淺談甘肅省高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)

張禹

【摘 要】近年來，甘肅省交通運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)的蓬勃發(fā)展對(duì)促進(jìn)全省乃至周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了十分重要的作用。在這種態(tài)勢(shì)下，雖然甘肅省交通運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸能力不斷提高，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了持續(xù)增長(zhǎng)的交通運(yùn)行需求。同時(shí)公眾對(duì)交通運(yùn)輸服務(wù)水平的要求也在不斷提高，特別是甘肅省自然災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)運(yùn)用信息化、智能化手段提升現(xiàn)有交通運(yùn)輸系統(tǒng)的管理、應(yīng)急救援和公眾服務(wù)水平提出了更高、更迫切的要求。本技術(shù)專題類短文針對(duì)目前我省高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)面臨的問題及現(xiàn)狀進(jìn)行探討，通過發(fā)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)信息化建設(shè)，提高公眾出行服務(wù)水平。

【關(guān)鍵詞】高速公路;視頻監(jiān)控;通信

中圖分類號(hào)： U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0226-003

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬需求分析

伴隨著IP網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的發(fā)展，高清視頻時(shí)代正式來臨。近年來，高清視頻圖像技術(shù)在高速公路廣泛應(yīng)用，較大程度的提高了高速公路的管理及服務(wù)水平，為社會(huì)提供廣泛的出行公眾服務(wù)信息。由于高清視頻圖像的分辨力相當(dāng)于傳統(tǒng)模擬視頻的4倍，其畫面清晰度與色彩還原度均需要龐大的通信帶寬作為支持。而甘肅省高速公路現(xiàn)有的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道是以一路圖像配置2Mbps的傳輸帶寬進(jìn)行分配的，這種分配方式滿足現(xiàn)有的標(biāo)清視頻圖像要求，但不適用于高清視頻圖像網(wǎng)絡(luò)。

甘肅省高速公路監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必會(huì)發(fā)展成為高清視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在這種趨勢(shì)下，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備未來的發(fā)展方向均需滿足高清視頻圖像的傳輸需求。而根據(jù)現(xiàn)有的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)帶寬分析，以各個(gè)收費(fèi)管理所、隧道管理所為單位，每條路段平均擁有150-250路圖像，考慮到監(jiān)控視頻在上傳圖像時(shí)不會(huì)同時(shí)并發(fā)，因此，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)核心匯聚層承載業(yè)務(wù)的帶寬收斂比通常是5比1，也就是本地路段若有150路圖像，監(jiān)控圖像并發(fā)數(shù)為30路圖像，該收斂比同樣適用于高清視頻圖像。按照1920×1080p/60Hz分辨率的高清視頻進(jìn)行估算，每路圖像需要預(yù)配置10Mbps帶寬，那么所屬路段監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道的帶寬算法是：監(jiān)控帶寬=圖像數(shù)×1/5×10Mbp，以150路圖像的路段為例，高清視頻監(jiān)控所需通信帶寬至少為150×1/5×10Mbps=300Mbps.

而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，因?yàn)楫惖卮鎯?chǔ)的存在，該收斂比為1比1，甚至為1比2.

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 通信帶寬分析

收費(fèi)所至省中心帶寬分析

根據(jù)目前視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)帶寬分析，監(jiān)控系統(tǒng)以各個(gè)收費(fèi)管理所劃分子網(wǎng)，以各個(gè)收費(fèi)站的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、外場(chǎng)攝像機(jī)、編碼器、解碼器、存儲(chǔ)設(shè)備等為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)單元，每條路段至省中心的監(jiān)控總帶寬按照同時(shí)調(diào)用30路圖像進(jìn)行平均計(jì)算，各路段的監(jiān)控總帶寬不小于60Mbps。目前監(jiān)控視頻帶寬瓶頸還不是“所-省中心”，60Mbps的帶寬在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中甚至可以傳輸數(shù)量不多的高清視頻圖像。

