高速公路IP高清網絡監控系統方案

　　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個收費站入口，8個收費站出口，8個雙向隧道，10個高速公路服務區。整個項目全部采用IP高清監控技術、智能分析技術、車牌識別技術、網絡通信技術等進行設計，取得了良好的應用效果。

　　需求分析與建設目標

　　通過與高速公路運營方，高速公路管理方等各方面溝通了解，結合我們深入分析高速公路管理部門的業務需求和我們對高速公路管理信息化建設的理解，以合理性、先進性、可靠性、穩定性和可擴展性為設計原則?？偨Y了以下幾個重要的建設內容和方向。

　　高清化

　　所有硬件設備全部支持720P和1080P的高清分辨率，唯有實現高清化的圖像采集和應用，才能實現整體系統的高清化，才能使監控系統從看得見到看得清的轉變，也唯有高清化，才能提高整個系統的智能化程度和實際應用的效果。不僅前端全部采用720P或者1080P的高清監控攝像機，網絡傳輸、管理控制、顯示系統全部采用高清設備和技術。

　　智能化

　　通過各種智能分析技術來主動判斷高速公路的運營狀況，對高速公路上不符合規范，規章和違法的交通行為及事件自動記錄并報警，能夠智能識別各種違章行為，包括車牌識別，人臉識別等。以實現從被動監控到主動智能監控的轉變。

　　IP網絡系統架構

　　基于TCP/IP協議的網絡通信體系架構是全球最開放的和最標準的，由于IP網絡系統架構的開放性、成熟性和廣泛兼容性，采用IP網絡體系架構不僅維護簡單，而且方便系統的擴容和管理。

　　網絡存儲

　　基于整個系統的全IP網絡架構設計，采用網絡化存儲技術，部署簡單，與其他存儲技術相比具有強大的優越性能。存儲網絡可提供在計算機與存儲系統之間的數據傳輸，可以實現超大容量數據的集中存儲，超大數據吞吐能力，遠距離數據存儲，方便擴容并且部署簡單。

　　彈性擴展，標準開放

　　高速公路的管理是一種層級管理結構，并且隨著各地經濟的不斷快速發展，高速公路建設里程不斷增長，高速公路的監控系統也會不斷新建和擴容，為了保護已有投資，必須確保新舊高速公路監控能夠無縫融合、平滑彈性擴展。在系統不斷擴大的同時，標準的開放性可有效降低系統擴容的整體成本，并實現快速部署。

　　系統整體規劃

　　根據高速公路長距離，全室外，多級管理的特點，設計高清全IP光網絡系統架構。與目前高速公路聯網監控的其他幾種系統架構相比有比較明顯的技術優勢。傳統的第一種系統設計方式是站級以下采用光端機+模擬視頻矩陣+硬盤錄像機的主體架構方式，錄像和上傳都采用硬盤錄像機編碼和存儲。另外比較典型的一種是分中心以下全部采用模擬攝像機+光端機+光矩陣平臺進行聯網，省中心一級采用編碼傳輸的方式。

　　在本文的高速公路全IP高清監控系統設計當中，高清IPC直接輸出高清720P或1080P圖像，同時高清IPC都具備雙碼流輸出技術，在高速公路機電工程中，傳輸系統全部采用光纖，為高清IP監控系統提供了良好的基礎網絡傳輸平臺，全流媒體轉發和交換技術，并通過環網傳輸技術，可大大節約高速公路緊張的光纖資源，同時可降低系統成本。

　　另外，為了提高高速公路管理部門的現場管理和執法水平，系統還設計了移動執法終端系統，通過3G無線廣域網絡，管理人員能通過終端管理系統實時現場查看整條或多條高速公路的路況，并可通過系統快速展開取證執法，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度。

系統分層設計

　　采用全IP網絡系統架構，系統結構簡單，遵從了信息系統技術領域一直追求的“瘦前端，胖后端”的發展趨勢，可有效提高系統的堅強度，同時可以使系統應用更加靈活方便。

　　信息采集

　　綜合考慮高速公路室外的惡劣環境，包括光照環境，氣候環境等。攝像機防護等級全部滿足IP65及以上的防護標準，攝像機利用先進的ISP圖像優化處理技術，極大的提高高清圖像的質量。采用標準的H.264視頻編碼壓縮技術，支持雙碼流輸出，攝像機主碼流分辨率為720P或1080P，系統符合ONVIF的標準規范，可實現廣泛的平臺系統兼容性。

