基于云技術的高速公路視頻監控系統研究與設計

摘" 要：國內道路交通行業發展迅速，高速公路出行需求持續增加，現有高速公路視頻監控系統承載巨大的壓力，難以實現視頻監控系統的全聯網和深入應用。因此，該研究通過云平臺技術，設計并開發一套基于云平臺的高速公路視頻監控系統，通過接入各路段監控攝像頭資源，并將各路段的監控數據實時上傳至云平臺，以開展相關業務。以此平臺系統為基礎，逐漸實現高速公路視頻監控資源的統一接入和管理，使高速公路視頻監控系統發揮“海量融合、自動識別、應急分析、智能管控”等功能。

關鍵詞：云技術；高速公路；視頻監控；系統設計；道路交通

中圖分類號：TP391.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0032-05

Abstract： With the rapid development of the domestic road traffic industry， the demand for highway travel continues to increase， and the existing highway video surveillance system bears tremendous pressure， so it is difficult to achieve full networking and in-depth application of the video surveillance system. Therefore， through the cloud platform technology， this study designs and develops a set of highway video surveillance system based on the cloud platform， which accesses the surveillance camera resources of each road section， and uploads the monitoring data of each road section to the cloud platform in real time to carry out related business. On the basis of this platform system， the unified access and management of highway video surveillance resources are gradually realized， so that the highway video surveillance system can play the functions of \"massive fusion， automatic identification， emergency analysis， intelligent control\" and so on.

Keywords： cloud technology; highway; video surveillance; system design; road traffic

自改革開放以來，國內高速公路工程得到快速發展，到現階段交通基礎設施已基本從“連線成片”發展到“基本成網”，基本實現網絡化[1]。截至2019年底，我國高速公路總里程已達到15萬km，里程長度躍居世界第一，對我國經濟社會發展起到了至關重要的支撐作用[2]。在國家高速公路日益通暢的同時，其運輸管理業務覆蓋范圍廣、持續時間長，必將對高速公路的監管任務帶來嚴峻挑戰[3]。

近些年，在國家相關部門的組織帶動下，各大省市交通視頻監控系統的設施建設均朝著數字化、網絡化和高清化邁進，視頻監控系統功能日趨完善。此外，在學術研究領域，朱鳳杰、鄒志寧、何瀾、倪四清等[4-7]結合具體案例，通過采用遠程視頻監控、云聯網和公有云等技術，以期進一步提升高速公路運行管理能力和信息化水平。但由于視頻監控系統設計功能存在時空差異，省域高速公路視頻監控系統終端之間的數據尚未全面實現互聯互通，這就給國內高速公路系統聯動帶來了阻礙，難以滿足高速公路管理中心對高速公路監控資源的統一調度、高效監管，以及對突發事件的應急處理[8]。

綜上所述，面對新階段我國高速公路交通供需矛盾的日益嚴峻，尚無法實現橫向聯動控制、縱向數據共享的道路監控系統。本研究根據實際需求，設計并開發實現一套基于云平臺的高速公路視頻監控系統，該系統可以接入各路段監控攝像頭資源，并將各路段的監控攝像頭實時視頻流上傳至云平臺，以開展相關業務。以此平臺系統為基礎，實現高速公路視頻監控資源的統一接入和管理，既滿足高速公路管理者提高運行監測體系水平，提升道路服務能力的需求，又滿足高速公路使用者對高品質出行的需求，實現現有監控系統的統一管控和數據共享。

1" 系統需求分析

高速公路視頻監控系統軟件通過對機電設備進行管控進而實現路段監控的目的，具有實時性、聯動性的特點，通過監控系統將前端環境監測設備和后端監控室設備互聯互通，包含數據采集、故障監視、信息分析處理、交通管制和電子大屏畫面監視等功能。其中，路段監控系統配合視頻畫面監視和電力監控管理系統，互聯互通的數據傳輸以迅速獲取氣候環境、現場設備等狀態信息，快速檢測反饋路段故障，并根據收集的信息通過人機接口設備及時發布報警和控制命令，迅速提出可供用戶選擇執行的處理方案。通過信息綜合處理技術，高速公路視頻監控系統將路段沿線布控的視頻監控終端采集的信息數據進行綜合集成，建立數據共享、設備聯動、高度集成的高速公路綜合性管理平臺。