收費(fèi)所至各收費(fèi)站帶寬分析

收費(fèi)管理所至收費(fèi)站的帶寬大多數(shù)為通信系統(tǒng)“RPR以太網(wǎng)業(yè)務(wù)”，該類業(yè)務(wù)將在業(yè)務(wù)環(huán)內(nèi)共享虛擬通道，在某站業(yè)務(wù)高峰期動(dòng)態(tài)調(diào)整即時(shí)帶寬.以白蘭高速公路收費(fèi)管理所為例，擁有4個(gè)站點(diǎn)的白蘭路環(huán)內(nèi)帶寬為622M，根據(jù)RPR業(yè)務(wù)原則共享帶寬后，每個(gè)站點(diǎn)平均可享受到155M通信帶寬，當(dāng)本路段的其他業(yè)務(wù)達(dá)到高峰期時(shí)，每個(gè)站的監(jiān)控業(yè)務(wù)也可保障100Mbps帶寬。這種動(dòng)態(tài)分配的帶寬在理論上是不存在帶寬瓶頸的，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，卻出現(xiàn)圖像傳輸至分中心就出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，而進(jìn)行接入級(jí)通信帶寬升級(jí)也是治標(biāo)不治本的方法。就算升級(jí)至2.5G通信帶寬，通過動(dòng)態(tài)分配解決了卡頓問題，可是上了高清視頻圖像又當(dāng)如何？還有大多數(shù)收費(fèi)站看本站圖像是從收費(fèi)所平臺(tái)反向取用視頻流，甚至有一路圖像視頻流在傳輸網(wǎng)絡(luò)中被復(fù)用了七次。出現(xiàn)這種問題的站點(diǎn)，升級(jí)通信帶寬到多少才夠用？因此，整改視頻傳輸結(jié)構(gòu)，減少異地存儲(chǔ)，提升三層交換機(jī)背板交叉能力才是目前應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及承載業(yè)務(wù)分析

目前，甘肅省高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以高速公路管理局中心機(jī)房放置的H3C-S7510E及H3C-S9512E核心交換機(jī)作為總網(wǎng)絡(luò)匯接點(diǎn)，通過靜態(tài)路由與OSPF兩種方式匯聚了全省各個(gè)收費(fèi)管理所的收費(fèi)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、隧道監(jiān)控、外場(chǎng)監(jiān)控、區(qū)間測(cè)速、隧道火災(zāi)報(bào)警、PLC控制信息等多種業(yè)務(wù)類型。與之配合的光傳輸通信系統(tǒng)為OSN7500蘭州干線設(shè)備，通過四端口千兆交換功能以太網(wǎng)板，匯接了全省各個(gè)收費(fèi)管理所及隧道管理所視頻業(yè)務(wù)。

其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自表面看，是簡(jiǎn)單的“省中心-收費(fèi)管理所-收費(fèi)站”三級(jí)聯(lián)動(dòng)的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但業(yè)務(wù)類型及IP地址分類混亂不堪，各種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)匯集到一個(gè)大雜燴網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，經(jīng)常可以看到一個(gè)收費(fèi)站擁有三臺(tái)，甚至三臺(tái)以上的視頻監(jiān)控交換機(jī)串聯(lián)。而這些收費(fèi)站在建設(shè)初期，僅有一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，傳輸著單純的收費(fèi)廣場(chǎng)監(jiān)控視頻。隨著后期業(yè)務(wù)需求的增大，建設(shè)過程中為了節(jié)省通信端口資源，同時(shí)不能占用更為重要的收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，只能將各種混雜的業(yè)務(wù)并入原監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)后上傳（如外場(chǎng)監(jiān)控、隧道控制及火災(zāi)報(bào)警、綜合信息平臺(tái)、區(qū)間測(cè)速等業(yè)務(wù)）。IP地址由最初規(guī)劃的10.162.X.X，到后來的10.162.X.X與10.168.X.X共存，到后來的10.162.X.X、10.168.X.X、192.168.X.X、@#$%￥共存，再到如今的“地址還是不夠用，竟然IP地址沖突”，“視頻平臺(tái)為啥兼容，網(wǎng)絡(luò)通的為啥上不了墻”等問題。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

就現(xiàn)在的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)使用情況來看，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)問題主要存在兩個(gè)方面：

3.1 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)老舊

我省目前大部分路段各個(gè)收費(fèi)站分布點(diǎn)多線長(zhǎng)，特別是擁有超過15車道的主線收費(fèi)站，其業(yè)務(wù)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通收費(fèi)站兩倍，但是使用的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)型號(hào)老舊，導(dǎo)致圖像上傳后卡頓。

3.2 網(wǎng)絡(luò)龐大且混亂

目前我省各個(gè)收費(fèi)管理所及隧道管理所視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、區(qū)間測(cè)速、情報(bào)板業(yè)務(wù)、外場(chǎng)監(jiān)控均在同一網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在10.168.X.X地址、10.162.X.X、192.168.X.X等多個(gè)段的地址，各類業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)中共存，互相影響，使得網(wǎng)絡(luò)龐大而混亂，不便于管理。

