高速公路AI视频上云智慧网关关键技术研究与实现

王一屹，陶国信，赵 聪

(1.贵州省交通信息与应急指挥中心，贵州 贵阳 550000；2.贵州道坦坦科技股份有限公司，贵州 贵阳 550000;3.贵州中南交通科技有限公司，贵州 贵阳 550000)

0 引言

2019年，国务院发布《交通强国建设纲要》，要求大力发展智慧交通,推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合,推进数据资源赋能交通发展，加速交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网络融合发展，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系，打造一流设施、一流技术、一流管理、一流服务，建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国，为全面建设社会主义现代化强国、实现中华民族伟大复兴中国梦提供坚强支撑[1-2]。

为了推动交通强国建设，交通运输部发布《关于印发<全国高速公路视频联网监测工作实施方案>和<全国高速公路视频云联网技术要求>的通知》《省级综合交通运输调度和应急指挥系统定位、主要功能和技术保障要求的通知》，要求贵州作为全国试点全面建设交通领域“可视、可测、可控、可服务”的运行监测体系，不断提升综合交通服务能力和监管水平，更好地满足人民群众高品质出行需求[3]。同时，推进部省共建、联网运行的“省级综合交通运输调度和应急指挥系统”，确保省级调度和应急指挥系统能有效满足与国家综合交通运输信息平台之间信息互联互通以及部省之间、部门之间综合交通运输调度和应急指挥业务协调联动。

1 研究目标

高速公路AI视频上云智慧网关是全省设备上云的关键设备，是全省视频联网云平台的数据采集设备，网关通过标准协议接入高速各路段的视频资源，实现该路段内所有高速监控视频的汇聚，设备实现目标如下：

(1)网关应支持数据链路管理，可以根据上传网络带宽预设置上传视频路数，当上级设备/平台访问路数超过设置路数时，不再提供视频访问，保证已上传的视频传输质量。通过权限控制，高优先级用户可以抢占低优先级用户，优先浏览视频，满足用户正常的使用[4]。

(2)网关应集成业界先进的视频质量诊断算法，可以实现对视频清晰度、亮度、色彩、对比度、噪声、条纹、无视频信号、画面冻结、画面抖动、视频遮挡等18项内容的检测，实现视频质量的智能化检测，有效提高社会视频接入质量。

(3)网关应集成设备在线监测、通信链路带宽检测等功能，为系统正常运行提供监测数据，保障系统的高可用性。

(4)网关应集成最新的高速智能分析算法，对高速拥堵进行实时在线监测，并在第一时间提供预警，及时调度，为公众提供更好的高速服务。

(5)网关支持采用VPN隧道技术与省级平台连接实现数据的互联互通。

2 高速公路AI视频上云智慧网关设计

根据交通运输部下发的《全国高速公路视频云联网技术要求》，结合本省视频监控系统实际情况，视频联网云平台采用“路段—省级云平台—部级云平台”的架构，对路段汇聚点的视频系统进行上云接入，经省级云平台统一汇聚后与部级云平台对接[5]。省级云平台应满足本省高速公路视频资源100%汇聚和分发要求，并向部级云平台提供视频调用服务。部省两级视频云平台问控制信令通过云端VPN隧道传输[6]。具体架构如图1所示。通过在路段监控中心、部署视频上云网关，通过视频上云网关与原有监控中心平台进行对接，获取路段各场景的视频资源，实现前端卡口、流量检测设备、高点云台、普通监控等视频的接入及汇聚。

图1 视频联网云平台架构

2.1 高速公路AI视频上云智慧网关架构设计

上云网关是高速公路视频数据汇聚的关键设备，是监控设备和平台之间数据传输的桥梁，针对视频数据的汇聚需要，本文结合交通运输部《全国高速公路视频云联网技术要求》设计一种AI视频上云网关(AI-VGW)，该设备不仅能实现高速公路上不同厂家、不同型号的摄像机设备接入，还可将获取的视频以统一、标准的视频压缩格式和加密传输，并推送至省级云平台或部级云平台[7]。

AI视频上云网关(AI-VGW)主要由3部分构成，分别是网络安全模块、视频汇聚模块、AI智能分析模块，其架构如图2所示。

图2 AI视频上云智慧网关设备架构

(1)网络安全模块：该模块主要由VPN路由器组成，为路段中心与省级平台之间提供可靠、安全的数据传输通道。

(2)视频汇聚模块：该部分是高速视频上云网关的核心，包括视频设备接入、流媒体转发、视频/图片存储、视频转码、视频质量诊断、设备运维、链路运维等功能模块。

(3)AI智能分析模块：结合边缘计算技术，在边缘端实现视频的智能化分析，完成对拥堵事件、交通事件、平均速度、公路流量、公路气象等开展监测分析，并提供视频结构化分析工作。

AI视频上云网关搭载业界领先的AI硬件服务器，提供统一的“在线调取、共享分发、智能分析”等服务，既适用于超大规模的部、省级视频云联网，又能灵活地部署在片区中心、路段分中心、收费站、隧道所、服务区等。同时，能灵活配置视频接入、视频转码、视频智能分析、视频结构化解析所需的计算资源，应对复杂场景下多样化的视频上云和边缘分析需求[8]。

