基于無損光網(wǎng)絡(luò)的高速公路高清視頻改造方案分析

胡曉剛

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司三明管理分公司，福建 三明 365000）

1 高速公路高清視頻改造的背景

1.1 高清視頻改造的目的及意義

根據(jù)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》及《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等關(guān)于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及養(yǎng)護(hù)的要求，模擬標(biāo)清視頻在圖像清晰度、智能化應(yīng)用、可監(jiān)測性等方面已極大制約了高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的深度應(yīng)用，無法滿足在視頻上云、智慧高速等場景的視頻應(yīng)用需求，因此針對模擬標(biāo)清視頻系統(tǒng)的數(shù)字高清改造顯得尤為迫切。

1.2 模擬視頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問題

福建泉三高速三明段于2008年12月通車，早期模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用模擬攝像機(jī)、模擬視頻光端機(jī)、視頻分配器、字符疊加器、硬盤錄像機(jī)、模擬矩陣、H.264 編解碼器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)圖像采集、傳輸、后端控制、存儲(chǔ)等功能。后期針對模擬視頻系統(tǒng)的不足，利用混合型硬盤錄像機(jī)具有的字符疊加、視頻編碼、錄像存儲(chǔ)、云臺(tái)控制等功能，對原先的視頻矩陣、字符疊加器等設(shè)備進(jìn)行集成替代改造，優(yōu)化并提升整體性能，但仍無法彌補(bǔ)相較于高清視頻系統(tǒng)的差距[1]。

2 高清視頻整體改造思路

以福建泉三高速三明段高速公路高清視頻監(jiān)控改造方案為例，提出山區(qū)高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化高清改造整體方案，包括前端視頻設(shè)備、視頻傳輸系統(tǒng)、后端視頻系統(tǒng)的改造思路。

2.1 前端視頻設(shè)備改造思路

前端攝像機(jī)采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，200 萬像素、1080P 分辨率，IP 前端編碼模式。云臺(tái)及槍式攝像機(jī)采用星光級(jí)低照度機(jī)型，半球攝像機(jī)集成定向拾音功能。

2.2 視頻傳輸系統(tǒng)改造思路

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用全I(xiàn)P 視頻模式，對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率、穩(wěn)定性的需求急劇增加。結(jié)合福建省高速公路實(shí)施的光傳送網(wǎng)（OTN）建設(shè)，考慮到其具有低時(shí)延、超長距傳輸、超大容量、彈性帶寬等優(yōu)勢，此次改造采用光網(wǎng)絡(luò)星型組網(wǎng)，收費(fèi)站作為局端數(shù)據(jù)點(diǎn)，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)在此匯聚后通過OTN ONU 設(shè)備接入OTN光域傳輸，使隧道、收費(fèi)亭、收費(fèi)站機(jī)房及匯聚中心的數(shù)據(jù)連接為一體，數(shù)據(jù)傳輸高效穩(wěn)定。

2.3 后端視頻系統(tǒng)改造思路

視頻網(wǎng)交換機(jī)采用光口互聯(lián)，取代原有“光纖收發(fā)器+電口”傳輸模式，并對核心交換機(jī)端口數(shù)量、數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)能力等方面進(jìn)行性能提升，避免關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)性能短板。

3 隧道視頻高清改造方案

3.1 隧道視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

3.1.1 現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

泉三高速三明段下渡隧道視頻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 隧道視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1.2 前端視頻設(shè)備現(xiàn)狀

前端設(shè)備采用標(biāo)清模擬槍式攝像機(jī)，分辨率752×582，像素43.8 萬，因分辨率有限，無法看清隧道內(nèi)環(huán)境的細(xì)節(jié)情況。在低照度情況下，圖像產(chǎn)生大量噪點(diǎn)。

3.1.3 視頻傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

每3 臺(tái)攝像機(jī)通過同軸電纜接入一臺(tái)模擬視頻節(jié)點(diǎn)光端機(jī)，每3 臺(tái)光端機(jī)串聯(lián)通信，與部署于機(jī)維站中心機(jī)房的接收光端機(jī)組成一條視頻傳輸鏈路。因采用串聯(lián)通信，設(shè)備單點(diǎn)故障會(huì)因干擾影響鏈路穩(wěn)定。