3.3 IP地址資源不夠用

視頻監(jiān)控系統(tǒng)不同于收費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，編解碼器的數(shù)量較為龐大，最初的各站32個(gè)IP地址的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前的IP地址使用現(xiàn)狀，就新接入的南繞城視頻監(jiān)控系統(tǒng)來看，一條路使用了四個(gè)規(guī)劃段的近1000個(gè)地址。因此重新規(guī)劃各路段監(jiān)控IP地址，同樣需要預(yù)留1000個(gè)地址為基礎(chǔ)使用IP。

3.4 視頻圖像重復(fù)取用

通常我們計(jì)算一個(gè)所的帶寬需求量是按照總圖像數(shù)被同時(shí)調(diào)用的幾率作為收斂比計(jì)算的，而實(shí)際使用當(dāng)中存在異地存儲(chǔ)時(shí)，該收斂比被打破造成了圖像的卡頓。

同時(shí)，還有大部分收費(fèi)站調(diào)取本地圖像，是從遠(yuǎn)端的收費(fèi)所服務(wù)平臺(tái)調(diào)用，這就造成了一路視頻圖像在網(wǎng)絡(luò)中的重復(fù)調(diào)用，帶寬消耗呈幾何增長(zhǎng)。

3.5 平臺(tái)互通問題

大華、中威、宇視、海康、蛙視等多家廠商的平臺(tái)不兼容，使用媒體網(wǎng)關(guān)互通，造成碼流轉(zhuǎn)換過程中圖形實(shí)時(shí)性的損耗，在此不做過多研究討論。

4 優(yōu)化構(gòu)想

隨著我省經(jīng)濟(jì)的快速、穩(wěn)定發(fā)展，國家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入也不斷加大，現(xiàn)我省已經(jīng)建成高速公路3000余公里。因此，甘肅省高速公路必須靠自身的資源和規(guī)模優(yōu)勢(shì)在信息化建設(shè)中起主導(dǎo)作用。而由于歷史的原因，甘肅高速的信息化建設(shè)無論從投入到設(shè)計(jì)規(guī)劃都比較薄弱，和整體需求發(fā)展不相適應(yīng)，從而嚴(yán)重影響了甘肅高速的信息化應(yīng)用水平和管理水平的提高。其中基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)顯得猶為滯后，需要科學(xué)的規(guī)劃和建設(shè)。

因此，在甘肅高速范圍內(nèi)建設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)信息化應(yīng)用提供一個(gè)統(tǒng)一、安全的信息交換平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。首先，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源（用戶、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)等）的集中管理，并使管理標(biāo)準(zhǔn)化、有序化、簡(jiǎn)單化，從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)資源管理的成本。其次，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源更加安全的訪問。最后，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)收費(fèi)系統(tǒng)各信息應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行和集成的基礎(chǔ)。

4.1 優(yōu)化視頻傳輸結(jié)構(gòu)

首先推薦使用OSPF路由協(xié)議組網(wǎng)。目前核心或者匯聚層設(shè)備上建立了過多的靜態(tài)路由，導(dǎo)致路由表過于龐大，從而影響交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，因此OSPF路由協(xié)議的典型環(huán)境便很適合我省高速公路現(xiàn)網(wǎng)。

OSPF是一種分層次的路由協(xié)議，其層次中最大的實(shí)體是AS（自治系統(tǒng)），即遵循共同路由策略管理下的一部分網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。在每個(gè)AS中，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都有自己特定的標(biāo)識(shí)號(hào)。對(duì)于主干（backbone）區(qū)域，負(fù)責(zé)在區(qū)域之間分發(fā)鏈路狀態(tài)信息。這種分層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是根據(jù)OSPF的實(shí)際提出來的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中自治系統(tǒng)非常大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫的內(nèi)容就更多，所以如果不分層次的話，一方面容易造成數(shù)據(jù)庫溢出，另一方面當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都重新計(jì)算一遍自己的路由表，既浪費(fèi)資源與時(shí)間，又會(huì)影響路由協(xié)議的性能（如聚合速度、穩(wěn)定性、靈活性等）。因此，需要把自治系統(tǒng)劃分為多個(gè)域，每個(gè)域內(nèi)部維持本域一張唯一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，且各域根據(jù)自己的拓?fù)鋱D各自計(jì)算路由，域邊界路由器把各個(gè)域的內(nèi)部路由總結(jié)后在域間擴(kuò)散。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某條鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，此鏈路所在的域中的每個(gè)路由器重新計(jì)算本域路由表，而其它域中路由器只需修改其路由表中的相應(yīng)條目而無須重新計(jì)算整個(gè)路由表，節(jié)省了計(jì)算路由表的時(shí)間。

