高速公路IP高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)方案

　　本文以一條省際高速公路為例，此高速公路全長115KM，全路段共有8個(gè)收費(fèi)站入口，8個(gè)收費(fèi)站出口，8個(gè)雙向隧道，10個(gè)高速公路服務(wù)區(qū)。整個(gè)項(xiàng)目全部采用IP高清監(jiān)控技術(shù)、智能分析技術(shù)、車牌識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了良好的應(yīng)用效果。

　　需求分析與建設(shè)目標(biāo)

　　通過與高速公路運(yùn)營方，高速公路管理方等各方面溝通了解，結(jié)合我們深入分析高速公路管理部門的業(yè)務(wù)需求和我們對高速公路管理信息化建設(shè)的理解，以合理性、先進(jìn)性、可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性為設(shè)計(jì)原則?？偨Y(jié)了以下幾個(gè)重要的建設(shè)內(nèi)容和方向。

　　高清化

　　所有硬件設(shè)備全部支持720P和1080P的高清分辨率，唯有實(shí)現(xiàn)高清化的圖像采集和應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的高清化，才能使監(jiān)控系統(tǒng)從看得見到看得清的轉(zhuǎn)變，也唯有高清化，才能提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度和實(shí)際應(yīng)用的效果。不僅前端全部采用720P或者1080P的高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理控制、顯示系統(tǒng)全部采用高清設(shè)備和技術(shù)。

　　智能化

　　通過各種智能分析技術(shù)來主動判斷高速公路的運(yùn)營狀況，對高速公路上不符合規(guī)范，規(guī)章和違法的交通行為及事件自動記錄并報(bào)警，能夠智能識別各種違章行為，包括車牌識別，人臉識別等。以實(shí)現(xiàn)從被動監(jiān)控到主動智能監(jiān)控的轉(zhuǎn)變。

　　IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信體系架構(gòu)是全球最開放的和最標(biāo)準(zhǔn)的，由于IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的開放性、成熟性和廣泛兼容性，采用IP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)不僅維護(hù)簡單，而且方便系統(tǒng)的擴(kuò)容和管理。

　　網(wǎng)絡(luò)存儲

　　基于整個(gè)系統(tǒng)的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)化存儲技術(shù)，部署簡單，與其他存儲技術(shù)相比具有強(qiáng)大的優(yōu)越性能。存儲網(wǎng)絡(luò)可提供在計(jì)算機(jī)與存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)超大容量數(shù)據(jù)的集中存儲，超大數(shù)據(jù)吞吐能力，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)存儲，方便擴(kuò)容并且部署簡單。

　　彈性擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)開放

　　高速公路的管理是一種層級管理結(jié)構(gòu)，并且隨著各地經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，高速公路建設(shè)里程不斷增長，高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)也會不斷新建和擴(kuò)容，為了保護(hù)已有投資，必須確保新舊高速公路監(jiān)控能夠無縫融合、平滑彈性擴(kuò)展。在系統(tǒng)不斷擴(kuò)大的同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的開放性可有效降低系統(tǒng)擴(kuò)容的整體成本，并實(shí)現(xiàn)快速部署。

　　系統(tǒng)整體規(guī)劃

　　根據(jù)高速公路長距離，全室外，多級管理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高清全I(xiàn)P光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。與目前高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的其他幾種系統(tǒng)架構(gòu)相比有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。傳統(tǒng)的第一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式是站級以下采用光端機(jī)+模擬視頻矩陣+硬盤錄像機(jī)的主體架構(gòu)方式，錄像和上傳都采用硬盤錄像機(jī)編碼和存儲。另外比較典型的一種是分中心以下全部采用模擬攝像機(jī)+光端機(jī)+光矩陣平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，省中心一級采用編碼傳輸?shù)姆绞健?/P>

　　在本文的高速公路全I(xiàn)P高清監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，高清IPC直接輸出高清720P或1080P圖像，同時(shí)高清IPC都具備雙碼流輸出技術(shù)，在高速公路機(jī)電工程中，傳輸系統(tǒng)全部采用光纖，為高清IP監(jiān)控系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺，全流媒體轉(zhuǎn)發(fā)和交換技術(shù)，并通過環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)，可大大節(jié)約高速公路緊張的光纖資源，同時(shí)可降低系統(tǒng)成本。

