高速公路视频监控系统应用

　　一、概述
　　随着国内高速公路的大规模建设，我国高速公路发展迅速，并已形成了纵横交错的高速公路网，极大地促进了经济的发展。目前我国高速公路通车总里程已达到三万多公里，位居世界第二，有16个省的高速公路超过了1000公里。基于此，对高速公路进行有效的管理，使其发挥最大的效益就非常有必要了。对高速公路收费及路段的监控、维护与管理也已成为高速公路管理的一项重要内容。

　　高速公路具有线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，如不采用先进的管理措施，在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通阻塞。为此，在一些车流量非常大的高速公路上部署全程的网络视频监控系统就是必不可少了。这些监控系统可实施交通流量和交通运行监视；对关键点进行气象检测；对关键路段实施交通适时控制；及时发现各种异常情况并采取应急措施，从而很好的保证了高速公路高速、安全、经济地运营管理。总之，在现代的高速公路建设上，以科技的手段建立一个安全、实时、有效、智能的网络视频监控系统至关重要。通过高速公路网络视频监控系统使得交通指挥管理人员能够随时了解和掌握高速公路各个路段当时的运转情况和状态，尽早发现问题、排除安全隐患。它不仅能够降低交通管理部门工作强度，更重要的是它将为整个高速公路能够安全运营提供有力的保障。
　　二、系统需求分析
　　在现阶段高速公路的发展有以下趋势，结合高速公路的传统需求和数字网络兴起后提出的新需求，归纳如下：
　　1、多级联网：随着高速公路网的发展完善，过去一条路一个监控系统的时代，成为过去，整条高速或更大范围的联网成为必然趋势。
　　2、分级存储：前端重要部位监控点，可以本地存储，在断网情况下视频不会丢失，各收费站的视频直接在收费站存储，总/分监控中心亦可把所有图像进行存储。并可以实现录像的远程调看等。
　　3、大屏拼接显示系统：现阶段大屏拼接显示系统，越来越多的应用在安防行业，其中高速公路也多有引进，但是好多地方并没有发挥其应有的作用，而只起到装点门面的作用。
　　4、高清视频：随着百万像素枪机和球机的推广，在高速路一些重要位置，将逐步投入使用。
　　5、随着3G网络的覆盖，无线视频业务，也将在高速行业发挥重要作用。
　　6、GIS电子地图：传统监控系统采用的电子地图，图片大小是固定的，不能提供详细的地图信息，不能满足现在高速公路大联网时代的需求，伴随3G无线视频监控业务发展而来的，GPS定位功能、测速功能、轨迹回放功能等也将得到应用。
　　7、智能分析(车辆统计、车牌识别、违章停车、逆行、车辆测速等)
　　三、系统应用
　　1、高速公路收费系统
　　高速公路机电工程应用的核心，也是效益发挥最大、最为成熟的系统，承担着车辆出入管理、收费管理等重要职责，因此具有重要的监控意义。可分为主线收费站和匝道收费站。车道、收费亭前端监控点密集分布，收费广场图像相对独立。因此接入网系统应具有灵活接入能力，满足不同数量接入需求。监控、存储图像质量较高，容易辨认车辆情况及人员面貌特征现代化的收费监控系统不仅限于图像的实时监控，录入存储及对讲功能；开关量报警联动，监听音频及监控图像外网发布功能具有了更现实的意义。高速公路收费站布局分散，距离相对较远，通过联网传输在路段监控中心可实现统一协调管理。因此联网传输方式的选择将决定视频服务的质量等级、应用范围，管理效率等。
　　2、高速公路监控系统
　　我国地域辽阔，地理条件复杂，桥梁、隧道成为高速公路必不可少的组成部分。由于其构造的特殊性，使救灾、疏导相对困难，因此监控系统在道路运行中有着极其重要的作用。高速公路监控系统包括全程监控，隧道、桥梁等外场监控。全程监控延道路分布；桥梁、隧道布局分散，长短不一。通过联网传输在路段监控中心可实现统一协调管理。系统应具有多样的接入模式、大容量传输能力，主干线路具有灵活的组网方式。跟踪抓拍、超速检测要求监控图像实时性要求高。现代高速公路监控系统应提供灵活的应用模式，不仅可实现监视器高清晰监控，还可实现灵活的网络浏览及IP-SAN存储。完善的视频管理功能，可任意实现切换及方案制定。应急指挥系统的建立和环境、路况监测系统将保证行车安全和畅通，并在发生事故时可有效的减少损失。高速公路监控系统是通过沿线的外场设施(各类检测、显示等装置)及时、准确、完整地收集并预告前方道路的各类信息，如交通量、事故、路况等，道路使用者通过监控中心的监视(显示)设备直观地了解交通运行状况。在发生交通异常时，能即使确定事故或手阻区域，并实时发布相应的诱导和救援信息。
