高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構評價分析

鄧超

摘要：文章結合層次分析法原理對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構進行評價分析，對5個重要技術指標進行量化，并對不同監(jiān)控系統(tǒng)進行對比分析。通過建立層次結構模型、構造判別矩陣，根據(jù)各系統(tǒng)評分結果得出混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)綜合得分最高，而全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)最具發(fā)展前景。

關鍵詞：高速公路;視頻監(jiān)控系統(tǒng);架構;層次分析法

0 引言

視頻監(jiān)控技術應用在高速公路管理中，不僅可以對高速公路的運行情況進行實時監(jiān)測，還可以進行報警復核，輔助監(jiān)控系統(tǒng)提高管理效率。20世紀90年代，美國開啟“視覺監(jiān)控項目”，開始研究將網(wǎng)絡傳輸、智能傳感和圖像視覺分析等技術進行融合，實現(xiàn)在多種復雜狀況下的視頻監(jiān)控。歐洲在1999年聯(lián)合高校和科技企業(yè)開展視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究，其中一部分功能就是對交通運行情況進行監(jiān)控，緩解城市交通壓力。我國于2002年開始研究視頻監(jiān)控技術，中科院自動化研究所對運動檢測、定位、識別和跟蹤方面的視頻監(jiān)控技術進行重點研究，得到了一種新型的交通監(jiān)控系統(tǒng)。雖然我國監(jiān)控系統(tǒng)的研究晚于美國、歐洲等發(fā)達國家，但經(jīng)過多年的研究探索已經(jīng)取得了很大的進步，尤其在信息化和智能化方面得到了較大的提高。

1 層次分析法的基本原理

層次分析法是在20世紀70年代由美國數(shù)學家Satty T提出來的，是一種可以同時完成多目標多指標的決策分析方法。在層次分析法構建的模型中，既考慮了定性指標，還考慮了定量指標，這就可以保證分析結果的全面性。采用層次分析法進行復雜問題分析時，首先要將問題分解成多個評價指標，并按各指標之間的相互關系劃分層級，經(jīng)過全面分析得到層次評價模型，綜合對比后將各評價指標按重要性進行排序。另外，準確確定各評價指標的權值是保證層次分析法計算結果準確性的關鍵。簡言之，層次分析法的基本原理就是將一個復雜的問題分解為若干評價指標，然后根據(jù)各指標的重要性進一步劃分為若干層級，通過計算確定各個評價指標的權值，取權值最大的作為最優(yōu)方案，選定為最終結果。

2 研究背景

某省高速公路由交通運輸廳通過設立高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心進行統(tǒng)一管理，開展運營管理、聯(lián)網(wǎng)收費等工作。通過高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行全面管理，下設高速公路管理公司負責運營管理，設置監(jiān)控分中心，收集數(shù)據(jù)并實時傳輸?shù)礁咚俟肥召M管理中心。綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要組成部分包括省監(jiān)控中心、監(jiān)控分中心和外場設備等高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體布置如圖1所示。省監(jiān)控中心對全省高速公路進行管理，并將信息傳遞給上級管理部門和相鄰省份。監(jiān)控分中心的主要功能是對所管轄的高速公路的日常運行情況進行監(jiān)督，并將數(shù)據(jù)信息、圖像視頻等上傳至省監(jiān)控中心。為了合理選擇高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的架構，采用層次分析法開展評價，確定最佳監(jiān)控系統(tǒng)架構方案。

3 不同監(jiān)控系統(tǒng)量化對比

3.1 視頻圖像采集

本文視頻圖像采集質量采用主觀視頻質量評定，可以完成對數(shù)字圖像和模擬圖像的評定。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模大，模擬難度較大，本文以模擬視頻與數(shù)字視頻的質量評價結果作為監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集質量的評價結果，并做適當調整。通過對比分析某收費站監(jiān)控視頻畫面，經(jīng)過壓縮處理的數(shù)字視頻圖像質量明顯下降。模擬圖像與未經(jīng)壓縮處理的數(shù)字視頻圖像肉眼觀察效果相差可以忽略，可認為評價結果一致。

3.2 占用帶寬

為了分析不同監(jiān)控系統(tǒng)在運行過程中占用帶寬的情況，對高速公路收費車道和收費廣場的原始信號和壓縮信號進行對比，得出視頻平均壓縮率為147，說明數(shù)字信號可以大大減少帶寬占用。全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)傳輸均采用數(shù)字信號，因此可以大大減少帶寬占用，是所有監(jiān)控系統(tǒng)中占用帶寬最少的，而其他監(jiān)控系統(tǒng)帶寬消耗遠遠高于全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，均在100倍以上。由于轉換非壓縮信號與模擬信號所占用的帶寬接近，因此模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中帶寬消耗最大，為全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的300倍以上。

3.3 傳輸距離

模擬/數(shù)字混合監(jiān)控系統(tǒng)收集的信號需要進行數(shù)模轉換，將轉換后的數(shù)字信號傳遞到上層的光端機。然而，在數(shù)模轉換過程中，由于受到干擾會產(chǎn)生信號衰減，縮短傳輸距離的問題。而數(shù)字信號不需要進行數(shù)模轉換，也不容易受到干擾產(chǎn)生衰減，因此全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸距離最長，可認為不受傳輸距離的限制。除全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離不受限制外，其他監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸距離可以達到100～300 km。