　　另外，為了提高高速公路管理部門的現(xiàn)場管理和執(zhí)法水平，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了移動執(zhí)法終端系統(tǒng)，通過3G無線廣域網(wǎng)絡(luò)，管理人員能通過終端管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)現(xiàn)場查看整條或多條高速公路的路況，并可通過系統(tǒng)快速展開取證執(zhí)法，可極大提高高速公路的管理效率和減輕管理人員的勞動強(qiáng)度。

系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)

　　采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，遵從了信息系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域一直追求的“瘦前端，胖后端”的發(fā)展趨勢，可有效提高系統(tǒng)的堅(jiān)強(qiáng)度，同時(shí)可以使系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活方便。

　　信息采集

　　綜合考慮高速公路室外的惡劣環(huán)境，包括光照環(huán)境，氣候環(huán)境等。攝像機(jī)防護(hù)等級全部滿足IP65及以上的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，攝像機(jī)利用先進(jìn)的ISP圖像優(yōu)化處理技術(shù)，極大的提高高清圖像的質(zhì)量。采用標(biāo)準(zhǔn)的H.264視頻編碼壓縮技術(shù)，支持雙碼流輸出，攝像機(jī)主碼流分辨率為720P或1080P，系統(tǒng)符合ONVIF的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)廣泛的平臺系統(tǒng)兼容性。

　　根據(jù)需要選擇智能車牌識別技術(shù)，結(jié)合平臺指揮管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，車牌識別技術(shù)采用先進(jìn)的STS視覺技術(shù)、采用逐幀識別的方法，將車牌定位、車牌字符分割、字符識別以及物體跟蹤技術(shù)有機(jī)結(jié)合;大量使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，有效地克服了啟發(fā)式算法系統(tǒng)的弊端;車牌識別率高、識別速度快、識別功能全、使用方式靈活;同時(shí)，可以在不需要借助任何觸發(fā)裝置的前提下，能夠快速、實(shí)時(shí)地對每一幀圖像進(jìn)行有效分析、識別。其工作機(jī)制和軟件模塊。

　　前端信息采集系統(tǒng)，主要劃分為3個(gè)大的組成部分，分別是外場道路智能監(jiān)控子系統(tǒng)，隧道智能監(jiān)控子系統(tǒng)和收費(fèi)站監(jiān)控卡口子系統(tǒng)。

外場道路及服務(wù)區(qū)智能監(jiān)控子系統(tǒng)

　　選用高清智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和高清智能網(wǎng)絡(luò)高速球攝像機(jī)為主，按照道路的實(shí)際環(huán)境情況和結(jié)合交通管理部門的管理需要，在高速公路的合適位置安設(shè)具有智能分析功能的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，智能視頻分析算法可對高速公路上過往車輛的交通行為進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，如逆行檢測，超速檢測，違章或故障、事故停車檢測。對智能攝像機(jī)檢測到的違章或違法行為進(jìn)行錄像和拍照并聯(lián)動觸發(fā)各種報(bào)警并自動執(zhí)行各種預(yù)案。在智能攝像機(jī)檢測到各種違章行為的同時(shí)，通過車牌識別技術(shù)和人臉識別技術(shù)提取違章車輛的車牌信息和人臉信息并傳送給指揮中心服務(wù)器做智能分析處理。同時(shí)根據(jù)管理的需要，可以選擇在高速公路沿線的適當(dāng)位置布設(shè)溫度傳感采集器，實(shí)時(shí)溫度可疊加顯示在顯示和錄像通道上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮中心非現(xiàn)場實(shí)時(shí)掌握高速公路傳感器附近的氣象溫度。

　　由于高清攝像機(jī)720P/1080P的高分辨率，在服務(wù)區(qū)部署更少的攝像機(jī)即可實(shí)現(xiàn)大范圍高清監(jiān)控，不僅看得見，而且能夠?qū)崿F(xiàn)看清人臉和任何事物的細(xì)節(jié)特征。

　　隧道智能監(jiān)控子系統(tǒng)

　　為應(yīng)對高速公路隧道光環(huán)境復(fù)雜，入口、出口光照反差大，隧道內(nèi)部光照不足等情況，選用低照度攝像機(jī)以及寬動態(tài)攝像機(jī)來對監(jiān)控圖像最初良好改善，以實(shí)現(xiàn)高清監(jiān)控。同時(shí)用于隧道的監(jiān)控?cái)z像機(jī)全部集成智能分析功能，實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)超速，隨意變道，違章停車和隧道逆行等違章駕駛行為進(jìn)行抓拍和記錄，同時(shí)通過集成自主研發(fā)的車牌識別技術(shù)提取違章車輛的車牌信息全部上傳至高速公路指揮中心交通信息管理系統(tǒng)，管理信息系統(tǒng)對采集的信息進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)和處理。

