高速公路IP高清网络监控系统方案

高速公路监控系统的建设，越来越受到公路运营方、管理部门以及公众的重视。经过多年的高速公路机电工程建设和实践，相关设计、运营、管理部门对这一系统的功能不断加深了解，并在系统的应用过程中越来越多的发现——早期建设的非智能化监控系统固有的局限性，无法很好地满足高速公路运营及管理部门准确决策，保障高速公路畅通及高效率的目的。由于目前大部分高速公路已建的监控系统智能化程度不高，无法主动、及时地发现路面的异常情况进而自动执行预案，实现高效管理和应急调度指挥。

　　本文以一条省际高速公路为例，此高速公路全长115KM，全路段共有8个收费站入口，8个收费站出口，8个双向隧道，10个高速公路服务区。整个项目全部采用IP高清监控技术、智能分析技术、车牌识别技术、网络通信技术等进行设计，取得了良好的应用效果。

　　需求分析与建设目标

　　通过与高速公路运营方，高速公路管理方等各方面沟通了解，结合我们深入分析高速公路管理部门的业务需求和我们对高速公路管理信息化建设的理解，以合理性、先进性、可靠性、稳定性和可扩展性为设计原则。总结了以下几个重要的建设内容和方向。

　　高清化

　　所有硬件设备全部支持720P和1080P的高清分辨率，唯有实现高清化的图像采集和应用，才能实现整体系统的高清化，才能使监控系统从看得见到看得清的转变，也唯有高清化，才能提高整个系统的智能化程度和实际应用的效果。不仅前端全部采用720P或者1080P的高清监控摄像机，网络传输、管理控制、显示系统全部采用高清设备和技术。

　　智能化

　　通过各种智能分析技术来主动判断高速公路的运营状况，对高速公路上不符合规范，规章和违法的交通行为及事件自动记录并报警，能够智能识别各种违章行为，包括车牌识别，人脸识别等。以实现从被动监控到主动智能监控的转变。

　　IP网络系统架构

　　基于TCP/IP协议的网络通信体系架构是全球最开放的和最标准的，由于IP网络系统架构的开放性、成熟性和广泛兼容性，采用IP网络体系架构不仅维护简单，而且方便系统的扩容和管理。

　　网络存储

　　基于整个系统的全IP网络架构设计，采用网络化存储技术，部署简单，与其他存储技术相比具有强大的优越性能。存储网络可提供在计算机与存储系统之间的数据传输，可以实现超大容量数据的集中存储，超大数据吞吐能力，远距离数据存储，方便扩容并且部署简单。

　　弹性扩展，标准开放

　　高速公路的管理是一种层级管理结构，并且随着各地经济的不断快速发展，高速公路建设里程不断增长，高速公路的监控系统也会不断新建和扩容，为了保护已有投资，必须确保新旧高速公路监控能够无缝融合、平滑弹性扩展。在系统不断扩大的同时，标准的开放性可有效降低系统扩容的整体成本，并实现快速部署。

　　系统整体规划

　　根据高速公路长距离，全室外，多级管理的特点，设计高清全IP光网络系统架构。与目前高速公路联网监控的其他几种系统架构相比有比较明显的技术优势。传统的第一种系统设计方式是站级以下采用光端机+模拟视频矩阵+硬盘录像机的主体架构方式，录像和上传都采用硬盘录像机编码和存储。另外比较典型的一种是分中心以下全部采用模拟摄像机+光端机+光矩阵平台进行联网，省中心一级采用编码传输的方式。

　　在本文的高速公路全IP高清监控系统设计当中，高清IPC直接输出高清720P或1080P图像，同时高清IPC都具备双码流输出技术，在高速公路机电工程中，传输系统全部采用光纤，为高清IP监控系统提供了良好的基础网络传输平台，全流媒体转发和交换技术，并通过环网传输技术，可大大节约高速公路紧张的光纤资源，同时可降低系统成本。

　　另外，为了提高高速公路管理部门的现场管理和执法水平，系统还设计了移动执法终端系统，通过3G无线广域网络，管理人员能通过终端管理系统实时现场查看整条或多条高速公路的路况，并可通过系统快速展开取证执法，可极大提高高速公路的管理效率和减轻管理人员的劳动强度。

系统分层设计

　　采用全IP网络系统架构，系统结构简单，遵从了信息系统技术领域一直追求的“瘦前端，胖后端”的发展趋势，可有效提高系统的坚强度，同时可以使系统应用更加灵活方便。

　　信息采集

　　综合考虑高速公路室外的恶劣环境，包括光照环境，气候环境等。摄像机防护等级全部满足IP65及以上的防护标准，摄像机利用先进的ISP图像优化处理技术，极大的提高高清图像的质量。采用标准的H.264视频编码压缩技术，支持双码流输出，摄像机主码流分辨率为720P或1080P，系统符合ONVIF的标准规范，可实现广泛的平台系统兼容性。

