wěn)定性、集成化、可拓展性、易用性與易維護(hù)性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

以山西省某高速公路為例，路段內(nèi)設(shè)置特長隧道1 座/9 800 m，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，根據(jù)項(xiàng)目路段交通量和隧道長度，分析得出隧道的監(jiān)控等級(jí)為A+級(jí)。隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的高清視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高清視頻采集，高清傳輸，高清顯示，高清存儲(chǔ)一體化高品質(zhì)全高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。不僅可以帶來高品質(zhì)、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(jù)來源，極大地豐富了路段內(nèi)隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的再利用再開發(fā)，為山西省高速公路大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了優(yōu)質(zhì)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(wǎng)絡(luò)傳輸和監(jiān)控中心（顯示、存儲(chǔ)、控制）三大部分組成。

3.2 前端感知設(shè)計(jì)

隧道視頻監(jiān)控主要包括上下行洞口監(jiān)控、隧道內(nèi)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(nèi)監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，同時(shí)兼容支持H.265/H.264 編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持星光級(jí)低照度，滿足聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)更新后可以無縫切換升級(jí)。攝像機(jī)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(chǔ)和高清視頻事件檢測(cè)。由于隧道內(nèi)環(huán)境昏暗，光照度條件差，因此本次設(shè)計(jì)在隧道內(nèi)配置星光級(jí)低照度攝像機(jī)，提高成像效果以及事件檢測(cè)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(shí)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(jù)監(jiān)控需求的特點(diǎn)設(shè)計(jì)配置星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)，一方面滿足圖像清晰度的需求，同時(shí)可以控制攝像機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，針對(duì)性地觀察路面情況。該項(xiàng)目在隧道上下行洞口距離隧道出入口約250 m 處分別設(shè)置1 臺(tái)星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)槍機(jī)，用以觀察隧道洞口運(yùn)行情況和對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，有效監(jiān)視隧道入、出兩個(gè)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(shí)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(jù)監(jiān)控需求的特點(diǎn)設(shè)計(jì)選用超星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，一方面滿足圖像清晰度的需求，同時(shí)可以控制球機(jī)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，針對(duì)性地觀察車輛情況。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)在特長隧道左右洞內(nèi)每個(gè)橫洞/緊急停車帶分別設(shè)置1 臺(tái)星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，用于全方位監(jiān)控橫洞/停車帶交通運(yùn)行情況。

c）隧道洞內(nèi) 視頻圖像用于監(jiān)控特長隧道左右洞內(nèi)的交通狀況，主要是隧道內(nèi)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(shí)可以第一時(shí)間得到更多的信息。由于隧道環(huán)境濕度非常高，是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)護(hù)罩內(nèi)水汽凝結(jié)的現(xiàn)象，因此隧道固定攝像機(jī)需要采用相機(jī)護(hù)罩一體的產(chǎn)品達(dá)到較好的密閉性能，本設(shè)計(jì)采用星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)一體化單元，隧道內(nèi)按照建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)從距入口5 m 處每間隔約130 m 設(shè)1 臺(tái)固定高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)控[1]，用于監(jiān)控隧道內(nèi)交通運(yùn)行情況。

d）洞口/洞內(nèi)變電所監(jiān)控 在隧道兩端洞口每個(gè)變電所內(nèi)和隧道車行橫洞變電所內(nèi)各設(shè)置2 臺(tái)星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)半球攝像機(jī)，用于監(jiān)控隧道變電所設(shè)備運(yùn)行及人員出入情況。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要包括隧道前端監(jiān)控點(diǎn)位到隧道管理站網(wǎng)絡(luò)通道以及隧道管理站到上一級(jí)管理單位的網(wǎng)絡(luò)通道。由于高速公路沿線都敷設(shè)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(shè)計(jì)中監(jiān)控點(diǎn)位到隧道管理站的網(wǎng)絡(luò)傳輸采用光纖環(huán)型冗余設(shè)計(jì)方案，采用視頻監(jiān)控專用的智慧型傳輸設(shè)備組網(wǎng)傳輸。

上下行隧道洞口、人行/車行橫洞和緊急停車帶星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)按照1∶1 配置原則，配置智慧接入終端進(jìn)行傳輸；每個(gè)變電所2 臺(tái)星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)半球?qū)?yīng)1 臺(tái)智慧接入終端；洞內(nèi)全程監(jiān)控星光級(jí)網(wǎng)絡(luò)一體化單元按照設(shè)備柜分配情況，每3 路對(duì)應(yīng)1 臺(tái)智慧接入終端；考慮到整個(gè)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(gè)環(huán)的配置原則，組成若干個(gè)千兆光纖自愈環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)剿淼拦芾硭鶅?nèi)配置的高清視頻綜合平臺(tái)內(nèi)，隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖1 所示。