3.1.4 后端視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

模擬視頻圖像接入中心機(jī)房內(nèi)的混合硬盤錄像機(jī)模擬通道，通過其實(shí)現(xiàn)視頻字符疊加、視頻編碼、錄像存儲(chǔ)、前端攝像機(jī)控制等功能。

3.2 隧道視頻高清改造方案

3.2.1 隧道視頻高清改造后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

下渡隧道視頻改造后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 隧道視頻系統(tǒng)改造后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2.2 前端視頻設(shè)備改造

前端設(shè)備采用200 萬像素星光級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)，1920×1080 分辨率，夜間低照度環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)隧道彩色清晰畫面監(jiān)控。

3.2.3 視頻傳輸系統(tǒng)改造

前端傳輸系統(tǒng)由模擬視頻光端機(jī)改為SFP 光纖收發(fā)器，并由級(jí)聯(lián)傳輸方式改為點(diǎn)對點(diǎn)光傳輸方式，即每路攝像機(jī)通過雙絞線接入一臺(tái)SFP 光纖收發(fā)器發(fā)射端電口，光纖收發(fā)器獨(dú)占一芯光纖傳輸至隧道口機(jī)房，使用SFP 光模塊接入隧道口機(jī)房的全光視頻以太網(wǎng)交換機(jī)光口。對于遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)點(diǎn)的視頻，以太網(wǎng)交換機(jī)通過光纖互聯(lián)至就近局端的三層視頻網(wǎng)交換機(jī)[2]。

此方案傳輸距離由原有長距離傳輸至中心機(jī)房改為就近傳輸至附近收費(fèi)站機(jī)房，傳輸距離縮短，避免長距離傳輸光功率損耗過大，在傳輸?shù)陌踩浴⒈Ｗo(hù)性及穩(wěn)定性上得到進(jìn)一步保障。全光視頻以太網(wǎng)交換機(jī)作為接收端，不采用獨(dú)立的光纖收發(fā)器接收端，將安裝空間由42U 機(jī)柜優(yōu)化至2U，極大節(jié)省空間緊湊的隧道機(jī)房內(nèi)的空間；采用SFP 標(biāo)準(zhǔn)型光模塊，避免了不同品牌設(shè)備的匹配問題，后期不受制于單一品牌，便于維護(hù)[3]。

3.2.4 后端視頻系統(tǒng)改造

前端視頻數(shù)據(jù)傳輸至就近局端收費(fèi)站視頻網(wǎng)三層交換機(jī)后，通過OTN ONU 設(shè)備由干線傳輸至后端機(jī)維站中心機(jī)房OTN OLT 設(shè)備，光纖互連至中心級(jí)匯聚視頻網(wǎng)三層交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

數(shù)字硬盤錄像機(jī)將隧道高清攝像機(jī)添加進(jìn)IP 通道進(jìn)行管理，視頻圖像數(shù)據(jù)通過IP 組播流獲取，實(shí)現(xiàn)視頻圖像存儲(chǔ)、調(diào)取、預(yù)覽、控制等功能。

4 收費(fèi)站視頻系統(tǒng)高清改造方案

4.1 收費(fèi)站視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

4.1.1 現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

泉三高速三明段永安北收費(fèi)站視頻系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 收費(fèi)站視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.1.2 前端視頻設(shè)備現(xiàn)狀

廣場云臺(tái)采用720 TVL 模擬標(biāo)清球機(jī)，57 萬像素，12 倍光學(xué)變焦。模擬圖像質(zhì)量較差，尤其在夜間低照度環(huán)境下因圖像噪點(diǎn)導(dǎo)致收費(fèi)廣場圖像模糊，夜間使用較為不便。收費(fèi)車道采用模擬標(biāo)清車牌識(shí)別系統(tǒng)，票亭內(nèi)反監(jiān)控圖像采用模擬半球攝像機(jī)。

4.1.3 視頻傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

廣場云臺(tái)通過點(diǎn)對點(diǎn)模擬視頻光端機(jī)傳輸至收費(fèi)站通信機(jī)房。收費(fèi)車道采用同軸電纜將音、視頻信號(hào)匯總至島總機(jī)柜，再通過點(diǎn)對點(diǎn)模擬視頻光端機(jī)上傳至通信機(jī)房。

