高速公路特长隧道监控视频系统的设计研究

常国伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 设计背景

经过多年跨越式发展，山西省高速公路建设取得举世瞩目的成绩，高速公路建设是地区经济增长的重要推动力，其快速的发展为经济社会创造了基础条件，同时也创造了巨大的社会效益和经济效益，高速公路建设规模已成为对一个省经济发展水平和经济实力进行衡量的重要标准。

高速公路所处地理环境较为复杂，特别是近几年在建高速公路隧道数量多且长度较长，多条高速公路中出现10 km 左右的特长隧道。隧道作为高速公路的咽喉地段，因空间小、密闭性强等原因，常为事故多发点，且一旦发生火灾、事故，极易引起交通拥堵和二次事故的发生，进而引发严重的交通事故，严重影响了高速公路的通行效率和行车安全。长期以来，隧道监控视频采用标清图像模式对隧道洞内进行监控，随着隧道视频图像的发展，高清视频图像模式逐渐取代标清图像模式。高清视频监控系统作为一种可视化管理技术，可以实时对隧道内交通流量和交通运行状况监视，向管理部门提供实时、直观、可靠的信息，辅助管理部门对交通运行进行科学管理，及时制定交通管控方案，预防常发性拥挤的发生。同时结合视频分析技术，可以对隧道内发生的异常事件进行自动检测、报警，保证了异常事件第一时间发现和排除，避免二次事故的发生，视频监控系统的建设对保障高速公路高速、安全、舒适、经济地运营具有重大的意义。

2 设计目标与原则

2.1 设计目标

目前高速公路信息化的发展已经进入了“智慧高速”建设时代，作为“智慧高速”的重要组成部分，隧道视频监控系统的智能化水平影响着高速公路的整体“智慧”水平。对于该项目隧道视频监控系统的建设，满足隧道日常运营与安全管理业务需求的同时，充分利用先进的技术手段提升系统的先进性、可靠性、智能化以及可维护性。系统设计目标主要包括：实时图像点播、远程控制、存储和备份、历史图像的检索和回放、电视墙显示功能、与其他系统的接口与联动、事件检测与交通数据统计、用户与权限管理、高可靠传输链路等。

2.2 设计原则

高速公路隧道高清视频监控系统是为了充分发挥高速公路“高速、安全、舒适、高效”的功能特性，保证较高的服务水平，实现对交通运行的宏观管理和调度而建立的。系统设计主要原则包括：先进性、稳定性、集成化、可拓展性、易用性与易维护性。

3 系统设计方案

3.1 设计思路

以山西省某高速公路为例，路段内设置特长隧道1 座/9 800 m，采用双向四车道高速公路标准，设计速度80 km/h，根据项目路段交通量和隧道长度，分析得出隧道的监控等级为A+级。隧道视频监控系统设计采用先进的高清视频监控技术，实现高清视频采集，高清传输，高清显示，高清存储一体化高品质全高清视频监控系统。不仅可以带来高品质、高清晰的图像监控，还能带给智能分析系统更多的数据来源，极大地丰富了路段内隧道监控数据的再利用再开发，为山西省高速公路大数据应用提供了优质的视频资源。隧道高清视频监控系统主要由前端感知系统、网络传输和监控中心（显示、存储、控制）三大部分组成。

3.2 前端感知设计

隧道视频监控主要包括上下行洞口监控、隧道内监控、人行/车行横洞监控、紧急停车带监控和变电所监控。隧道内监控摄像机采用高清网络摄像机，同时兼容支持H.265/H.264 编码标准，支持星光级低照度，满足联网标准更新后可以无缝切换升级。摄像机支持3 码流输出，高码流用于电视墙显示，第三码流用于高清存储和高清视频事件检测。由于隧道内环境昏暗，光照度条件差，因此本次设计在隧道内配置星光级低照度摄像机，提高成像效果以及事件检测效果。

a）隧道洞口 监控图像主要是观察隧道洞口交通拥堵情况，监视的范围较大，必要时也需要看清局部状况，如山体滑坡等，图像清晰度越清晰越好。因此，根据监控需求的特点设计配置星光级高清网络云台，一方面满足图像清晰度的需求，同时可以控制摄像机云台转动，针对性地观察路面情况。该项目在隧道上下行洞口距离隧道出入口约250 m 处分别设置1 台星光级高清网络枪机，用以观察隧道洞口运行情况和对周围环境进行监视，有效监视隧道入、出两个洞口外的全貌。

b）隧道人行/车行横洞和紧急停车带 监控图像主要是观察横洞和紧急停车带的交通拥堵情况，监视的范围较大，必要时也需要看清局部状况，如车辆特征等，图像清晰度越清晰越好。因此，根据监控需求的特点设计选用超星光级高清网络球机，一方面满足图像清晰度的需求，同时可以控制球机云台的转动，针对性地观察车辆情况。该项目设计在特长隧道左右洞内每个横洞/紧急停车带分别设置1 台星光级高清网络球机，用于全方位监控横洞/停车带交通运行情况。

c）隧道洞内 视频图像用于监控特长隧道左右洞内的交通状况，主要是隧道内的车辆密度、行驶速度、有无事故及逆行车辆等，图像清晰度的要求则能看清车牌，在发生事故时可以第一时间得到更多的信息。由于隧道环境湿度非常高，是经常会出现护罩内水汽凝结的现象，因此隧道固定摄像机需要采用相机护罩一体的产品达到较好的密闭性能，本设计采用星光级高清网络一体化单元，隧道内按照建设标准从距入口5 m 处每间隔约130 m 设1 台固定高清网络摄像机，实现无盲区监控[1]，用于监控隧道内交通运行情况。

d）洞口/洞内变电所监控 在隧道两端洞口每个变电所内和隧道车行横洞变电所内各设置2 台星光级高清网络半球摄像机，用于监控隧道变电所设备运行及人员出入情况。

3.3 网络传输设计

隧道视频监控系统传输网络设计主要包括隧道前端监控点位到隧道管理站网络通道以及隧道管理站到上一级管理单位的网络通道。由于高速公路沿线都敷设了光缆，光纤资源较为丰富，因此直接采用光纤传输。在本次设计中监控点位到隧道管理站的网络传输采用光纤环型冗余设计方案，采用视频监控专用的智慧型传输设备组网传输。

