基于NVR-VGW 网络穿透的野外公路工程视频接入方法

陈柯 CHEN Ke；吕若丹 LU Ruo-dan；王世法 WANG Shi-fa；陈静 CHEN Jing；何杰 HE Jie；邝靖 KUANG Jing

（①四川成绵苍巴高速公路有限责任公司成都分公司，成都 641400；②四川高速公路建设开发集团有限公司，成都 610047；③四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041）

0 引言

四川省山区地震断裂带众多，地质灾害频繁发生，这对野外公路的监控和维护提出了极高的要求。当前用于野外公路工程（如桥梁、边坡、隧道）现场视频设备的接入主要有两种方式：一是在局域网内，使用摄像头与NVR（Network Video Recorder 网络视频录像机）组网，完成视频接入，通过局域网内客户端或者浏览器直接从NVR 上查看实时视频或者获取历史视频。二是在广域网或专网内，在机房搭建厂商视频服务器，在现场使用摄像头与NVR组网，通过NVR 主动注册的方式接入视频到视频服务器，通过客户端或浏览器从中心服务器查看实时视频或者历史视频。但这两种常用方式在数据采集、存储和传输方式方面均存在一定程度的缺陷。方式一的缺陷在于现场组网在局域网内，属于封闭的视频监控系统，仅限于现场办公人员使用，无法接入其他平台，共享视频相关数据。方式二的缺陷在于虽能够接入专网或公网的视频服务器，但用户只能从视频服务器获取视频流，因此负责视频接入的视频服务器对带宽有极高的要求；视频流延时也较大，大约在5-15 秒左右[1]，不利于获取实时反馈；此外，服务器有视频路数限制，扩容会增加经济成本，且不支持设备的远端维护，维护设备需要到现场操作。

1 相关研究

视频监控系统是公路工程运维管理的重要组成部分，已有不少学者开展了视频监控系统接入或运维方案的研究。中国工程建设标准化协会2022 年发布了《高速公路智慧视频监测系统设计指南》（征求意见稿）[2]，旨在规范我国高速公路智慧视频监测系统的建设，有利于部署和应用视频相关产品。该指南从监测系统组成、监测功能、外场监测点、平台功能和通信网络要求方面都做出了规定。但该标准在各项规定上并未区分一般高速公路和野外高速公路，难以实际指导野外公路工程环境下的视频监测设计。

许续等人[3]引入无线影音收发系统，提出了一种使用数码摄像机远程接入便携式计算机的方法。王一竹[4]基于组播通信的分布式信道接入方法进行了研究，通过统计决策优化算法实现高效信道接入。魏振宇[5]提出了一种基于TePA 的面向安全的视频监控系统密钥管理解决方案。朱予辰[6]提出了一种基于EPA 的网络资源预分配的静态复合调度算法，实现了充分利用带宽为目标规划各设备周期时间片，解决控制网络与多媒体数据的传输需求冲突。万明华[7]提出了一种井下无线视频监控系统，绞车司机可远程掌握梭车运行工况及所在区域环境情况，提升了无极绳绞车运行安全性。赵振宇[8]探讨了石油化工企业安防视频监控系统的实现路径。周婧荣[9]介绍某变电站工程视频监控系统典型应用配置及功能。叶海波[10]构建了铁路站段综合视频监控系统的顶层架构，以及设计系统实现安全监控、生产调度和综合分析等功能。类似地，马占中[11]结合视频图像质量诊断、Zabbix 网络监控等技术，研究了摄像机图像质量、系统软硬件设施运行状况和网络状况等数据的实时采集与数据分析，实现铁路综合视频监控系统的一体化全方位管控。综上，上述方法多适合网络良好的环境或面向特定作业环境，鲜有针对野外公路工程现场的视频接入方法的研究。针对以上业界痛点和学界尚未解决的问题，本文提出一种能应用于野外公路工程设施（包括桥梁、边坡、隧道）现场视频设备的数据采集、存储于传输的解决方法。该方法的创新点有二。其一，能够在野外公路现场没有固定公网IP 的情况下，方便第三方平台获取低延时视频数据；其二，能够对设备进行远端维护，以满足野外公路工程设施视频监控的需求。

2 基于NVR-VGW 网络穿透的野外公路工程视频接入方法

图1 展示了本文提出的基于NVR-VGW 的公路工程视频接入方法，分为五个大的步骤。

图1 基于NVR-VGW 网络穿透的野外公路工程视频接入方法流程图

步骤一，将野外公路工程现场的至少一个视频数据采集设备NVR 接入视频网关VGW 中，以使视频网关VGW采集视频数据采集设备NVR 上的视频数据。步骤二，建立视频网关VGW 与中心服务器之间的连接，并在中心服务器上添加各个视频网关VGW 对应的节点以及节点下每个视频数据采集设备NVR 采集的视频信息。视频信息用于表征视频数据的基础信息，不包含视频流。步骤三，根据节点下每个视频数据采集设备NVR 采集的视频信息，通过中心服务器为用户对应的用户终端提供视频记录查询功能，并确定用户在使用视频记录查询功能过程中的视频播放指令，得到视频播放指令对应的目标制视频信息。步骤四，当得到目标视频信息之后，建立所述用户终端与视频网关VGW 之间的点对点连接，得到连接结果。步骤五，若连接结果成功，则根据视频播放指令对应的目标视频信息，直接从视频网关VGW 拉取对应的目标视频；若连接结果失败，则启用视频中继服务，并通过视频中继服务间接从视频网关VGW拉取对应的目标视频。最后，将目标视频传输至用户终端进行播放，完成视频的接入。