1.1" 采集傳輸系統

數據采集傳輸系統是高速公路視頻監控系統的重要組成部分，也是數據的主要來源。視頻采集模塊中的核心設備為攝像機，其功能如同監控系統的眼睛，能直接決定視頻監控系統監控場景的視野大小、目標大小、目標清晰度；視頻傳輸模塊將前端采集的視頻圖像經過傳輸系統將信息匯集到中心服務器，并分發至各監控分中心工作站，實現數據的多備份異地存儲的目的。現場采集的數據經處理分析后，自動匹配相應的預案，數據一方面存儲到中心服務器，另外一方面將對設備進行控制。

1.2" 交通監控系統

交通監控系統是整個系統的主要組成部分，承擔著前端數據展示、設備控制、報表信息等功能的展示，其主要功能表述如下。

1）現場道路交通狀況的處理與顯示，如車輛檢測信息：車流統計、平均速率、道路通行情況等；設備工作狀態檢測信息：交通顯示標志、通風、照明及消防等內容。

2）提供交通誘導控制方案的提示畫面，如緊急狀況下的交通事故、火災等，在此情況下提供誘導方案畫面，以供操作人員及時做出決策。

3）根據畫面提供的各類信息，操作人員自行進行操作選擇，執行文字圖形的編輯、交通指示、信息標志等控制指令。

4）交通監控系統根據視頻事件服務器的分析結果，結合監測獲取的車流量、車速、道路占有率等交通實時信息，對交通車流控制設備進行控制，以達到安全暢通的目的。

1.3" 管理查詢系統

高速公路視頻監控系統由多個獨立運行且相互協作的子系統構成，管理查詢系統屬視頻監控系統的子系統，包括系統管理、數據查詢、預案管理和統計報表等模塊，為整個系統運行維護提供了統一管理界面，保證視頻監控系統安全穩定運行。

2" 系統功能設計

基于云技術的高速公路視頻監控系統，即在傳統視頻監控業務基礎上，運用云平臺、智能檢測等先進技術，使新架構下的高速公路視頻監測系統具備“海量融合、自動識別、應急分析、智能管控”的能力和功能，從而實現高速公路路網運行狀態感知、日常監測、突發事件的識別與應急響應。

2.1" 系統整體設計架構

根據系統的總體設計原則，基于云平臺技術的高速公路視頻監控系統，架構示意圖如圖1所示[9]。

“云”是指系統控制中心，為終端提供云端服務的綜合云資源，本系統中為高速公路視頻監控管理平臺。

“管”是指從“云”到“端”之間的聯通管道，可以是各種通信媒介或傳輸網，由于使用共有云資源，所以這里的“管”是運營商提供的管道。

“端”是指系統末端的終端設備，聯網系統分2類終端，一類是高速公路的視頻監控設備（IPC、NVR等），另一類是管理或公眾的界面系統（電腦端、手機端和移動端等）。

高速公路監控視頻具有覆蓋面廣和業務量大等特征，“云”層即系統控制中心將會考慮分層處理來應對高速公路大流量和高并發，以對視頻終端設備進行統一管理。因此，在“云”層面上，需要搭建一套基于云平臺資源的視頻監控資源聯網平臺系統，同時在該平臺上預留接口來滿足相關業務應用和拓展需求。“管”層是在互聯網運營商寬帶網絡的建設基礎上進行構建，采用安全性高、帶寬容量大的通信資源來為日常高速公路大流量視頻業務提供通道保障。“端”層主要為用于高速公路視頻匯聚點和指令分發點的移動終端，主要包括手機端、移動端、電腦端及數字電視等，通常將能夠上網的移動終端設備統稱為端。

基于云平臺的高速公路視頻監控系統主要特點在于其匯聚互聯系統，能夠匯聚接入省域甚至全國海量視頻監控資源，能為視頻使用用戶提供一種低延時的實時監控視頻流的調度點播功能。高速公路視頻監控系統設計總體架構如圖2所示。

2.2" 系統分層模型設計

為了更加清晰地表達整個高速公路視頻監控系統，將系統劃分為不同邏輯層面。其中，底層結構為上層結構提供服務、上層結構向下層結構提出請求，通過形成邏輯閉環來完成完整的業務流程。基于云平臺的高速公路視頻監控系統主要包括數據采集、網絡傳輸、云資源、數據資源、業務應用、業務交互、用戶管理在內的7個應用管理模塊，具體如下。

1）數據采集。事先在高速公路路段沿線、橋梁隧道、服務區、收費站等處布控視頻監控點來采集高速公路視頻監控的原始數據，為視頻監控系統提供數據支撐。

2）網絡傳輸。通過高速公路路段沿線的光纖通信專用網絡、互聯網寬帶網絡、4G或5G網絡將現場終端采集的資源信息與云平臺處理中心互聯互通，為整個系統的業務數據的有效傳輸提供保障。