　　根據需要選擇智能車牌識別技術，結合平臺指揮管理系統可實現多種應用，車牌識別技術采用先進的STS視覺技術、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有機結合;大量使用機器學習算法，有效地克服了啟發式算法系統的弊端;車牌識別率高、識別速度快、識別功能全、使用方式靈活;同時，可以在不需要借助任何觸發裝置的前提下，能夠快速、實時地對每一幀圖像進行有效分析、識別。其工作機制和軟件模塊。

　　前端信息采集系統，主要劃分為3個大的組成部分，分別是外場道路智能監控子系統，隧道智能監控子系統和收費站監控卡口子系統。

外場道路及服務區智能監控子系統

　　選用高清智能網絡攝像機和高清智能網絡高速球攝像機為主，按照道路的實際環境情況和結合交通管理部門的管理需要，在高速公路的合適位置安設具有智能分析功能的高清網絡攝像機，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行準確檢測，如逆行檢測，超速檢測，違章或故障、事故停車檢測。對智能攝像機檢測到的違章或違法行為進行錄像和拍照并聯動觸發各種報警并自動執行各種預案。在智能攝像機檢測到各種違章行為的同時，通過車牌識別技術和人臉識別技術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器做智能分析處理。同時根據管理的需要，可以選擇在高速公路沿線的適當位置布設溫度傳感采集器，實時溫度可疊加顯示在顯示和錄像通道上，實現遠程指揮中心非現場實時掌握高速公路傳感器附近的氣象溫度。

　　由于高清攝像機720P/1080P的高分辨率，在服務區部署更少的攝像機即可實現大范圍高清監控，不僅看得見，而且能夠實現看清人臉和任何事物的細節特征。

　　隧道智能監控子系統

　　為應對高速公路隧道光環境復雜，入口、出口光照反差大，隧道內部光照不足等情況，選用低照度攝像機以及寬動態攝像機來對監控圖像最初良好改善，以實現高清監控。同時用于隧道的監控攝像機全部集成智能分析功能，實現對隧道內超速，隨意變道，違章停車和隧道逆行等違章駕駛行為進行抓拍和記錄，同時通過集成自主研發的車牌識別技術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，管理信息系統對采集的信息進行分析，統計和處理。

　　收費站監控卡口子系統

　　通過選用高清IP智能攝像機來建設高速公路收費站監控卡口子系統，一方面可以清晰準確記錄每一輛進出高速公路車輛的車牌信息，通過服務器OLAP聯機查詢分析系統實現假套牌，違章違法布控(基于數據倉庫技術，通過抓拍過往車輛車牌信息，與違法及違章車牌信息數據庫對比分析，對于已經實施布控的車牌，系統將聯動布控預案并實施報警)等功能，另一方面可以通過車牌號實現自動計費功能，改變目前進口發卡，出口收卡計費及ETC預繳費的收費模式?？蓪崿F快速收費過站，減少車流量大時收費口車輛擁堵，提高公路通行效率，并可降低收費系統的建設成本。

　　網絡傳輸

　　高速公路網絡通信全部為光纖傳輸，由于高速公路監控攝像機呈線狀分布于公路沿線，采用星型傳輸結構進行信息交換，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光纖環網傳輸系統不僅可以節約光纖資源，而且可以通過以太光纖環網的快速收斂自愈功能提高網絡傳輸系統的可靠性。

　　環形以太網是目前比較先進的網絡拓撲結構，它的自愈性功能好，具有生存能力強，網絡傳輸穩定性和可靠性高等優點。在光纖環網中，總前端和分前端可以根據需要靈活的在不同的路由上進行切換，從而實現雙向業務的高可靠性、多備份和信號迅速恢復的功能，切實解決現有網絡傳輸不穩定性的缺點。當線路干線中有一個點出現問題時(比如主干光纖線路某處出現斷路)，系統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

　　整個系統全部采用全IP流媒體交換的方式，確保系統最大的開放性、兼容性和易擴展性。流媒體全部基于TCP/IP協議進行封包傳輸，系統硬件結構簡單，容易部署實施。在管控指揮中心部署流媒體服務器，數據庫服務器，登錄服務器，應用系統服務器以實現設計的各種應用功能。整個系統業務與管理分離設計，音視頻實時流，點播回放流，音視頻存儲流，信令控制流邏輯分離分別傳輸。