3.4 傳輸時延

網(wǎng)絡信號延遲主要出現(xiàn)在傳輸介質和傳輸設備上，采用同軸電纜傳輸圖像信號的模擬監(jiān)控系統(tǒng)所產(chǎn)生的延遲很小，可忽略不計。這是由于模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)亩际悄M信號，不需要進行數(shù)模轉換或數(shù)字壓縮，因此延時較小。而對于模擬/數(shù)字混合監(jiān)控系統(tǒng)和全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)來說，圖像信號傳輸過程中所產(chǎn)生的延遲較大。這是由于在圖像信號傳輸過程中，需要進行模數(shù)轉換和數(shù)字壓縮，導致產(chǎn)生較大時延。根據(jù)相關測試結果，傳輸介質采用千兆光纖的延遲時間為500 ms，而百兆光纖延遲時間為

800 ms。

3.5 數(shù)據(jù)存儲管理

模擬監(jiān)控系統(tǒng)采用硬盤作為存儲設備，容量小，不利于調閱和共享。混合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲設備采用數(shù)字硬盤錄像機，視頻資源便于調閱和共享，可有效節(jié)約存儲空間。全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲介質采用磁盤陣列IPSAN或光盤，與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比容量更大，而且便于檢索查詢監(jiān)控記錄，可有效提高管理效率。

各視頻監(jiān)控系統(tǒng)重要技術指標評價結果如表1所示。

綜合以上對各技術指標的分析結果，各監(jiān)控系統(tǒng)分別具備一定的技術優(yōu)勢。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集效果最好，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)帶寬消耗最小、傳輸距離不受限制，模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸時延較小，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間容量最大，且便于檢索查詢監(jiān)控記錄。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次分析

4.1 建立層次結構模型

分析高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，確定評價指標，建立層次結構模型，劃分為最高層、準則層和最底層三個層次。層次結構模型如圖2所示。最高層定義為目標層O，該層只有高速公路監(jiān)控業(yè)務需求一個元素。準則層定義為B，子準則層定義為C，包括進行監(jiān)控系統(tǒng)架構評價的主要指標，可以劃分為若干層，本模型共包括準則、子準則兩層，其中準則層包括圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲與處理三個元素，子準則層包括占用帶寬、傳輸距離、傳輸時延三個元素。最底層定義為P，是實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)所提供的所有解決方案。

4.2 構造判別矩陣

建立判別矩陣A=（aij）n×n[WTBZ]，按照先在矩陣左上角填寫包含子準則，然后再將其子準則分別書寫在矩陣的首行和首列中的原則完成矩陣填寫。評審專家對比分析各準則的重要性，分別進行賦值，各元素重要性標度賦值如表2所示。

經(jīng)分析準則層C三個判別矩陣均滿足一致性檢驗要求，均為一致矩陣。

4.3 層次分析計算結果

模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次計算示意圖如圖3所示，模擬監(jiān)控系統(tǒng)得分計算結果如下：

P1=0.466 8*0.263 2+0.21*（0.2*0.05+0.333 3*0.125 0+0.466 7*0.281 3）+0.334 6*0.043 5=0.175 8

4.4 最佳方案確定

分析表3所列各類視頻監(jiān)控系統(tǒng)的評價得分，其中最高分為混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)P2=0.226 4，最低分為模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)P1=0.175 8。這是由于模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式落后，雖然圖像質量得分較高，但占用帶寬和存儲處理與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比不具優(yōu)勢，得分較低。而混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)得分最高，這主要是該監(jiān)控系統(tǒng)雖然在占用帶寬上存在一定的劣勢，但在傳輸距離與存儲處理方面評分均高于平均值，尤其在視頻圖像采集方面具有明顯的優(yōu)勢，且傳輸時延較低，因此總體評分最高。

另外，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)得分僅次于混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)，評分結果為P5=0.226 4，主要原因是由于技術上還不夠成熟，IP網(wǎng)絡的傳輸時延較大，在視頻圖像采集方面得分也偏低。然而隨著信息技術的不斷發(fā)展，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)必將是最能適應高速公路監(jiān)控要求的監(jiān)控系統(tǒng)，具有較好的發(fā)展前景。因此，結合以上分析結果，現(xiàn)階段高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)應優(yōu)先選用混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結語

為了選擇最適合高速公路運營管理要求的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用層次分析法對各類監(jiān)控系統(tǒng)架構進行評價分析，得出以下結論：

（1）通過對視頻監(jiān)控系統(tǒng)各重要技術指標進行量化，并進行對比分析，得出模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集效果最好，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)占用帶寬最小、傳輸距離最長，模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸時延小，全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間容量最大，且便于訪問查詢監(jiān)控信息。

（2）通過建立層次結構模型、構造判別矩陣，全面分析層次分析計算結果，確定混合-管理所轉換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)為最佳視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而全數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是最具發(fā)展前景的監(jiān)控系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]王新民，康 虔，秦健春，等.層次分析法-可拓學模型在巖質邊坡穩(wěn)定性安全評價中的應用[J].中南大學學報（自然科學版），2013，58（6）：2 455-2 462.

[2]李兆國.基于層次分析法的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構優(yōu)選方法研究[D].西安：長安大學，2013.

[3]陳小兵，楊 武.高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計方案及發(fā)展方向[J].公路交通科技：應用技術版，2011，11（83）：4-6.

[4]賓 堅，王慈光，劉設.層次分析法在軌道交通車輛選型中的應用[J].陜西工學院學報，2005，21（2）：69-71.