　　3、模拟监控图像系统
　　首先，全模拟的监控系统，一般由前端设备、传输设备、切换控制设备以及显示设备几个部份组成。采用这种方式的系统，组网方式较为单一，一般采用星型网络拓扑，且无法实现监控平台的统一管理和控制；所有信号的接入、传输和控制过程全部采用模拟设备，特别是传输这一环节上，采用模拟光端机，无法实现远距离上的低损耗传输，已经无法满足高速公路行业的需求，而且随着人们生活水平提高，对监控的要求越来越严格，尤其是在网络化的当代，模拟监控系统的缺点和弊病暴露出来并越来越难以适应技术和需求的发展。
　　4、模数混合监控系统
　　采用模拟数字混合组网的监控系统，是目前监控行业应用最为广泛的一种组网方式，在高速公路项目中大量应用，是基于数字光端机+模拟视频矩阵的组网模式。在结构上与模拟监控系统类似，但将中间的部分环节升级为数字设备。在远端的信号采集部分，配置模拟摄像机、拾音器等设备；而传输部分采用数字非压缩光端机；中心的切换控制部分采用模拟切换矩阵控制器；存储部分一般由数字硬盘录像机组成。通过矩阵切换输出的图像可一对一编码接入网络，依靠交换机，实现单播、组播等功能。这样的系统技术成熟、设备稳定，系统造价相对低廉。
　　5、全数字监控系统
　　数字组网方式根据组网设备的不同大致可分为两种：一是基于编解码器和交换机以MEPG2视频压缩编码技术与IP技术为主的系统；二是基于光接入单元和网络链路单元以H.264压缩编码技术与光通信技术为主的系统。但两者的相似之处在于都可依托于通信系统。采用编解码技术的监控图像可在接入端即转换为数字压缩信号，如采用MPEG2压缩编解码技术，则图像分辨率较高、质量较好，但是占用的带宽较大，大型系统中的传输压力较大，而且无法实现多路并发联网传输。采用H.264压缩编解码技术的系统，则相对占用带宽较小，全网一次压缩编码，各级管理单位可同时浏览，视频共享非常灵活方便。同时，取消了矩阵切换系统，简化了系统结构。但是，无论采用何种编码技术，这类系统对网络的稳定性要求较高，容易受到网络因素干扰，而且图像延时的问题不可避免，清晰程度与非压缩图像仍存在一定的差距。大容量传输时占用较多的传输带宽和网络资源，因此传输网络的建立是以大幅度提高通信系统带宽为前提，较易形成成本转嫁。不同视频编解码技术和产品互不兼容，系统的兼容性和扩展性不够理想。系统相对封闭，品牌垄断造成后续发展受限。基于IP网络架构，系统难以实现准确的故障检测、定位，无法实现系统服务质量保证。
　　采用光接入单元的系统，结合光纤通信技术、H.264编解码技术为主，在接入端采用非压缩编码将图像数字化，传输到分中心的图像可以选择模拟输出或压缩编码输出两种方式。对比前一种全数字方式来讲，保证了图像在接入端的高清晰度，但需要占用较多的光纤资源。汇聚点采用数字矩阵，系统整体来讲易于管理，可选择单独组成一个传输网络或与通信系统连接。与前种方式相似，若接入通信系统，则不可避免的会产生系统延时。
　　无论何种形式的全数字组网方式，较前全模拟以及模数混合方式来讲，更突出其组网灵活的特点。但是，同样全数字系统也存在着一些弊端，如交换流量及阻塞率问题、通道抢占问题、多用户调用问题等。针对以上这些，在系统设计时，应该全面考虑制约系统的瓶颈，如，根据监控系统的规模、接入图像的数量，监控图像占用的带宽，选择适合容量的矩阵或交换机组网；根据系统的交换容量，选择足够的输出容量，以保证多用户调用时的通道数量；选择适合的压缩或非压缩图像，支持大屏幕显示的图像质量；选择更小码流基础上最清晰质量的图像，缩短网络客户端调看图像时的延时等。综合以上对各类系统的分析，可得出表1。

