高速公路监控系统视频传输设计与实现

王 丽，赵艳辉

（河北中岗通讯工程有限公司，河北 石家庄 050035）

0 引言

随着国家高速公路事业的蓬勃发展，对其服务和管理水平的需求日益提高。而视频监控系统是安全防范系统和高速公路机电系统的重要组成部分，是将视频技术和现代通信技术相结合的应用，同时也为高速公路的管理提供了直观、方便、信息丰富的内容，因此监控系统的实施成为了机电系统和高速公路管理不可缺少的一部分。随着高速公路通行车辆的迅速增加，数字图像压缩处理技术和流媒体技术的不断发展，计算机网络带宽、计算机网络的处理能力和存储容量的快速提高和加大，高速公路的全程监控和视频传输的数字化将成为未来的发展趋势。

1 监控系统传输方案比较

1.1 原有监控系统方案

原有监控系统方案如下：

（1）每车道设置车道摄像机和亭内摄像机各1台；

（2）广场的内、外侧各设置快速球型摄像机1台；

（3）主线收费站入口收费亭内摄像机分别设置，通过视频分配器提供视频图像；

（4）收费站车道、亭内和广场的视频图像采用一对一在监视墙上显示，每站设置主监视器一套。复式收费车道的视频图像与原有收费车道的车道和亭内视频图像通过四画面分割器后在监视墙上显示；

（5）收费站均通过硬盘录像机对视频图像进行存储；

（6）视频切换和控制采用模拟视频控制矩阵；

（7）收费站与监控分中心视频传输采用视频数据复用光端机点对点传输方式，每收费站上传一路视频图像至路监控分中心，并接受监控分中心视频切换矩阵的控制。

原有监控系统方案构成如图1所示。

图1 原有监控系统方案构成

1.2 现有监控系统传输模式

现有公路的监控系统传输模式采用数字非压缩点对点式视频光端机传输方案。以光纤专线为传输介质，采用模拟摄像机＋视频光端机等模式来实现，对重点路段、隧道和桥梁进行统一的24h实时音视频监控。能够做到集中监控、集中存储，可以在内部网络铺盖的任何地点查看、控制任何一个监控点，可随意调用监控画面，画面清晰连贯。监控系统的现有方案主要体现在以下方面：

（1）实现了对重点区域的视频监控，以各监控点为基本单元，各级基于数字化网络视频技术实现多级联网监控；

（2）所有的视频监控点考虑了全天候监控的效果；

（3）能够对所有监控的视频进行长达7×24h的视频录像，能够作为证据进行分析、调用；

（4）组建视频监控中心，采用数字化视频还原技术组建电视墙，形成传统的类矩阵集中系统，实现对所辖区域视频监控的集中管理；

（5）以各管理处为单位组建视频分监控中心，采用磁盘阵列存储录像资料及转发视频；

（6）在监控指挥中心组建系统调度指挥中心，统筹安排和调度整个系统，进行统一的现场调度和管理。

监控外场图像，采用点对点式进行组网传输。在每处监控点根据需要设置l台单路或双路视频+反向数据远端机，在监控分中心设置多路视频+反向数据节点式接收机，所传图像均为数字非压缩格式。

1.3 两种监控系统传输模式优缺点比较

1.3.1 点对点数字视频光端机

点对点数字视频光端机有如下优点：（1）使用简单灵活，视频质量高，实时性好；（2）除了传输多路视频信号外，还可以传输音频信号、异步数据、以太网数据等多种信号。

点对点视频光端机有如下缺点：

（1）无法组网，不具备保护功能，系统可维护性差；

（2）无法实现远距离传输，如果距离过远，图像无法直接到达监控中心/分中心，只能采用光端机级联方式，多级光端机的级联会造成信号质量的下降，同时也给业务和设备的维护管理带来很大不便；