　　根据需要选择智能车牌识别技术，结合平台指挥管理系统可实现多种应用，车牌识别技术采用先进的STS视觉技术、采用逐帧识别的方法，将车牌定位、车牌字符分割、字符识别以及物体跟踪技术有机结合;大量使用机器学习算法，有效地克服了启发式算法系统的弊端;车牌识别率高、识别速度快、识别功能全、使用方式灵活;同时，可以在不需要借助任何触发装置的前提下，能够快速、实时地对每一帧图像进行有效分析、识别。其工作机制和软件模块。

　　前端信息采集系统，主要划分为3个大的组成部分，分别是外场道路智能监控子系统，隧道智能监控子系统和收费站监控卡口子系统。

外场道路及服务区智能监控子系统

　　选用高清智能网络摄像机和高清智能网络高速球摄像机为主，按照道路的实际环境情况和结合交通管理部门的管理需要，在高速公路的合适位置安设具有智能分析功能的高清网络摄像机，智能视频分析算法可对高速公路上过往车辆的交通行为进行准确检测，如逆行检测，超速检测，违章或故障、事故停车检测。对智能摄像机检测到的违章或违法行为进行录像和拍照并联动触发各种报警并自动执行各种预案。在智能摄像机检测到各种违章行为的同时，通过车牌识别技术和人脸识别技术提取违章车辆的车牌信息和人脸信息并传送给指挥中心服务器做智能分析处理。同时根据管理的需要，可以选择在高速公路沿线的适当位置布设温度传感采集器，实时温度可叠加显示在显示和录像通道上，实现远程指挥中心非现场实时掌握高速公路传感器附近的气象温度。

　　由于高清摄像机720P/1080P的高分辨率，在服务区部署更少的摄像机即可实现大范围高清监控，不仅看得见，而且能够实现看清人脸和任何事物的细节特征。

　　隧道智能监控子系统

　　为应对高速公路隧道光环境复杂，入口、出口光照反差大，隧道内部光照不足等情况，选用低照度摄像机以及宽动态摄像机来对监控图像最初良好改善，以实现高清监控。同时用于隧道的监控摄像机全部集成智能分析功能，实现对隧道内超速，随意变道，违章停车和隧道逆行等违章驾驶行为进行抓拍和记录，同时通过集成自主研发的车牌识别技术提取违章车辆的车牌信息全部上传至高速公路指挥中心交通信息管理系统，管理信息系统对采集的信息进行分析，统计和处理。

　　收费站监控卡口子系统

　　通过选用高清IP智能摄像机来建设高速公路收费站监控卡口子系统，一方面可以清晰准确记录每一辆进出高速公路车辆的车牌信息，通过服务器OLAP联机查询分析系统实现假套牌，违章违法布控(基于数据仓库技术，通过抓拍过往车辆车牌信息，与违法及违章车牌信息数据库对比分析，对于已经实施布控的车牌，系统将联动布控预案并实施报警)等功能，另一方面可以通过车牌号实现自动计费功能，改变目前进口发卡，出口收卡计费及ETC预缴费的收费模式。可实现快速收费过站，减少车流量大时收费口车辆拥堵，提高公路通行效率，并可降低收费系统的建设成本。

　　网络传输

　　高速公路网络通信全部为光纤传输，由于高速公路监控摄像机呈线状分布于公路沿线，采用星型传输结构进行信息交换，将需要占用大量有限的光纤资源，而且可靠性无法得到保障，而利用高速公路沿线的光纤资源建设光纤环网传输系统不仅可以节约光纤资源，而且可以通过以太光纤环网的快速收敛自愈功能提高网络传输系统的可靠性。

　　环形以太网是目前比较先进的网络拓扑结构，它的自愈性功能好，具有生存能力强，网络传输稳定性和可靠性高等优点。在光纤环网中，总前端和分前端可以根据需要灵活的在不同的路由上进行切换，从而实现双向业务的高可靠性、多备份和信号迅速恢复的功能，切实解决现有网络传输不稳定性的缺点。当线路干线中有一个点出现问题时(比如主干光纤线路某处出现断路)，系统可以利用它的自愈功能自动切换到备用线路上，保持通信畅通。