3）云資源。云資源層是高速公路視頻監控系統中樞，具備強大的數據計算、處理和分析能力。云平臺服務商通過云計算主機、異構計算主機、云存儲和CDN服務等來為用戶提供的一種云服務。

4）數據資源。數據資源層包括業務數據庫、實時監控視頻流數據、回放視頻流和視頻截圖等數據，是高速公路視頻監控系統的另一核心中樞，數據資源為整個系統提供必要的業務數據資源服務。

5）業務應用。業務應用層具有前端設備管理、基礎信息數據管理、上云網關穩定性測試、視頻流推送管理、實時視頻流播放、視頻截圖管理、前端設備云臺控制、用戶行為日志和用戶權限管理等應用功能，為整個系統提供必要的業務邏輯。

6）業務交互。業務交互層處于終端用戶位置，是系統用戶與視頻監控系統之間信息交互的媒介，主要包括手機移動端、電腦終端、視頻監控展示大屏等。

7）用戶管理。用戶層面向社會所用成員，是高速公路視頻監控系統的最終用戶，對整個系統具有研發、檢測、運行及維護等權益。

2.3" 系統云端方案比選

根據美國國家標準與技術研究院（NIST）的定義，云計算是一種按用戶使用量進行付費的運營模式[10]。這種模式下，用戶與服務商之間通過少量的交互即可實時、便捷地通過網絡訪問進入可配置的計算資源共享池，用戶根據自身需求調用網絡、服務器、存儲、應用軟件和服務等各種資源，按照部署方式可以分成公有云、私有云和混合云。

1）公有云。公有云的核心特征是高速公路部署的基礎設施所有權屬于云服務商，云端資源向社會大眾開放，符合條件的任何個人或組織都可以租賃并使用云端資源，且無需進行底層設施的運維，不用考慮使用之外的運維問題。公有云的優勢主要體現在其運行成本較低、過程中無需維護、操作便捷且應用功能易于擴展，滿足個人用戶、互聯網企業等大部分客戶的需求。

2）私有云。私有云的核心特征是云端資源僅供某一客戶使用而構建的云資源，其他客戶無權訪問，用戶可以做到對私有云資源的完全控制。由于私有云模式下的基礎設施與外部分離，數據的安全性、隱私性更強，滿足了政府機關、金融機構以及對數據安全要求較高的客戶需求，所以私有云的安裝及運維成本都由用戶承擔，且費用相對昂貴。

3）混合云。用戶同時使用公有云和私有云的模式。一方面，用戶在本地數據中心搭建私有云，處理敏感、核心的業務信息；另一方面，用戶將部分公開信息放在公有云上，可以滿足峰值時期的IT資源需求。混合云同時兼顧私有云本地數據中心所具備的安全性和可靠性，并更加靈活地根據各部門工作負載選擇云部署模式，因此受到規模龐大、需求復雜的大型企業的廣泛歡迎。3種云服務搭建方式比較見表1。

通過比較，3種云端設計方案都具有各自的優勢，均能實現高速公路視頻監控系統云資源搭建需求。但綜合考慮其搭建難度、管理難度、安全性和系統開發難度等，基于云平臺的高速公路視頻監控系統設計優先采用公有云資源的云端搭建方案。

2.4" 系統平臺功能設計

在公有云平臺下，高速公路視頻監控系統主要包含的功能詳細說明如下。

1）前端設備管理。對路段沿線接入系統內的監控攝像機等終端設備的基礎信息進行統一管理，方便用戶對視頻監控資源進行操作管理。

2）基礎數據管理。對基于公有云平臺的高速公路視頻監控系統自身的配置信息進行管理，主要包括云平臺資源配置等信息管理。

3）視頻推流管理。對高速公路任意路段已經接入系統的視頻監控資源，實時進行視頻推流管理，主要執行開始推送和停止推送視頻流等操作。

4）視頻播放管理。用戶對系統內已經開始推送上云的視頻流資源進行播放管理，針對不同的用戶需求可以設置低碼流視頻或高碼流視頻，同時，也可以播放或暫停公有云平臺分發的直播視頻流。