（3）由于采用的是点对点模式，整个系统占用大量的光纤资源；

（4）外场监控节点多，需要构建大型视频网络时，矩阵增容费用增加很多，矩阵之间级联非常困难，控制网络复杂。

1.3.2 全数字传输方式

针对于传统的点对点传输模式的缺点出现了新的全数字视频传输方案：所有外场监控图像在摄像机端即进行数字化编码，图像压缩后（H.264标准）采用光纤组网方式，接入收费站（或服务区）的通信系统，利用接入网提供的10/100M通道传至监控分中心。

全数字传输方式有如下优点：

（1）系统技术设备比较先进，能够实现集中管理、集中控制、集中调度等功能，甚至有能力将除图像外的其他业务集成于同一个平台上进行传输；

（2）由于采用了H.264标准，图像具有高清晰、低延时、抗干扰性强、分插（上、下）方便等优点，适合大规模、高质量图像传输要求。

全数字传输方式有如下缺点：

（1）目前国内支持该种高新技术方案的厂商数量较少，造价较高；

（2）由于压缩编码的算法不统一，造成设备厂商之间设备编解码器存在兼容性问题，不能做到设备互换，使已建成高速公路新增设备或原有系统改造面临设备更新和兼容问题，没有选择的余地。

2 全程监控数字化传输设计

2.1 路段全程监控系统设计基本原则

路段全程监控系统设计时需考虑如下基本原则：

（1）使用新技术、新设备：充分使用新技术和新设备，保证价值工程的资源利用最大化。

（2）统一管理，合理利用：设备、资源统一管理，合理利用资金。

（3）标准化：视频监控系统就是要实现在光纤上的图像传输和共享。本系统采用的产品均遵循视频协议和传输标准的要求。

（4）可扩展性：由于用户以后的需求会不断增加，监控数量将随之扩大，用户要求只增加前端设备和升级软件不用添加其他附加设备，以保证其投资。为了适宜未来系统扩展的需求，系统在满足现有功能的基础上预留足够的设备容纳性以便系统扩充之用。系统中控制部件（软、硬件）采用集中式结构、嵌入式等技术措施，可以方便灵活地进行扩充，充分保证系统在将来的适应性。灵活的组网方式，方便增加被监控点。几个视频监控系统可以作为子系统组成更大的视频监控系统，可按多级组网的方式，形成大规模的监控网络，高一级监控中心能管理和监控低一级监控中心的运行。

（5）易用性：软件使用界面良好，用户安装相应软件（客户端控件）后就可进行实时监控，完全智能控制，不用单独设置。系统可以很方便地进行在线升级，保证用户投资。系统采用的程序包括服务器程序和客户端程序，均能为客户提供升级服务。可调节图像质量与带宽占用，系统采用H263++、X264硬件编解码，可以根据用户需求调节帧数、分辨率、图像质量等。支持64～2048Kbps传输码率的多种图像浏览方式，包括单画面、四画面、九画面、十六画面多种浏览方式。

（6）可靠性：具有设计独到的视频流量管理功能，保证传输通畅。统一、规范地管理操作权限。系统具有自诊断功能。系统设备的平均无故障工作时间MTBF＞10000h。由于每一个设备均以分散的方式安装于远端的摄像机端，即使单个设备发生了故障也仅仅是影响到这个设备，而不至于影响整个系统。

（7）完善性：具有强大的视频、音频和数据告警功能：当某台摄像机发生移动侦测报警时，系统可实时启动录像或驱动云台前往预置位实时监视；当发生报警时，能接入联动报警信号，识别报警。具有功能完善的录像管理体系，系统可选用手动、移动侦测、报警、定时录像四种方式，提供指定周期的滚动删除功能，有效防止存储空间耗尽，同时可提供分布式网络存储功能。具备完善的控制功能，系统设置了权限管理，对不同级别的用户给予不同的权限，有效防止越权操作。

