高速公路视频监控系统架构评价分析

邓超

摘要：文章结合层次分析法原理对高速公路视频监控系统架构进行评价分析，对5个重要技术指标进行量化，并对不同监控系统进行对比分析。通过建立层次结构模型、构造判别矩阵，根据各系统评分结果得出混合-管理所转换非压缩监控系统综合得分最高，而全数字网络监控系统最具发展前景。

关键词：高速公路;视频监控系统;架构;层次分析法

0 引言

视频监控技术应用在高速公路管理中，不仅可以对高速公路的运行情况进行实时监测，还可以进行报警复核，辅助监控系统提高管理效率。20世纪90年代，美国开启“视觉监控项目”，开始研究将网络传输、智能传感和图像视觉分析等技术进行融合，实现在多种复杂状况下的视频监控。欧洲在1999年联合高校和科技企业开展视频监控系统研究，其中一部分功能就是对交通运行情况进行监控，缓解城市交通压力。我国于2002年开始研究视频监控技术，中科院自动化研究所对运动检测、定位、识别和跟踪方面的视频监控技术进行重点研究，得到了一种新型的交通监控系统。虽然我国监控系统的研究晚于美国、欧洲等发达国家，但经过多年的研究探索已经取得了很大的进步，尤其在信息化和智能化方面得到了较大的提高。

1 层次分析法的基本原理

层次分析法是在20世纪70年代由美国数学家Satty T提出来的，是一种可以同时完成多目标多指标的决策分析方法。在层次分析法构建的模型中，既考虑了定性指标，还考虑了定量指标，这就可以保证分析结果的全面性。采用层次分析法进行复杂问题分析时，首先要将问题分解成多个评价指标，并按各指标之间的相互关系划分层级，经过全面分析得到层次评价模型，综合对比后将各评价指标按重要性进行排序。另外，准确确定各评价指标的权值是保证层次分析法计算结果准确性的关键。简言之，层次分析法的基本原理就是将一个复杂的问题分解为若干评价指标，然后根据各指标的重要性进一步划分为若干层级，通过计算确定各个评价指标的权值，取权值最大的作为最优方案，选定为最终结果。

2 研究背景

某省高速公路由交通运输厅通过设立高速公路联网管理中心进行统一管理，开展运营管理、联网收费等工作。通过高速公路网综合监控系统进行全面管理，下设高速公路管理公司负责运营管理，设置监控分中心，收集数据并实时传输到高速公路收费管理中心。综合监控系统主要组成部分包括省监控中心、监控分中心和外场设备等高速公路网综合监控系统总体布置如图1所示。省监控中心对全省高速公路进行管理，并将信息传递给上级管理部门和相邻省份。监控分中心的主要功能是对所管辖的高速公路的日常运行情况进行监督，并将数据信息、图像视频等上传至省监控中心。为了合理选择高速公路监控系统的架构，采用层次分析法开展评价，确定最佳监控系统架构方案。

3 不同监控系统量化对比

3.1 视频图像采集

本文视频图像采集质量采用主观视频质量评定，可以完成对数字图像和模拟图像的评定。高速公路监控系统规模大，模拟难度较大，本文以模拟视频与数字视频的质量评价结果作为监控系统视频图像采集质量的评价结果，并做适当调整。通过对比分析某收费站监控视频画面，经过压缩处理的数字视频图像质量明显下降。模拟图像与未经压缩处理的数字视频图像肉眼观察效果相差可以忽略，可认为评价结果一致。

3.2 占用带宽

为了分析不同监控系统在运行过程中占用带宽的情况，对高速公路收费车道和收费广场的原始信号和压缩信号进行对比，得出视频平均压缩率为147，说明数字信号可以大大减少带宽占用。全数字网络监控系统所有数据传输均采用数字信号，因此可以大大减少带宽占用，是所有监控系统中占用带宽最少的，而其他监控系统带宽消耗远远高于全数字网络监控系统，均在100倍以上。由于转换非压缩信号与模拟信号所占用的带宽接近，因此模拟视频监控系统和混合-管理所转换非压缩监控系统运行过程中带宽消耗最大，为全数字网络监控系统的300倍以上。

3.3 传输距离

模拟/数字混合监控系统收集的信号需要进行数模转换，将转换后的数字信号传递到上层的光端机。然而，在数模转换过程中，由于受到干扰会产生信号衰减，缩短传输距离的问题。而数字信号不需要进行数模转换，也不容易受到干扰产生衰减，因此全数字网络监控系统的信号传输距离最长，可认为不受传输距离的限制。除全数字网络监控系统传输距离不受限制外，其他监控系统信号传输距离可以达到100～300 km。