此方法通过网络穿透的方式优先建立用户终端与视频网关VGW 之间的点对点连接，穿透成功的情况下，视频流会从野外现场视频网关直达用户浏览器，而不再经过服务器转发，从而节约了网络带宽；在无法穿透的情况下，会经过中继服务器建立连接，转发视频流，此情况会消耗一定网络带宽，但延时会大幅降低。在软硬件资源充足的情况下，系统能接入的视频路数没有限制且可以通过SDK 抓取到关注的摄像机时间。中心服务器支持对视频内网关阶段的远端维护，维护人员不必再奔赴野外现场作业，实现远端维护设备。

3 案例分析

为了验证方法的可行性和性能，笔者进行了应用场景的案例分析。如图2 所示，案例为野外公路现场没有固定公网IP 的两座桥梁桥A 和桥B（还可以接入多座桥梁或其他公路设施），现场的硬件设备包含有多个设置于野外公路工程交通工程现场的摄像头、多个摄像头连接的NVR、多个NVR 连接的VGW（图3）、VGW 连接的中心服务器、信令服务器以及中继服务器，还包括用户使用的浏览器。用户通过浏览器登录中心服务器查看各种视频信息，当需要进行识别播放时，则通过信令服务器将用户标识以及用户终端与信息服务器之间的连接保存至各个信令通道中，以使VGW 通过信令服务器与用户终端进行信令交互，建立用户终端与VGW 之间点对点的连接，即穿透成功。穿透成功则进行视频直传，视频流会从VGW 直达用户浏览器，不再经过服务器转发，从而节约网络带宽。在无法穿透的情况下，会经过中继服务器建立连接，进行转发并消耗一定的网络带宽。

图2 应用案例示意图

图3 视频网关VGW

启动中心服务器上的WebSocket 服务，通过VGW 向中心服务器发送接入请求。中心服务器对接入请求进行解析，若判断该VGW 信息存在于中心服务器的连接池中，则视频网关的接入连接池，连接创建。随后VGW 为中心服务器启用第一读写服务，再通过中心服务器为VGW 启用第二读写服务，如此进行VGW 与中心服务器的数据交互。

首先通过中心服务器对用户进行鉴权，获取用户鉴权结果，成功鉴权后，通过中心服务器为用户对应的用户端提供视频记录查询功能。将野外公路设施桥A 和桥B 现场的所有摄像头接入到NVR 中，通过视频网关VGW 调度SDK 接口进行设备搜索，在管理界面（图4）中添加搜索出来的同网段或跨网段NVR，并添加NVR 的设备信息和VGW 下每个视频采集通道对应的通道信息。VGW 通过SDK 接口连接所有NVR，将视频网关VGW 的全局唯一ID 以及名称转换为Json 字符串，再用base64 编码工具对该Json 字符串进行编码，以将Json 字符串转化为URL 查询参数，得到视频网关VGW 的唯一标识信息。中心服务器根据通道唯一编码解析出所属的视频网关VGW 全局唯一ID，以此在连接池中查找对应连接，通过该连接完成与VGW 的交互，并通过SDK 接口执行如通道预置点查询、预置点跳跃、倍速播放、录像记录查询等操作。视频回放（图5）提供历史视频的检索、下载、播放、跳转、倍速等功能。云台控制（图6）提供摄像机的转动、标胶、光圈、预置点等控制功能。

图4 接入网关VGW 管理界面

图5 视频回放

经过多次应用场景的测试，网络穿透的成功率达48.5%±2%，即节约了近一半的带宽，并实现从VGW 点对点直接拉取野外现场目标视频的目的，视频流延时约1秒；在网络穿透未成功的情况下，消耗的网络带宽为一路高清视频2M 带宽，不受视频路数限制，而延时同样会降低到1 秒。

4 结语

本文介绍了一种基于NVRVGW 网络穿透的野外公路工程视频接入的方法，有效解决了在野外网络环境差、低宽带的条件下，视频难以传输共享且难以进行设备远端维护等问题。网络穿透成功率为48.5%±2%，在此情况下，该方法可直接从VGW 点对点拉取野外现场视频，减少近一半带宽消耗，且视频流延时仅为1 秒；在网络未穿透的情况下，该方法仍可在消耗带宽的情况下大幅降低延时至1 秒。