5）視頻截圖管理。用戶可以對系統內已推送至公用云的視頻流資源進行截圖管理，截取某一指定路段監控視頻流中的圖片，方便支持影資料查詢、存儲、歸檔等操作。

6）前端設備控制。用戶對已經成功接入系統前端的終端設備進行云臺控制，主要包括上下左右操作、遠近操作、變倍操作和聚焦操作。

7）設備網關測試。用戶定期對已經成功接入系統內的網關設備進行測試，主要測試網關設備的轉碼質量、推流穩定性等，確保設備安全穩定運行。

8）行為日志管理。對常規登錄并使用該系統的用戶行為進行記錄，記錄內容主要包括操作信息、時間信息、行程信息等，方便開展行為審計。

9）用戶權限管理。對已經成功注冊本系統的用戶進行權限管理，主要進行權限分級、操作過濾等操作，方便進行用戶權限設置，避免用戶出現越權操作等情況。

3" 系統功能實現

3.1" 數據采集層實現方案

高速公路視頻監控系統沿線步驟，長期受環境影響，其監控畫質的清晰度將受到影響。由于高速公路視頻監控系統內部署大量高清數字視頻采集設備和現有已建立的高清數字視頻監控系統，省域之間的路段管理架構已經建立并趨于成熟。為降低系統開發資源，基于公有云平臺的互通式系統采集設備可以直接調用原有的高速公路高清數字視頻采集設備。此外，接入云端的業務需要開展相關智能統計、分析等功能應用，因此對終端采集設備的清晰度、適應性以及編碼格式有一定要求，數據采集層的設備連接方式如圖3所示。

高速公路視頻監控系統中視頻信息采集設備安裝在路段沿線的多個點位，通過路段鋪設的光纖網絡將現場終端與內部網絡進行連接。此外，為確保高速公路系統內部的防護安全，系統內部局域網絡與連接設備的外網之間設置了防火墻，以達到權限控制和安全隔離的目的。

3.2" 網絡傳輸層實現方案

從高速公路沿線終端設備的上云網關到公有云這一階段的網絡傳輸，由運營商提供的專用網絡進行服務，將沿線路段采集的視頻數據傳輸至監控系統。另外，為保證視頻上云網關與公有云系統之間數據傳輸的安全性，需要在視頻上云網關和公有云系統之間搭建虛擬私人網絡（Virtual Private Network，VPN）通道，確保數據信息在該通道中傳輸和交互的安全性。此外，為了進一步提高整個系統的安全性，還需使用加解、密鑰和身份認證等其他安全技術手段。網絡傳輸層的設備連接如圖4所示。

高速公路視頻監控系統中的網絡傳輸層對應“云、管、端”中的“管”層，主要包括數據采集層到公有云系統中心的傳輸管道和公有云系統中心到用戶手持終端之間的傳輸管道。公有云系統中心的傳輸通道涉及大量的采集數據，為確保傳輸數據的安全性，在傳輸通道中增設安全系數更高的VPN服務和其他安全技術手段。

3.3" 數據資源層實現方案

高速公路視頻監控系統中的數據資源主要為與監控系統業務運行相關的數據，包括沿線所采集的原始數據、前端采集設備信息等，這些數據是整個系統業務的運行基礎，需要對底層獲取的基礎數據進行加工和結構化存儲，才能高效利用。基于云平臺的高速公路視頻監控系統在運行過程中需要對大量的基礎信息進行存儲，同時，還將產生大量的事件信息和結果信息，這都需要數據資源層對這些數據做承接存儲。數據資源層還需要協調各項云資源，為上層系統提供數據資源支撐，包括基礎信息數據存儲、事件信息數據存儲、實時視頻流數據分發、回放視頻流和圖片數據存儲等。

3.4" 業務應用與交互實現方案

高速公路視頻監控業務應用層是整個監控系統業務運行邏輯的最頂端，主要工作任務是利用數據資源層構化存儲的海量數據資源，完成日常視頻監控業務的處理流程，并為后續業務提供服務接口。

業務交互層是整個系統業務的交互末端，所有交互指令都來自用戶對這個層面的交互。該層面為用戶提供業務交互和業務數據展示的入口，其設計方案是利用業務應用層的數據資源，完成業務邏輯的交互流程，通過視頻監控系統的中心大屏為用戶提供可操作性的WEB前端界面。

4" 結束語

高速公路視頻監控系統作為高速公路管理的重要使用手段，實現高速公路視頻資源全聯網、統一調用服務，這對滿足人民群眾對高速公路提供高品質出行服務的需求具有重要意義。

本研究提出一種基于公用云技術和人工智能技術的新型視頻監控系統，設計并開發一套以公有云資源為基礎的高速公路視頻監控互聯系統。通過前期業務邏輯數據的采集與整理，形成高速公路場景下沿線路段車輛和行人目標檢測數據集，在以此目標檢測技術的基礎之上，逐步開發出高速公路場景下車輛和行人的自動識別、跟蹤與預測，能夠快速檢測道路交通違法事件并預警取證，交通流量統計和分析，實現高速公路業務的智能化應急處理。

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