（8）良好的硬件平台：系统硬件平台为嵌入式设计，实现高度一体化、高度工程化，便于施工、安装、调试。

（9）良好的软件平台：系统的软件操作简便、采用模块化结构。

2.2 全光纤数字矩阵系统的特点

根据以上使用原则，需要全新的系统方案进行设计和实施。全光纤数字矩阵系统是一个集光纤传输、分布式数字视频矩阵、多业务接入于一体，具有全数字、大容量、高品质图像、高扩展性、完善的视频管理及网络管理能力的光纤网络传输交换平台。本业务系统将视频、音频、计算机网络、数据等统一到同一传输平台，提供了丰富的业务接口如Ethernet、E1、RS232/RS485/RS422、开关量、爱峰对讲、语音等，并且创造性地将开放式全数字视频综合管理设备纳入该平台。为视频监控高端用户提供了专业的综合解决方案，可满足用户对多级传输、交换高质量视频、多种业务接入的需要。

2.3 VAM平台

2.3.1 VAM平台简介

高速公路监控系统采用VAM——开放式高画质数字视频网络平台。VAM平台综合运用计算机、图像处理、视频压缩、传输与交换、网络管理、视频行为分析等技术，集视音频信号的接入、传输、交换、存储、显示以及PTZ控制、告警联动、视频分发、事件检测等功能和应用于一体，能有效提升高速公路运营维护的信息化、智能化水平，为高速公路运营管理和风险控制提供有力的支撑。

VAM平台是一个高度标准、开放的视频监控网络平台，完美支持专业级视频监控所必备的从非压缩到不同压缩等级的多码率数字视频信号的并行传送与统一调度。VAM平台采用符合国际电联（ITU-R）BT.601、BT.656标准的非压缩分量数字视频码流作为其基础视频码流，视频信号的压缩、传输、交换、处理、存储、显示等全部基于此标准的基础视频码流，从而使得VAM平台具备了非常优良的扩展性和通用性。VAM平台内的压缩视频采用MPEG-2、MPEG-4和H.264三种标准，同时提供从128Kbps到8Mbps的不同画质的多种压缩视频。

VAM平台的信号接入、传输和交换均基于电信级以太网技术，支持星形、链形、环形、相切环等光网络拓扑，可在全网提供1+1保护，使整个平台具有极高的可靠性和安全性。VAM平台也可利用各种已建通信网络，如：SDH、RPR、ASON等，实现互联组网。

2.3.2 VAM平台的主要特点

（1）全程数字化：标准分量数字视频信号可直接无损接入平台内；模拟视频信号进入平台后即数字化为符合ITU-R BT.656国际标准的分量数字视频，并在平台内全程基于此标准码流进行压缩、存储、分析、编码等各种处理；

（2）传输接口标准、开放：符合国际标准IEEE802.3z的千兆以太网承载非压缩和各种压缩视频码流，既可独自构建电信级受控以太网，也能支持已有的SDH、RPR、ASON等通信网络；

（3）网络安全和带宽保护：用VAM平台构建的电信级受控以太网能阻止非法接入；各项业务按需动态指配网络带宽；

（4）大容量全交换：单子架96G高速交换背板容量，支持子架级联和堆叠；

（5）实时非压缩视频到桌面：可在桌面端提供清晰细腻的非压缩实时视频；

（6）内建视频存储和调阅：同时支持集中存储和分布式存储，存储的视频可根据授权全网调阅；

（7）多码流支持：可同时提供标准的ITU-R BT.656非压缩分量数字视频码流以及从128Kbps到8Mbps的不同画质的多种压缩视频，满足大屏显示、电视墙显示、视频分析、视频存储、信息发布等不同应用需求；

（8）前光后电式子架设计：子架前面板只有指示灯和光纤接口，所有的电缆全部集中在子架后面板，同时配备了接口功能指示灯，方便工程开通和设备维护；

（9）视频统一调度：非压缩、压缩视频全网统一接入、传输、交换和存储；

（10）完善的网络管理：故障自动定位，良好的人机界面；

（11）丰富的行业特色应用：提供切合高速公路管理特点的多种应用。

2.3.3 VAM平台的子系统

VAM平台由以下子系统构成：

（1）交换子系统；

（2）传输子系统；

（3）接入子系统；

（4）视频调度子系统；

（5）视频存储子系统；

（6）信息发布子系统；

（7）告警管理子系统；

（8）设备管理子系统；

（9）事件监测子系统。

上述系统可以接入摄像机、高清摄像机、网络摄像机、云台（解码器）、拾音器（麦克风）、扬声器、对讲、求助报警、烟雾传感器、车流检测器、红外报警、气象探测器、电话、可变情报板等前端设备信号，提供包括视频监视、视频存储、事件监测、PTZ控制、检索回放、告警联动、收费稽查、Web发布、桌面浏览、视频会议、视频对讲、OSD配置在内的各种应用，实现高速公路机电系统中各子系统的整合。