　　分流設計使流媒體實現端到端轉發，減少中間環節，如此，假如某個服務器出現故障無法工作，也不會引起整個指揮系統的癱瘓，其他服務器應用繼續正常運行。另外這種IP系統的分流設計使系統比較容易擴容，當系統需要擴大規模時，整個系統的網絡架構無須任何做任何改變，無須進行網絡改造，無須增加新的平臺服務器，無須改變系統平臺結構。部署IP-SAN存儲服務器對前端攝像機的視頻流進行直接存儲，同時部署高清網絡硬件解碼器把從流媒體服務器傳輸過來的音視頻流進行解碼輸出至電視墻，實現大屏幕監看。為了方便高速公路管理人員移動管理和執法的需要，通過部署支持移動操作平臺(Android、Symbian、iOS)手機客戶端或平板客戶端系統，通過3G網絡連接至公路監控指揮中心，實現遠程無線應用。

信息存儲

　　監控信息的可靠存儲對于整個視頻監控來說至關重要，由于監控系統的監控攝像點多，要求保存時間長，可靠性高。因此在設計監控系統信息存儲時必須從存儲系統的大容量，易擴容，高性能等幾個方面考慮。為實現以上要求，存儲方案分別設計前端攝像機緩存，路段中心直存和省中心備份存儲的可靠方案。

　　前端攝像機緩存

　　高清IP監控系統在實際的應用過程中，經常無法避免的會遇到網絡擁塞、中斷，存儲服務器故障、斷電等各種意外情況，使得前端攝像機采集到的視頻流無法通過網絡及時存儲到指揮中心存儲服務器上，從而導致視頻流錄像失敗。項目選用的高清IP智能攝像機都支持本地緩存功能，當網絡故障或中心存儲服務器等故障導致無法錄像時，攝像機自帶的數據緩存功能可以將采集到的視頻流存儲到本機的SD卡上，直到網絡或存儲服務器故障恢復正常后，攝像機會自動將本地緩存的信息通過網絡上傳到存儲服務器上，避免數據丟失。

　　路段中心直存

　　在路段監控指揮中心采用IP-SAN數據存儲技術對前端攝像機的視頻流進行大規模存儲。IP-SAN存儲技術是一種基于IP以太網的網絡區域存儲架構，它使用iSCSI協議來傳輸流媒體數據，與其他存儲方式相比，更加適合高清網絡監控存儲的性能和適用要求,如(圖6)。系統存儲流直接從攝像機通過數據塊的形式寫入IP-SAN存儲設備中，確保可靠存儲。另外通過平臺軟件系統的存儲管理機制根據實際應用的需要實現重點內容重點存儲，一般內容標準存儲。

　　省中心備份存儲

　　由于系統的多級管理架構，對于一些高速公路管理部門認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情況有選擇，有取舍的進行流媒體存儲，增加系統存儲的可靠性。而且根據需要路段指揮中心存儲系統與省監控指揮中心存儲可互為備份，一旦某個存儲系統故障，另外一個存儲系統可以作為備份存儲，待故障修復后，視頻存儲信息可及時得到有效恢復。

　　整體系統功能和特點

　　基于全高清IP網絡架構而設計的高速公路監控系統，結合高清720P或1080P網絡監控攝像機，使得創新的架構體系和高品質系列圖像采集產品獲得了完美的融合。項目經建設部署后，具備如下功能和特點：1、功能強大的并易于集成開發的監控管理指揮平臺。2、技術先進的車牌識別技術、人臉識別技術及其他視頻分析技術應用于高速公路管理和收費，高速公路管理的智能化水平明顯提高。3、環網技術，確保信息的可靠傳輸，并實現了盡可能少的利用高速公路光纖資源。4、“瘦前端，胖后端”設計，大大減少了室外設備或系統發生故障的幾率，充分考慮了系統的易維護性要求。

　　結語

　　高速公路IP高清化監控系統的建設將是未來幾年的一個應用發展方向，它與上一代高速公路監控系統有著本質化的區別，系統在具備720P或1080P高清圖像監控的同時，實現了真正的高清圖像全數字化IP網絡化傳輸，系統具有強大的可擴展性能，在以太網可到達的任意地點，都可以進行系統的擴容。不管是增加前端設備還是各個子系統的對接，都有可實現擴容的可能性，加上前端的攝像機和平臺系統都是采用標準化協議，使得系統強大的可擴展性名副其實。