　　从上面的对比中不难看出：每种不同形式的监控系统都发挥着各自的优势，也存在着各自的弊端。随着计算机技术、自动化控制技术和光纤通信技术的发展，高速公路监控系统的技术结构也随之发生变化。当前高速公路监控系统正朝着系统大型化、管理智能化、需求差异化和功能多样化的方向发展。由单一的计算机集中处理方式代之为多计算机功能分散的计算机网络处理方式，从而使系统可靠性提高，程序编制简单，易于维护和功能扩展。
　　四、发展阶段
　　视频监控系统的发展同时，高速公路视频监控系统的发展也经历了三个时代。
　　1、模拟时代
　　模拟监控时代视频图像以模拟方式采用同轴电缆进行传输，并由控制主机进行模拟处理。视频监控系统中应用的所有设备，从图像采集、视频传输、视频分配和视频控制以及视频图像的存储，均为模拟设备。
　　由于构成系统的设备功能单一，导致模拟视频监控系统需要连很多的连线，用于视频传输、视频分配、视频控制和视频存储。系统的扩容就意味着增加更多的设备，更多的线缆，甚至更多的机房空间。模拟信号在后端的处理和管理也存在诸多弊端，面临实时查询、跨部门实时信息共享等复杂需求时，模拟视频监控数据处理的低效之弊端更是暴露无遗。
　　2、半数字时代
　　半数字时代又可以称为数字-模拟时代，也就是说在视频监控系统的架构中，采用同轴电缆进行传输由多媒体控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字处理与存储。半数字时代的高速公路视频监控系统经历了两个阶段：基于E1/2M网络的视频监控系统和基于以太网络的视频监控系统。
　　与模拟时代相比，半数字时代由于光传输技术和视频编解码设备的应用，远距离的视频信号传输得以实现。使得整个系统变得庞大，并且在系统内实现了组织层次，如收费站级别、分中心级别、中心级别之间可以进行级联控制、联网调用、查询。数字技术(数字硬盘录像机)的应用，可以对系统内所有视频信号进行存储、查询。数字技术和网络技术的融合应用，使得系统在整体功能扩展的同时，监控系统的结构具有了一定的灵活性和设计空间。
　　半数字时代的贡献之一是在计算机网络平台上设计出完全可以取代视频控制矩阵的视频管理软件，视频管理软件可以通过协议兼容，对下一层的视频控制矩阵进行操作，控制矩阵的视频输出，通过有限的视频编解码器查看所有的接入图像；缺点是同时可以观看到的视频图像受到视频编码器数量的限制。
　　我们要特别注意这一时代的变化，因为它不仅起着承上启下的桥梁作用，更重要的是为全数字视频监控网络的架构提供了清晰的思路。
　　3、全数字时代
　　全数字视频监控网络是以视频编码器和数字视频传输设备为核心，前端采用模拟摄像机，通过视频编码器，将模拟视频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络协议的视频流或采用一体化的网络摄像机，在视频监控的前端完成网络化、数字化，视频流通过网络进行传输(如图1)。视频的用户可利用软件进行解码，在计算机网络上进行显示和处理，也可通过硬件解码，解出模拟视频信号输出到监视器，利用键盘进行控制，利用分布在网络上的服务器或其他类型的网络存储设备根据需要进行视频存储；利用视频管理软件完全取代视频控制矩阵。由于扁平化的网络结构，任何授权的用户都可根据权限进行视频监控、调用以及查看录像。
　　这个系统的最大特点是将分层的网络结构变成扁平的硬件管理平台。高速公路视频监控系统中，全数字化以前的网络结构基本上分为三层，收费站-监控分中心-监控中心，系统只能够由高级别到低级别实现单向的视频控制。为了节约硬件投资，收费站的视频图像将不会全部通过视频编解码器传输至监控分中心和监控中心，只能通过矩阵级联的方式实现有限的视频观看，并不能满足全部视频图像实时观看的要求。而全数字化视频监控彻底打破了收费站-监控分中心-监控中心的分层壁垒。全数字视频监控系统架构在以太网的传输平台上，设备之间实现了互联，在系统内任一网络接口都可以访问全部视频网络，在权限允许的范围内进行操作。