上下行隧道洞口、人行/车行横洞和紧急停车带星光级高清网络球机按照1∶1 配置原则，配置智慧接入终端进行传输；每个变电所2 台星光级高清网络半球对应1 台智慧接入终端；洞内全程监控星光级网络一体化单元按照设备柜分配情况，每3 路对应1 台智慧接入终端；考虑到整个视频传输系统的可靠性和稳定性，所有智慧接入终端按照30 路图像一个环的配置原则，组成若干个千兆光纤自愈环网传输到隧道管理所内配置的高清视频综合平台内，隧道视频监控系统整体设计架构见图1 所示。

3.4 监控中心设计

隧道管理站端以高清智能数字视频综合平台作为核心设备，并配置视频存储服务器、磁盘阵列、视频工作站、大屏拼接电视墙、视频事件检测与交通信息分析统计系统、核心交换机等相关设备组成隧道管理站级监控系统。实现隧道视频接入、视频切换、视频存储、大屏控制、联网上传、视频事件检测及其他子系统（火灾、紧急电话、视频检测子系统）联动等功能。

3.4.1 显示系统

视频监控系统作为一种可视化管理技术，最终展现给监控管理人员的是显示环节，包括监视器、拼接大屏和视频工作站的实时显示和历史图像回放。为了保障高清显示效果，显示系统需要支持DVI/HDMI/VGA 高清接口，满足不低于1 920×1 080 显示分辨率性能。综合考虑性价比，在本次隧道监控视频显示系统设计中采用LED 液晶拼接屏和液晶监视器相组合的电视墙方案，视频显示系统见图1 所示。

图1 隧道视频监控系统整体系统设计架构

智能视频综合平台具备多光口接入交换机、编解码器、视频分配器、大屏控制器等多种设备功能，系统集成度较高，极大简化了系统结构，减少线缆数量和中间视频格式转换环节。解码拼控系统由视频综合平台、控制键盘及LED 屏控制器等组成，视频综合平台完成信号源的接入、视频解码、大屏拼接和控制等，控制键盘实现大屏的切换上墙控制，显示预案管理切换等功能，LED 屏控制器驱动LED 屏显示与控制电脑及事件信息的实时同步更新数据，而控制电脑可通过软件实现对整个大屏幕墙显示内容、显示窗口、显示时间等的控制。显示系统由LED 液晶拼接屏和液晶监视器组成，主要承载整个系统的信息集合、画面显示功能，将整个系统的各种数据及信息，以特制的方式，完美清晰地呈现出来。

3.4.2 存储系统

该项目在隧道管理站监控中心配置视频存储服务器和磁盘阵列，图像数据从前端摄像机直接写入存储设备，数据传输协议支持主流的流媒体协议和GB/T28059 规范，支持平台直接调取，架构简化而开放，利用多级联网调用。满足按照高清格式大路数集中存储的写入/回放性能以及最低30 d 的存储容量。本路段特长隧道监控图像共182 路，每路图像按照25 fps@1 920×1 080 分辨率，4 Mbps 定码率，存储30 d 计算，计算公式为：182 路视频×4 Mbps×3 600 s×24 h×30 d/8/1 024/1 024=225 TB。以上计算所得为视频存储实际所需空间大小，在设计时计算硬盘数量需要额外考虑每块硬盘格式化损失，以及RAID 所占空间还有热备盘空间。格式化损失按10%计算，一般视频存储采用RAID5 模式，RAID5空间按照一组RAID5 一块硬盘配置，热备盘按照一组RAID5 一块硬盘配置。

3.4.3 控制系统

本次设计在隧道管理站监控中心配置视频事件检测分析仪，视频事件检测与交通信息分析统计系统可以全天候地对车辆违章停车、拥堵、逆行、行人出现、遗落物、烟雾等各类交通异常事件进行检测，同时对隧道左右洞内车道流量、车道平均车速、排队长度、车头时距等交通数据的检测采集。设计采用全新深度学习算法+高密度GPU 的方案，相较于传统的事件检测设备，无论在算法还是算力上都有了质的飞越，大大提高了事件识别率，同时降低事件误报率。

3.4.4 管理平台设计

视频监控软件平台采用软硬件一体化产品，避免软件安装环境引起的兼容性、稳定性问题。系统平台需具有开放的平台架构，具有模块化、标准化、可扩展等特性。可以通过山西省高速公路标准联网协议无缝接入上级平台，也可以通过标准联网协议或者SDK 方式接入第三方的下级平台。平台可预留与其他信息系统的互联接口，以满足隧道各管理子系统联动的需求。

4 结语

隧道监控视频系统是通过对隧道内现场的监视，结合一些信息化控制手段达到对隧道洞内道路的监控和控制，是一种防范能力较强的视频监控综合管理系统，以其直观、方便而广泛应用于隧道场合。通过视频图像对隧道洞口及洞内的全部路段进行全面的监视，以便熟悉洞内道路交通状况，辨认交通事故及其严重程度，必要时进行交通控制，同时视频图像还可以监视隧道内监控设备（洞内车道指示标志、洞内可变信息情报板及其他设备）的运行状态，作为除设备自检运行状态外能收集设备运行状况反馈信号的辅助确认手段。