　　收費(fèi)站監(jiān)控卡口子系統(tǒng)

　　通過選用高清IP智能攝像機(jī)來建設(shè)高速公路收費(fèi)站監(jiān)控卡口子系統(tǒng)，一方面可以清晰準(zhǔn)確記錄每一輛進(jìn)出高速公路車輛的車牌信息，通過服務(wù)器OLAP聯(lián)機(jī)查詢分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)假套牌，違章違法布控(基于數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，通過抓拍過往車輛車牌信息，與違法及違章車牌信息數(shù)據(jù)庫對比分析，對于已經(jīng)實(shí)施布控的車牌，系統(tǒng)將聯(lián)動布控預(yù)案并實(shí)施報(bào)警)等功能，另一方面可以通過車牌號實(shí)現(xiàn)自動計(jì)費(fèi)功能，改變目前進(jìn)口發(fā)卡，出口收卡計(jì)費(fèi)及ETC預(yù)繳費(fèi)的收費(fèi)模式?？蓪?shí)現(xiàn)快速收費(fèi)過站，減少車流量大時(shí)收費(fèi)口車輛擁堵，提高公路通行效率，并可降低收費(fèi)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸

　　高速公路網(wǎng)絡(luò)通信全部為光纖傳輸，由于高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)呈線狀分布于公路沿線，采用星型傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息交換，將需要占用大量有限的光纖資源，而且可靠性無法得到保障，而利用高速公路沿線的光纖資源建設(shè)光纖環(huán)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)不僅可以節(jié)約光纖資源，而且可以通過以太光纖環(huán)網(wǎng)的快速收斂自愈功能提高網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的可靠性。

　　環(huán)形以太網(wǎng)是目前比較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的自愈性功能好，具有生存能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在光纖環(huán)網(wǎng)中，總前端和分前端可以根據(jù)需要靈活的在不同的路由上進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)雙向業(yè)務(wù)的高可靠性、多備份和信號迅速恢復(fù)的功能，切實(shí)解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。當(dāng)線路干線中有一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)(比如主干光纖線路某處出現(xiàn)斷路)，系統(tǒng)可以利用它的自愈功能自動切換到備用線路上，保持通信暢通。

　　管控指揮中心

　　整個(gè)系統(tǒng)全部采用全I(xiàn)P流媒體交換的方式，確保系統(tǒng)最大的開放性、兼容性和易擴(kuò)展性。流媒體全部基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封包傳輸，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，容易部署實(shí)施。在管控指揮中心部署流媒體服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，登錄服務(wù)器，應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的各種應(yīng)用功能。整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)與管理分離設(shè)計(jì)，音視頻實(shí)時(shí)流，點(diǎn)播回放流，音視頻存儲流，信令控制流邏輯分離分別傳輸。

　　分流設(shè)計(jì)使流媒體實(shí)現(xiàn)端到端轉(zhuǎn)發(fā)，減少中間環(huán)節(jié)，如此，假如某個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障無法工作，也不會引起整個(gè)指揮系統(tǒng)的癱瘓，其他服務(wù)器應(yīng)用繼續(xù)正常運(yùn)行。另外這種IP系統(tǒng)的分流設(shè)計(jì)使系統(tǒng)比較容易擴(kuò)容，當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無須任何做任何改變，無須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造，無須增加新的平臺服務(wù)器，無須改變系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)。部署IP-SAN存儲服務(wù)器對前端攝像機(jī)的視頻流進(jìn)行直接存儲，同時(shí)部署高清網(wǎng)絡(luò)硬件解碼器把從流媒體服務(wù)器傳輸過來的音視頻流進(jìn)行解碼輸出至電視墻，實(shí)現(xiàn)大屏幕監(jiān)看。為了方便高速公路管理人員移動管理和執(zhí)法的需要，通過部署支持移動操作平臺(Android、Symbian、iOS)手機(jī)客戶端或平板客戶端系統(tǒng)，通過3G網(wǎng)絡(luò)連接至公路監(jiān)控指揮中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線應(yīng)用。