　　管控指挥中心

　　整个系统全部采用全IP流媒体交换的方式，确保系统最大的开放性、兼容性和易扩展性。流媒体全部基于TCP/IP协议进行封包传输，系统硬件结构简单，容易部署实施。在管控指挥中心部署流媒体服务器，数据库服务器，登录服务器，应用系统服务器以实现设计的各种应用功能。整个系统业务与管理分离设计，音视频实时流，点播回放流，音视频存储流，信令控制流逻辑分离分别传输。

　　分流设计使流媒体实现端到端转发，减少中间环节，如此，假如某个服务器出现故障无法工作，也不会引起整个指挥系统的瘫痪，其他服务器应用继续正常运行。另外这种IP系统的分流设计使系统比较容易扩容，当系统需要扩大规模时，整个系统的网络架构无须任何做任何改变，无须进行网络改造，无须增加新的平台服务器，无须改变系统平台结构。部署IP-SAN存储服务器对前端摄像机的视频流进行直接存储，同时部署高清网络硬件解码器把从流媒体服务器传输过来的音视频流进行解码输出至电视墙，实现大屏幕监看。为了方便高速公路管理人员移动管理和执法的需要，通过部署支持移动操作平台(Android、Symbian、iOS)手机客户端或平板客户端系统，通过3G网络连接至公路监控指挥中心，实现远程无线应用。

信息存储

　　监控信息的可靠存储对于整个视频监控来说至关重要，由于监控系统的监控摄像点多，要求保存时间长，可靠性高。因此在设计监控系统信息存储时必须从存储系统的大容量，易扩容，高性能等几个方面考虑。为实现以上要求，存储方案分别设计前端摄像机缓存，路段中心直存和省中心备份存储的可靠方案。

　　前端摄像机缓存

　　高清IP监控系统在实际的应用过程中，经常无法避免的会遇到网络拥塞、中断，存储服务器故障、断电等各种意外情况，使得前端摄像机采集到的视频流无法通过网络及时存储到指挥中心存储服务器上，从而导致视频流录像失败。项目选用的高清IP智能摄像机都支持本地缓存功能，当网络故障或中心存储服务器等故障导致无法录像时，摄像机自带的数据缓存功能可以将采集到的视频流存储到本机的SD卡上，直到网络或存储服务器故障恢复正常后，摄像机会自动将本地缓存的信息通过网络上传到存储服务器上，避免数据丢失。

　　路段中心直存

　　在路段监控指挥中心采用IP-SAN数据存储技术对前端摄像机的视频流进行大规模存储。IP-SAN存储技术是一种基于IP以太网的网络区域存储架构，它使用iSCSI协议来传输流媒体数据，与其他存储方式相比，更加适合高清网络监控存储的性能和适用要求,如(图6)。系统存储流直接从摄像机通过数据块的形式写入IP-SAN存储设备中，确保可靠存储。另外通过平台软件系统的存储管理机制根据实际应用的需要实现重点内容重点存储，一般内容标准存储。

　　省中心备份存储

　　由于系统的多级管理架构，对于一些高速公路管理部门认为非常重要的视频等信息，除在路段指挥中心集中可靠存储之外，省指挥管理中心还需根据情况有选择，有取舍的进行流媒体存储，增加系统存储的可靠性。而且根据需要路段指挥中心存储系统与省监控指挥中心存储可互为备份，一旦某个存储系统故障，另外一个存储系统可以作为备份存储，待故障修复后，视频存储信息可及时得到有效恢复。

　　整体系统功能和特点

　　基于全高清IP网络架构而设计的高速公路监控系统，结合高清720P或1080P网络监控摄像机，使得创新的架构体系和高品质系列图像采集产品获得了完美的融合。项目经建设部署后，具备如下功能和特点：1、功能强大的并易于集成开发的监控管理指挥平台。2、技术先进的车牌识别技术、人脸识别技术及其他视频分析技术应用于高速公路管理和收费，高速公路管理的智能化水平明显提高。3、环网技术，确保信息的可靠传输，并实现了尽可能少的利用高速公路光纤资源。4、“瘦前端，胖后端”设计，大大减少了室外设备或系统发生故障的几率，充分考虑了系统的易维护性要求。

　　结语

　　高速公路IP高清化监控系统的建设将是未来几年的一个应用发展方向，它与上一代高速公路监控系统有着本质化的区别，系统在具备720P或1080P高清图像监控的同时，实现了真正的高清图像全数字化IP网络化传输，系统具有强大的可扩展性能，在以太网可到达的任意地点，都可以进行系统的扩容。不管是增加前端设备还是各个子系统的对接，都有可实现扩容的可能性，加上前端的摄像机和平台系统都是采用标准化协议，使得系统强大的可扩展性名副其实。