2.2 网关功能设计

2.2.1 视频接入

采用实时视频流从IPC接入、录像视频流从存储设备接入的方案，确保省部级平台可以获取高速监控视频。

2.2.2 视频/图片存储

视频本地存储，可以作为重要监控视频的备份，也可以根据报警联动规则，对异常情况的监控视频进行报警联动录像。对所有接入的高速监控视频每隔5分钟截图，并上传省级平台。

2.2.3 流媒体转发

流媒体转发作为高速视频上云网关中最主要的视频资源管理服务，用于多客户端复用相同现场图像的流媒体转发管理和支持多级流媒体转发管理和调度，支持网关管理，降低网络带宽和设备负荷。

2.2.4 视频浏览

用户可通过用户权限进行视频浏览。

2.2.5 视频转码

2.1 队列人群基线特征 基线时用MS诊断标准将队列人群分成两组，MS组467人，非MS组867人。基本体格特征和实验室特征比较，除年龄、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）外，MS组的体质指数（BMI）、腰围（WC）、收缩压（SBP）、舒张压（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C测量均值均高于非MS组，两组之间差异均有统计学意义（P＜0.001）。见表1。

AI视频上云网关可将接入的全部视频资源转换为不低于32 Kbps低码流(25帧、CIF分辨率)和不低于1 Mbps高码流(25帧)两种符合H.264标准的码流。

2.2.6 视频监测

通过对视频流进行智能分析，实现各类视频故障智能诊断，包括图像清晰度异常、图像暗度异常、图像偏色、视频干扰、雪花、画面冻结、视频丢失等，并将分析后状态和报警数据发送到省级视频云平台，省级视频云平台收到边缘节点的视频质量检测结果后，汇总成视频质量报告，上报给部级云平台[9]。

2.2.7 录像监测

AI视频上云网关支持多种摄像机设备接入的录像诊断，对录像结果进行精准的分析和直观呈现，进而达到高效监测的效果。可将录像诊断结果以时间轴方式展现，用不同颜色区分有/无录像；支持录像完整性、连续性监测。

2.2.8 设备运维

对该路段辖区下的所有摄像头、存储设备等进行在线监测，并将监测结果推送至省级平台，实时掌握设备在线信息，提高运维效率。

对该路段的互联网出口带宽进行流量带宽统计，为下一步系统优化提供可靠数据。

2.2.10 AI视频智能分析

AI视频上云网关内置异常事件智能分析模型，对拥堵事件、交通事件、平均速度、公路流量、公路气象等进行实时分析，并生成智能分析报告，并上传至省、部级云平台。

2.2.11 AI视频结构化解析

AI视频上云网关可对视频数据进行结构化分析，解析车信息包括：车牌号码、号牌种类、车辆品牌、子品牌、年限、车身颜色等，并支持在本地轮巡缓存结构化数据、结构化图片。可根据项目需求，进行灵活配置解析的路数以及根据接入能力预留扩展接口[10]。

2.3 网关接口设计

(1)设备具备对接主流厂商的摄像机或平台的视频码流，且优先按GB/T 28181-2016或GB/T 28059方式对接。

(2)网关提供支持https协议的视频推送接口，视频云平台通知网关设备开始/结束指定摄像机视频推送，网关设备处理后，向平台返回处理结果，接口需满足部级“视频推送开始接口”和“视频推送停止接口”要求。

(3)网关提供支持https协议的云台控制接口，通过此接口对摄像机进行云台控制，接口满足部级“云台控制接口”要求。

(4)网关支持将视频质量检测结果推送至视频云平台，接口满足部级“上报图像质量检测接口”要求。

(5)网关支持将智能分析结果上传至省/部级云平台，接口满足部级“智能分析上报接口”要求。

3 高速公路AI视频上云智慧网关实现

根据高速公路视频云联网的需求，设计根据接入视频数的不同共设计两种规格的AI视频上云智慧网关，两种网关性能如下：

(1)AI-VGW-Ⅰ(支持50～100路视频上云)。整机支持最多100路高清视频编解码；整机支持最多100路交通事件分析；整机支持96路视频结构化解析；支持同时推送50～100路32 Kbps低码流(25帧、CIF分辨率)视频或1 Mbps(25帧)码流视频；视频编码格式：H.264 / H.265(见图3)。

图3 AI视频上云网关 AI-VGW-Ⅰ

(2)AI-VGW-Ⅱ(最大支持20路视频上云)。整机支持不小于20路高清视频编解码；支持同时推送不低于20路32 Kbps低码流(25帧、CIF分辨率)或不低于1 Mbps(25帧)码流视频；视频编码格式：H.264/H.265(见图4)。

图4 AI视频上云网关 AI-VGW-Ⅱ

4 结语

本文设计的AI视频上云网关是一款支持集不同规格监控设备视频接入、视频存储转发、视频浏览、视频转码、质量检测、智能分析和结构化解析于一体的高性能智能化视频处理设备。该设备以支撑交通运输部《全国高速公路视频联网监测工作实施方案》为出发点，在最大程度地降低方案成本的基础上，结合物联网、大数据、人工智能等技术进行功能拓展，在助力视频联网及智慧监测管控体系建设的同时为推动智慧交通、车路协同的发展提供支撑。