信息存儲

　　監(jiān)控信息的可靠存儲對于整個(gè)視頻監(jiān)控來說至關(guān)重要，由于監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)z像點(diǎn)多，要求保存時(shí)間長，可靠性高。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲時(shí)必須從存儲系統(tǒng)的大容量，易擴(kuò)容，高性能等幾個(gè)方面考慮。為實(shí)現(xiàn)以上要求，存儲方案分別設(shè)計(jì)前端攝像機(jī)緩存，路段中心直存和省中心備份存儲的可靠方案。

　　前端攝像機(jī)緩存

　　高清IP監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中，經(jīng)常無法避免的會遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞、中斷，存儲服務(wù)器故障、斷電等各種意外情況，使得前端攝像機(jī)采集到的視頻流無法通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)存儲到指揮中心存儲服務(wù)器上，從而導(dǎo)致視頻流錄像失敗。項(xiàng)目選用的高清IP智能攝像機(jī)都支持本地緩存功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障或中心存儲服務(wù)器等故障導(dǎo)致無法錄像時(shí)，攝像機(jī)自帶的數(shù)據(jù)緩存功能可以將采集到的視頻流存儲到本機(jī)的SD卡上，直到網(wǎng)絡(luò)或存儲服務(wù)器故障恢復(fù)正常后，攝像機(jī)會自動將本地緩存的信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳到存儲服務(wù)器上，避免數(shù)據(jù)丟失。

　　路段中心直存

　　在路段監(jiān)控指揮中心采用IP-SAN數(shù)據(jù)存儲技術(shù)對前端攝像機(jī)的視頻流進(jìn)行大規(guī)模存儲。IP-SAN存儲技術(shù)是一種基于IP以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存儲架構(gòu)，它使用iSCSI協(xié)議來傳輸流媒體數(shù)據(jù)，與其他存儲方式相比，更加適合高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控存儲的性能和適用要求,如(圖6)。系統(tǒng)存儲流直接從攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)塊的形式寫入IP-SAN存儲設(shè)備中，確保可靠存儲。另外通過平臺軟件系統(tǒng)的存儲管理機(jī)制根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)存儲，一般內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)存儲。

　　省中心備份存儲

　　由于系統(tǒng)的多級管理架構(gòu)，對于一些高速公路管理部門認(rèn)為非常重要的視頻等信息，除在路段指揮中心集中可靠存儲之外，省指揮管理中心還需根據(jù)情況有選擇，有取舍的進(jìn)行流媒體存儲，增加系統(tǒng)存儲的可靠性。而且根據(jù)需要路段指揮中心存儲系統(tǒng)與省監(jiān)控指揮中心存儲可互為備份，一旦某個(gè)存儲系統(tǒng)故障，另外一個(gè)存儲系統(tǒng)可以作為備份存儲，待故障修復(fù)后，視頻存儲信息可及時(shí)得到有效恢復(fù)。

　　整體系統(tǒng)功能和特點(diǎn)

　　基于全高清IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而設(shè)計(jì)的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合高清720P或1080P網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，使得創(chuàng)新的架構(gòu)體系和高品質(zhì)系列圖像采集產(chǎn)品獲得了完美的融合。項(xiàng)目經(jīng)建設(shè)部署后，具備如下功能和特點(diǎn)：1、功能強(qiáng)大的并易于集成開發(fā)的監(jiān)控管理指揮平臺。2、技術(shù)先進(jìn)的車牌識別技術(shù)、人臉識別技術(shù)及其他視頻分析技術(shù)應(yīng)用于高速公路管理和收費(fèi)，高速公路管理的智能化水平明顯提高。3、環(huán)網(wǎng)技術(shù)，確保信息的可靠傳輸，并實(shí)現(xiàn)了盡可能少的利用高速公路光纖資源。4、“瘦前端，胖后端”設(shè)計(jì)，大大減少了室外設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率，充分考慮了系統(tǒng)的易維護(hù)性要求。

　　結(jié)語

　　高速公路IP高清化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)將是未來幾年的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展方向，它與上一代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)有著本質(zhì)化的區(qū)別，系統(tǒng)在具備720P或1080P高清圖像監(jiān)控的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了真正的高清圖像全數(shù)字化IP網(wǎng)絡(luò)化傳輸，系統(tǒng)具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性能，在以太網(wǎng)可到達(dá)的任意地點(diǎn)，都可以進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)容。不管是增加前端設(shè)備還是各個(gè)子系統(tǒng)的對接，都有可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容的可能性，加上前端的攝像機(jī)和平臺系統(tǒng)都是采用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，使得系統(tǒng)強(qiáng)大的可擴(kuò)展性名副其實(shí)。