3.4 傳输时延

网络信号延迟主要出现在传输介质和传输设备上，采用同轴电缆传输图像信号的模拟监控系统所产生的延迟很小，可忽略不计。这是由于模拟监控系统传输的都是模拟信号，不需要进行数模转换或数字压缩，因此延时较小。而对于模拟/数字混合监控系统和全数字网络监控系统来说，图像信号传输过程中所产生的延迟较大。这是由于在图像信号传输过程中，需要进行模数转换和数字压缩，导致产生较大时延。根据相关测试结果，传输介质采用千兆光纤的延迟时间为500 ms，而百兆光纤延迟时间为

800 ms。

3.5 数据存储管理

模拟监控系统采用硬盘作为存储设备，容量小，不利于调阅和共享。混合监控系统数据存储设备采用数字硬盘录像机，视频资源便于调阅和共享，可有效节约存储空间。全数字网络监控系统数据存储介质采用磁盘阵列IPSAN或光盘，与其他监控系统相比容量更大，而且便于检索查询监控记录，可有效提高管理效率。

各视频监控系统重要技术指标评价结果如表1所示。

综合以上对各技术指标的分析结果，各监控系统分别具备一定的技术优势。模拟视频监控系统和混合-管理所转换非压缩监控系统视频图像采集效果最好，全数字网络监控系统带宽消耗最小、传输距离不受限制，模拟监控系统传输时延较小，全数字网络监控系统数据存储空间容量最大，且便于检索查询监控记录。

4 视频监控系统层次分析

4.1 建立层次结构模型

分析高速公路监控系统，确定评价指标，建立层次结构模型，划分为最高层、准则层和最底层三个层次。层次结构模型如图2所示。最高层定义为目标层O，该层只有高速公路监控业务需求一个元素。准则层定义为B，子准则层定义为C，包括进行监控系统架构评价的主要指标，可以划分为若干层，本模型共包括准则、子准则两层，其中准则层包括圖像采集、数据传输、数据存储与处理三个元素，子准则层包括占用带宽、传输距离、传输时延三个元素。最底层定义为P，是实现视频监控系统所提供的所有解决方案。

4.2 构造判别矩阵

建立判别矩阵A=（aij）n×n[WTBZ]，按照先在矩阵左上角填写包含子准则，然后再将其子准则分别书写在矩阵的首行和首列中的原则完成矩阵填写。评审专家对比分析各准则的重要性，分别进行赋值，各元素重要性标度赋值如表2所示。

经分析准则层C三个判别矩阵均满足一致性检验要求，均为一致矩阵。

4.3 层次分析计算结果

模拟视频监控系统层次计算示意图如图3所示，模拟监控系统得分计算结果如下：

P1=0.466 8*0.263 2+0.21*（0.2*0.05+0.333 3*0.125 0+0.466 7*0.281 3）+0.334 6*0.043 5=0.175 8

4.4 最佳方案确定

分析表3所列各类视频监控系统的评价得分，其中最高分为混合-管理所转换非压缩监控系统P2=0.226 4，最低分为模拟视频监控系统P1=0.175 8。这是由于模拟视频监控系统的传输方式落后，虽然图像质量得分较高，但占用带宽和存储处理与其他监控系统相比不具优势，得分较低。而混合-管理所转换非压缩监控系统得分最高，这主要是该监控系统虽然在占用带宽上存在一定的劣势，但在传输距离与存储处理方面评分均高于平均值，尤其在视频图像采集方面具有明显的优势，且传输时延较低，因此总体评分最高。

另外，全数字网络监控系统得分仅次于混合-管理所转换非压缩监控系统，评分结果为P5=0.226 4，主要原因是由于技术上还不够成熟，IP网络的传输时延较大，在视频图像采集方面得分也偏低。然而随着信息技术的不断发展，全数字网络监控系统必将是最能适应高速公路监控要求的监控系统，具有较好的发展前景。因此，结合以上分析结果，现阶段高速公路视频监控系统应优先选用混合-管理所转换非压缩监控系统。

5 结语

为了选择最适合高速公路运营管理要求的视频监控系统，采用层次分析法对各类监控系统架构进行评价分析，得出以下结论：

（1）通过对视频监控系统各重要技术指标进行量化，并进行对比分析，得出模拟视频监控系统和混合-管理所转换非压缩监控系统视频图像采集效果最好，全数字网络监控系统占用带宽最小、传输距离最长，模拟监控系统传输时延小，全数字网络监控系统数据存储空间容量最大，且便于访问查询监控信息。

（2）通过建立层次结构模型、构造判别矩阵，全面分析层次分析计算结果，确定混合-管理所转换非压缩监控系统为最佳视频监控系统，而全数字网络监控系统是最具发展前景的监控系统。

参考文献：

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