4.2 減少異地存儲(chǔ)

原監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中大量采用集中式存儲(chǔ)，即只在監(jiān)控分中心建立一套監(jiān)控存儲(chǔ)，各收費(fèi)站遠(yuǎn)程調(diào)閱。但實(shí)際實(shí)施中發(fā)現(xiàn)一些收費(fèi)管理所一旦存在收費(fèi)站多、設(shè)備使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備功能弱、視頻源多的情況，采用該設(shè)計(jì)技術(shù)則本地調(diào)閱視頻就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的視頻卡頓現(xiàn)象。

因此我們?cè)诮窈笠曨l國標(biāo)化建設(shè)當(dāng)中應(yīng)推行本地化存儲(chǔ)，即每一個(gè)收費(fèi)站及分中心都建立一套監(jiān)控存儲(chǔ)，各收費(fèi)站及分中心本地調(diào)閱圖像。

4.3 核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化建設(shè)

可以在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)核心層配置兩臺(tái)核心交換機(jī)，在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中使用虛擬化技術(shù)（SDN），保證配置的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。

SDN是Software Defined Network（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的縮寫，顧名思義，這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最大特點(diǎn)就是可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程。

SDN是一種非常新興的技術(shù)，通過增加對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可編程性來革新當(dāng)前偏重靜態(tài)、配置復(fù)雜、改動(dòng)麻煩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN的一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)就是它不屬于某一家商業(yè)公司，而是屬于所有IT企業(yè)和一些標(biāo)準(zhǔn)組織，因此SDN的發(fā)展也可以打破目前一些網(wǎng)絡(luò)巨頭的壟斷并為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展提供動(dòng)力。

傳統(tǒng)IT架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求部署上線以后，如果業(yè)務(wù)需求發(fā)生變動(dòng)，重新修改相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)、防火墻）上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯(lián)網(wǎng)/移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)瞬息萬變的業(yè)務(wù)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定與高性能還不足以滿足業(yè)務(wù)需求，靈活性和敏捷性反而更為關(guān)鍵。SDN所做的事是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的控制權(quán)分離出來，由集中的控制器管理，無須依賴底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)、防火墻），屏蔽了來自底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異。而控制權(quán)是完全開放的，用戶可以自定義任何想實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)則策略，從而更加靈活和智能。

對(duì)甘肅高速監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)核心層進(jìn)行SDN改造后，無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由器反復(fù)進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備本身就是自動(dòng)化連通的。只需要在使用時(shí)定義好簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則即可。如果核心設(shè)備自身內(nèi)置的協(xié)議有問題的時(shí)候，可以通過編程的方式對(duì)其進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)交換性能。

4.4 提升系統(tǒng)抗癱瘓能力

我們嘗試采用一種創(chuàng)新模式，即平臺(tái)對(duì)接編碼器、存儲(chǔ);存儲(chǔ)對(duì)接平臺(tái)、編碼器;編碼器對(duì)接存儲(chǔ)、平臺(tái)的三角模式。這種模式，平臺(tái)、存儲(chǔ)、編碼器這三個(gè)設(shè)備之間，兩兩都是互通的，它的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行能力強(qiáng)，當(dāng)存儲(chǔ)故障的時(shí)候，實(shí)時(shí)視頻流不會(huì)間斷;當(dāng)平臺(tái)故障的時(shí)候，存儲(chǔ)錄像不會(huì)丟失;當(dāng)存儲(chǔ)被拆卸后，錄像能獨(dú)立回放，不需要平臺(tái)支撐，且對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)帶寬壓力很小。這種創(chuàng)新模式要求前端設(shè)備必須支持上聯(lián)雙注冊(cè)，目前市場(chǎng)上主流廠商大部分ipc攝像機(jī)都支持此功能，但對(duì)于即將淘汰于市場(chǎng)的標(biāo)清編碼器來說，解決此問題需要大量的研發(fā)工作。

5 小結(jié)

通過對(duì)視頻監(jiān)控圖像問題的分析，希望可以對(duì)我省視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀有了一個(gè)大致的了解。目前我們面臨的最緊要問題是解決各方平臺(tái)的互聯(lián)互通，至少可以在省中心看到各路段的視頻監(jiān)控圖像。而下一步需要做的就是解決網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)老舊、網(wǎng)絡(luò)龐大而混亂、IP資源不夠用、視頻圖像重復(fù)使用帶寬、等級(jí)保護(hù)等相關(guān)問題。