高速公路视频监控系统高清改造关键问题分析

何郑宁

(福建省高速公路有限责任公司三明管理分公司 福建三明 366100)

引 言

由于大部分的高速公路运营路段投资建设年份早，外场监控点通常采用光纤级联方式实现远距离传输模拟视频。现今运行的模拟监控系统存在着诸多亟需解决的问题:设备老化画质差、系统不稳定故障率高、配件不可维修、停产无备件更换、无法单一升级等。视频监控系统的高清化已经成为摆在运营管理者面前非跨越不可的一道坎。

视频监控系统的高清化需要统筹考虑，在图像采集、传输、显示、存储、管理等各个环节的技术配置上达到全局协调匹配。若未对所有环节作出升级改造，其最终效果仍然微乎其微。

1 关键问题分析

视频监控系统的高清改造工作并非简单，将涉及监控系统的各个环节。高清改造需要一套整体性和系统性的解决方案，包括采集、传输、显示、处理、存储和管理等多个环节，在前端、中端和后端的各部分均需按高清标准配置。

(1)高清采集设备

1.1 分辨率

传统的视频监控系统基本应用CCD模拟摄像机作为前端采集设备，最高分辨率通常在30－40万像素间。高速公路管理人员只能掌握道路通行状况，无法迅速看清车牌，并且在夜间受光线影响，导致实时监控效果更不理想。

通常分辨率超过720P或者1080I的视频被称为高清视频，可达到100万像素分辨率;全高清视频分辨率则达到1920×1080(1080P)，可获得更加清晰的画质，分辨率达到200万像素或更高。

1.2 压缩与非压缩

高清图像采集设备是高清监控系统的前端组成部分之一，目前主要有两种类别:HD－SDI摄像机和网络摄像机。其中，HD－SDI摄像机遵循广电高清标准，一般信号带宽大于1.5G，视频图像的细节能无损失的呈现出来;网络摄像机采用以太网接口，输出经过压缩编码的小带宽(小于10M)网络信号［1］。

(2)高清传输设备

高清传输设备的作用是将采集信号传输至集中管理站或监控分中心。依据高清采集设备的不同，高清传输设备主要分为非压缩传输的SDI高清光端机和编码压缩传输的以太网光端机;另有HD－SDI视频经专业设备压缩的传输设备，因整套应用方案具有设备非通用、不易扩容等缺点，不适用高速公路视频监控系统。用非压缩方式传输视频具有无延时、无损高清、占用带宽高、拓扑结构简单、占用光纤资源多等特点;用编码压缩方式以太网传输视频具有组网拓扑结构多样、设备通用性好、改造扩容方便、联网调用容易、建设成本低等特点。两种传输设备各特点对比见(表1)。

表1 HD－SDI光端机与网络光端机对比

(3)视频显示设备

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视频显示设备包括3类:第一类是监视器、背投组合屏;第二类是计算机显示器;第三类是移动终端。

1.3 监视器、背投组合屏

第一类设备的显示方式在HD－SDI与传统模拟视频系统上类似，均通过视频分配器、视频矩阵和控制键盘等设备，实现视频在监视器和背投组合屏上的切换和控制功能;不同之处在于两个系统信号所匹配的设备或接口。

对于网络高清系统而言，视频信号的呈现需要一个关键部件——高清视频解码器，它能将监控内网中来自前端的组播IP包进行解码还原，基于网络的高清视频解码器具有自适应能力，无论是DI、720P或1080P分辨率的视频均可实现不同码流的信号变换输出。其输出接口通常为HDMI、DVI等，可直接与高清监视器或背投组合屏匹配。

1.4 计算机显示器

第二类设备的显示通过网络来实现。无论是高清或是标清视频信号，经过编码压缩后，均可在本地监控网络浏览访问，通过配置通信传输网络可实现远程查看。其中，编码压缩工作主要由硬盘录像机(DVR或NVR)完成，计算机通过录像机客户端软件进行实时和历史录像浏览。

1.5 移动终端

第三类移动终端包括手持、移动办公和车载互联设备等。电信运营商大力推广的4G网络速率达到100Mbps，可承载视频、图像、传递资料等业务。通过在高速公路内部通信网络和电信运营商之间布局防火墙等相关设备后，移动终端可不受地域限制地与视频监控系统进行移动互联。由于目前视频监控系统正处在高清化的转型发展过程，移动智能化将在未来有广阔的发展空间。

(4)视频存储设备

高速公路的视频图像要求实时存储，且一般保存时限在半个月到一个月之间。长时间的存储，对于存储空间有着较高的要求，目前主要有两种存储方式:1、IP － SAN;2、NVR。

1.6 IP－SAN

IP－SAN是在传统IP网络上架构一个SAN存储网络，并把服务器与存储硬件搭建联系起来的存储技术。IP－SAN利用第三方服务器将数据导入或导出，具有远距离集中管理数据的“云存储”特点，无容量限制，侧重于大型联网数据的存储、管理、容灾。IPSAN适用基于HD－SDI构建的全高清视频系统，即由HD－SDI摄像机、光端机、分配器、矩阵、监视器、编码器和IP－SAN(或HD－SDI DVR)组成的数字高清方案，相对于传统模拟系统而言有着巨大的飞跃。