3.4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

隧道管理站端以高清智能數(shù)字視頻綜合平臺(tái)作為核心設(shè)備，并配置視頻存儲(chǔ)服務(wù)器、磁盤陣列、視頻工作站、大屏拼接電視墻、視頻事件檢測(cè)與交通信息分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)、核心交換機(jī)等相關(guān)設(shè)備組成隧道管理站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)隧道視頻接入、視頻切換、視頻存儲(chǔ)、大屏控制、聯(lián)網(wǎng)上傳、視頻事件檢測(cè)及其他子系統(tǒng)（火災(zāi)、緊急電話、視頻檢測(cè)子系統(tǒng)）聯(lián)動(dòng)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(shù)，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(shí)時(shí)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(jià)比，在本次隧道監(jiān)控視頻顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)架構(gòu)

智能視頻綜合平臺(tái)具備多光口接入交換機(jī)、編解碼器、視頻分配器、大屏控制器等多種設(shè)備功能，系統(tǒng)集成度較高，極大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少線纜數(shù)量和中間視頻格式轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。解碼拼控系統(tǒng)由視頻綜合平臺(tái)、控制鍵盤及LED 屏控制器等組成，視頻綜合平臺(tái)完成信號(hào)源的接入、視頻解碼、大屏拼接和控制等，控制鍵盤實(shí)現(xiàn)大屏的切換上墻控制，顯示預(yù)案管理切換等功能，LED 屏控制器驅(qū)動(dòng)LED 屏顯示與控制電腦及事件信息的實(shí)時(shí)同步更新數(shù)據(jù)，而控制電腦可通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大屏幕墻顯示內(nèi)容、顯示窗口、顯示時(shí)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(gè)系統(tǒng)的信息集合、畫面顯示功能，將整個(gè)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)及信息，以特制的方式，完美清晰地呈現(xiàn)出來。

3.4.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)

該項(xiàng)目在隧道管理站監(jiān)控中心配置視頻存儲(chǔ)服務(wù)器和磁盤陣列，圖像數(shù)據(jù)從前端攝像機(jī)直接寫入存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)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(tái)直接調(diào)取，架構(gòu)簡化而開放，利用多級(jí)聯(lián)網(wǎng)調(diào)用。滿足按照高清格式大路數(shù)集中存儲(chǔ)的寫入/回放性能以及最低30 d 的存儲(chǔ)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(chǔ)30 d 計(jì)算，計(jì)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(jì)算所得為視頻存儲(chǔ)實(shí)際所需空間大小，在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)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(jì)算，一般視頻存儲(chǔ)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(shè)計(jì)在隧道管理站監(jiān)控中心配置視頻事件檢測(cè)分析儀，視頻事件檢測(cè)與交通信息分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可以全天候地對(duì)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(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)隧道左右洞內(nèi)車道流量、車道平均車速、排隊(duì)長度、車頭時(shí)距等交通數(shù)據(jù)的檢測(cè)采集。設(shè)計(jì)采用全新深度學(xué)習(xí)算法+高密度GPU 的方案，相較于傳統(tǒng)的事件檢測(cè)設(shè)備，無論在算法還是算力上都有了質(zhì)的飛越，大大提高了事件識(shí)別率，同時(shí)降低事件誤報(bào)率。

3.4.4 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控軟件平臺(tái)采用軟硬件一體化產(chǎn)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(tái)需具有開放的平臺(tái)架構(gòu)，具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展等特性。可以通過山西省高速公路標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議無縫接入上級(jí)平臺(tái)，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議或者SDK 方式接入第三方的下級(jí)平臺(tái)。平臺(tái)可預(yù)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(dòng)的需求。

4 結(jié)語

隧道監(jiān)控視頻系統(tǒng)是通過對(duì)隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視，結(jié)合一些信息化控制手段達(dá)到對(duì)隧道洞內(nèi)道路的監(jiān)控和控制，是一種防范能力較強(qiáng)的視頻監(jiān)控綜合管理系統(tǒng)，以其直觀、方便而廣泛應(yīng)用于隧道場(chǎng)合。通過視頻圖像對(duì)隧道洞口及洞內(nèi)的全部路段進(jìn)行全面的監(jiān)視，以便熟悉洞內(nèi)道路交通狀況，辨認(rèn)交通事故及其嚴(yán)重程度，必要時(shí)進(jìn)行交通控制，同時(shí)視頻圖像還可以監(jiān)視隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備（洞內(nèi)車道指示標(biāo)志、洞內(nèi)可變信息情報(bào)板及其他設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)，作為除設(shè)備自檢運(yùn)行狀態(tài)外能收集設(shè)備運(yùn)行狀況反饋信號(hào)的輔助確認(rèn)手段。