4.1.4 后端視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

硬盤錄像機(jī)安裝于收費(fèi)站機(jī)房，模擬視頻圖像接入混合硬盤錄像機(jī)模擬通道實(shí)現(xiàn)字符疊加、視頻編碼、錄像存儲(chǔ)、前端控制等功能。

4.2 收費(fèi)站視頻高清改造方案

4.2.1 收費(fèi)站視頻高清改造后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

永安收費(fèi)站改造后的視頻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

4.2.2 前端視頻設(shè)備改造

廣場云臺(tái)采用200 萬像素星光級(jí)網(wǎng)絡(luò)高清球機(jī)，1920×1080 分辨率，32 倍電子變焦，實(shí)現(xiàn)物體局部細(xì)節(jié)捕捉，低照度下畫質(zhì)提升。車道車牌識(shí)別系統(tǒng)采用300 萬像素高清車牌識(shí)別攝像機(jī)。票亭反監(jiān)控視頻設(shè)備采用200 萬像素高清半球攝像機(jī)，并集成定向拾音功能，實(shí)現(xiàn)音、視頻同步數(shù)字化傳輸。字符疊加器采用數(shù)字字符疊加器，可通過web 頁面進(jìn)行管理及配置。

4.2.3 視頻傳輸系統(tǒng)改造

廣場云臺(tái)圖像傳輸仍利用原有光纜路由，將模擬視頻光端機(jī)改為光纖收發(fā)器上傳。車道及票亭視頻設(shè)備通過雙絞線接入票亭內(nèi)的新增視頻網(wǎng)二層以太網(wǎng)交換機(jī)，再通過雙絞線匯聚至島總機(jī)柜的車道級(jí)視頻網(wǎng)三層交換機(jī)，光纖上聯(lián)至收費(fèi)站通信機(jī)房內(nèi)局端三層視頻網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站視頻圖像上傳[4-5]。

4.2.4 后端視頻系統(tǒng)改造

收費(fèi)站三層視頻網(wǎng)交換機(jī)作為局端匯聚點(diǎn)，匯聚附近隧道及本站的視頻數(shù)據(jù)后，通過OTN ONU 設(shè)備由干線傳輸至后端機(jī)維站中心機(jī)房OTN OLT 設(shè)備，光纖互連至中心級(jí)匯聚視頻網(wǎng)三層交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

數(shù)字硬盤錄像機(jī)安裝于本站機(jī)房，數(shù)字硬盤錄像機(jī)將隧道高清攝像機(jī)添加進(jìn)IP 通道進(jìn)行管理，視頻圖像數(shù)據(jù)通過IP 組播流獲取，實(shí)現(xiàn)視頻圖像存儲(chǔ)、調(diào)取、預(yù)覽、控制等功能。

4.2.5 中心級(jí)視頻系統(tǒng)改造

局端視頻數(shù)據(jù)通過OTN 傳輸至中心機(jī)房，光纖互聯(lián)至中心級(jí)視頻網(wǎng)三層交換機(jī)。中心級(jí)視頻網(wǎng)交換機(jī)采用核心匯聚級(jí)交換機(jī)硬件配置，以滿足高清視頻系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)需求。

5 結(jié)語

基于無損光網(wǎng)絡(luò)的高速公路高清視頻改造，升級(jí)前端設(shè)備性能，提升圖像質(zhì)量的同時(shí)，對視頻傳輸系統(tǒng)及后端視頻系統(tǒng)也進(jìn)行了設(shè)備改造、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合OTN 技術(shù)，采用無損光信號(hào)傳輸技術(shù)，就近傳輸，使整體高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定。

數(shù)字化高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)既是完善高速公路可視化、智慧化管理的硬件保障，也是提升高速公路服務(wù)水平的重要方面，既是做好高速公路“一張網(wǎng)”運(yùn)行與服務(wù)保障的迫切需要，也是加快推進(jìn)“可視、可測、可控、可服務(wù)”的高速公路運(yùn)行監(jiān)測體系建設(shè)的重要組成部分，更是滿足人民群眾出行需求的必要路徑。全面提升高速公路信息化、智能化水平，提高出行服務(wù)保障能力，切實(shí)增強(qiáng)人民群眾的獲得感、幸福感和安全感。