1.7 NVR

(5)视频控制和管理

监控管理平台通常是基于B/S模式的架构，作为高清视频系统的“总指挥”，它可对系统用户、设备、实时浏览、回放查看、云台扫描等实行统一管理。同时，在解码视频流批量切换输出、协同数字硬盘录像机智能视频分析、视频数据集中或分布式管理等诸多方面，对解决实际问题也能提供有力保障［2］。

2 高速公路某路段分中心视频监控系统高清改造案例

(1)概况

高速公路某路段分中心改造前外场隧道图像都是通过级联式光端机上传至监控分中心，分中心通过视频矩阵实现对视频图像的管理。目前这套系统存在摄像机CCD老化导致视频质量下降、级联光端机已停产且维护不便(部分设备故障送修将导致整条链路图像丢失)，严重影响分中心图像的完好上传率。

(2)改造方案

根据省监控的相关技术规范，参照相关项目改造经验，此次隧道视频改造选择以点对点传输，外场监控以高清级联方式传输，共同构建基本网络拓扑;以高性能三层网络交换机为网络核心，网络硬盘录像机为存储核心方式建立起一套的高清数字视频监控系统。

图1 视频监控系统改造拓扑图

2.1 收费监控

目前，保留原有标清摄像机和光端机等设备，只更换存储设备为高标清混存DVR。因成本控制需要，收费监控全面高清化计划在下一次改造中实施。

2.2 外场监控

本路段外场监控包括枢纽互通、特殊路段和隧道口三个部分。将原有枪式遥控摄像机更换为网络高清球机，级联视频光端机也更换为百兆光纤收发器。保留级联传输方式，每条链路7－8台球机，外场网络高清球机划分一个网段。距离分中心较远或光衰耗较大的高清链路信号，在就近机房汇聚、录像、回传。

2.3 隧道监控

新增光缆用于点对点视频传输拓扑结构改造。隧道内固定摄像机更换为1080P高清网络枪式摄像机，每台摄像机直接通过百兆光纤收发器汇聚到隧道机房三层千兆交换机后上传到分中心三层千兆核心交换机。

2.4 监控分中心

所有隧道以太网上传图像都将接入监控分中心端的一台三层千兆核心交换机，并通过现有通信传输设备将分中心图像上传至省中心;为节约网络资源，避免数据传输造成拥堵，分中心视频以太网利用组播技术，实现实时视频流和录像回放流无压力传输。

分中心配备H.264高清解码器，将视频输出至监视墙高清监视器上。在分中心搭建视频数据转发服务器和防火墙，方便内网电脑实时浏览视频、录像回放和检索。

用网络硬盘录像机(NVR)主要解决隧道视频存储问题，需先将高清摄像机码率设置为6Mbps，再考虑满足15天左右的存储要求，进一步合理地配置NVR存储容量。其中，每路高清15天内所占存储空间可以估算为:6Mbps×3600秒×24小时×15天/8(单位转换为MB)/1024(转换为GB)/1024(转换为TB)=0.927TB［3］。

通过收费站、隧道机房和监控分中心的千兆以太网交换机，可以方便的组建成千兆视频网，使高清数据的传输得到可靠保障。视频监控系统经过改造，整体依托于网络，减少传统设备的传输环节(矩阵和视频分配器)。以交换机、网络硬盘录像机和高清解码器为主的视频监控专网，在系统应用、维护管理和兼容扩容等方面对于传统系统而言是一次质的飞跃。然而，在视频通道的自愈保护、外场点对点传输等方面受限于投入成本，导致系统的可靠性受到一定程度影响［4］。

3 结束语

高速公路视频监控系统从“看得见、看得清、看得懂”一步一步走来，系统高清化、网络化方面的成效有目共睹，基于IP技术的网络高清视频监控系统在高速公路已有诸多成功案例。但是，网络高清视频监控依然存在带宽占用高、存储占用空间大、传输延时等问题需要解决。HD－SDI视频系统则可以套用传统模拟监控视频系统的构建方式轻松升级，在系统应用等级高，无改造成本压力的领域较为适用。随着安防技术的进步，高清化和网络化阶段的问题(编码技术、网络资源、硬件成本和智能化技术)将被逐一解决，高清视频监控系统的发展也将促进高速公路运营管理和出行服务水平进一步的提高。

［1］尉自斌，罗小荣，李立东.高速公路高清视频监控系统解决方案.中国交通信息化2012.10.

［2］张一心.高速公路高清视频监控系统建设探析［J］.中国安防，2014.08.

［3］李捷.福建泉州泉三高速公路高清视频监控实践［J］.中国交通信息化，2014.05.

［4］高速公路监控技术要求［J］.人民交通出版社，2012.1.