2.3.4 VAM平台的设计

传输采用全数字综合管理设备，全网信号共享，任一节点经过配置授权均可任意下载图像，各前端视频接入数量不受限制，设计的传输系统能够传输所有格式的数字视频信号，包括数字非压缩视频、MPEG2、MPEG4、H.264等。监控系统图像传输采用远端数字非压缩采集、传输、接入，分中心（收费站）MPEG2或H.264（MPEG4）采用编解码模式进行显示、存储、管理。

2.3.5 VAM平台的主要设备组成

在分中心和收费站采用“开放式全数字视频综合管理设备（平台）”，外场设备通过收费站全数字综合管理设备与监控分中心全数字综合管理设备之间结成多纤自愈光纤环网。在高速公路外场，采用“节点式光端机”联结外场设备到监控分中心，其构成如图2所示。

图2 VAM平台的主要设备构成

全数字管理平台的构成如图3所示。

图3 全数字管理平台的构成

在高速公路外场，采用“节点式光端机”联结外场设备（如摄像机等），节点式远端接入设备接入设在收费站的全数字综合管理设备组成单纤链网进行传输，其构成如图4所示。

图4 单纤链网的构成

全数字视频综合管理设备和节点式光端机组成光纤链路网络，结成的视频图像传输、转换、处理系统是完全数字化的，具备一系列的优点：

（1）支持数字非压缩视频和多种码流的压缩转换、传输及输出，在保证本地管理站具有高清晰度实时图像进行切换、显示的同时，提供基于压缩处理模式的视频业务和基于非压缩处理模式的视频业务的共同传输，为上级监控分中心提供了多种显示与浏览模式。

（2）数字管理平台之间、数字管理平台和接点光端机之间可以组成链网、环网、星型、分支、混合型等结构的网络，可覆盖到最前端的外场摄像机或其他设备处，具有强大的组网能力；

（3）支持多业务接入、传输功能，在收费站内和外场均可提供以太网、异步数据、音频、对讲、报警等多种接口和传输能力；

（4）强大的后台软件功能和模块化设计；

（5）全网设备统一管理，网管、设备监控功能可覆盖至外场设备最前端（外场摄像机或其他设备处）；

（6）系统有很强扩展性，外场使用节点式光端机，可以用单根光纤构成光纤链路，接入并传输不同地点的多路视频图像和多种数字码流，适合于道路的全程监控（每隔1km或2km布设摄像机），为以后在不增加光纤的情况下，进一步增加外场监控设备提供了便利条件。

3 结语

传统高速公路监控系统的传输系统主要为采用点到点光端机传输或使用节点光端机进行视频和数据的传输，本身独立成网。通过使用全数字视频综合管理设备将原有系统的监控点和新增的监控点融合在一个统一的管理平台下，将多种视频模拟和数字接入模式（光、电）结合在一起，组成一个新的统一调度管理平台，真正做到收费系统的语音图像数据、监控系统的语音图像数据传输统一管理在一个管理平台下，节约了系统改造开支。随着高速公路管理需求的提升和高速公路通行车辆的迅速增加，随着数字图像压缩处理技术和流媒体技术的不断发展，随着计算机网络带宽、计算机网络的处理能力和存储容量的快速提高和加大，高速公路的全程监控和视频传输的数字化将成为发展的趋势。

[1] 曾瑶辉，李冬陵.高速公路监控系统集成[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 郑国，叶裕民，皮定均.国内外数字化城市管理案例[M].北京：中国人民大学出版社，2009.