高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

胡建科

摘要：文章基于現(xiàn)階段高速公路視頻監(jiān)控管控系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能組成，提出了新的系統(tǒng)架構(gòu)組成方式，并對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的事件檢測模塊框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，以提升高速公路現(xiàn)有設(shè)備利用效率。

關(guān)鍵詞：高速公路;機電工程;視頻監(jiān)控;架構(gòu);優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U412.366 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.043

文章編號：1673-4874（2019）08-0156-04

0引言

隨著現(xiàn)代化水平加快，中國經(jīng)濟實力快速提升，高速公路里程以及車輛數(shù)量逐步增加，而高速公路交通事故傷亡人數(shù)和事故經(jīng)濟損失也在逐年增加。據(jù)統(tǒng)計，中國的交通事故發(fā)生率位居世界第一。現(xiàn)場情況不及時傳達(dá)及現(xiàn)場和不合時宜的救援方案，每年導(dǎo)致全世界由此引起的死亡人數(shù)可達(dá)10萬人。

加快高速公路機電化建設(shè)速度，尤其是對高速公路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步完善，能夠有效地改善這一狀況。國內(nèi)的專家學(xué)者在這方面已有了初步的探索：許振主要著眼于自動化運維技術(shù)在高速收費系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，涉及到了相關(guān)的監(jiān)控和軟件系統(tǒng)，取得了較好的成效，提升了運營效率。趙紅等研究了高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的信號傳輸方向，為應(yīng)對無法架設(shè)光纜有效傳輸?shù)膯栴}，搭建起了無線高清視頻網(wǎng)橋。張文彪探究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。林濤運用現(xiàn)代化計算機技術(shù)，針對丹阜高速公路緊急事件智能處理平臺進(jìn)行了智能化改造，提高了高速公路緊急事件的處理速度。翟娜對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析得出了其應(yīng)用過程中存在的圖像傳輸、運行不穩(wěn)定等問題，并針對此類問題提出了相應(yīng)的解決方案?，F(xiàn)有研究針對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)某類具體問題的產(chǎn)生及解決方案方面已有較多研究，但在涉及到其整體系統(tǒng)架構(gòu)方面的研究仍存在一定空白，尤其是在新系統(tǒng)架構(gòu)組成方式的探索方面仍有大量研究需要補充。

本文對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能組成進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，對常規(guī)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，提出了新的系統(tǒng)架構(gòu)組成方式，重點對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的事件檢測模塊框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，并對其各模塊進(jìn)行拆分闡述。在高速公路已有的各種硬件設(shè)施條件下，對其加以利用整合，從而直接提升高速公路異常事件處置速度，最大限度地降低損失，促進(jìn)交通經(jīng)濟發(fā)展。

1高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)存問題

在高速公路運行管理過程中，為達(dá)到快速、精準(zhǔn)地偵測現(xiàn)場定位及概況并且展開救援部署的目的，在其機電化建設(shè)過程中，建立了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。此外還可以有效地向公路使用者傳達(dá)相應(yīng)信息，以做好應(yīng)對方案，減少二次事故的發(fā)生，盡可能消除不利后果。

然而現(xiàn)階段視頻監(jiān)控系統(tǒng)往往有著較為分離的架構(gòu)方式，處于簡單堆砌的組建階段，在操作上較為繁瑣，在智能化處理以及人機交互方面有欠缺，對實際道路狀況識別場景仍需人工進(jìn)行識別，無法達(dá)到理想化的使用感受。此外，低配硬件設(shè)備限制了視頻監(jiān)控質(zhì)量，也影響了智能化系統(tǒng)的有效應(yīng)用。

2高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述

搭建完整的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，需要具備視頻的采集、傳輸、中央處理模塊。此外，為實現(xiàn)智能化應(yīng)用，還應(yīng)具備專門的智能應(yīng)用模塊。各模塊具備不同功能，而且相互之間的共通性并不多，往往較為獨立，若要完成整體化效應(yīng)，則需注重加強各模塊間的鏈接結(jié)合。

2.1視頻采集模塊

現(xiàn)行的視頻采集模塊硬件設(shè)備通常指攝像機。該模塊是視頻監(jiān)控系統(tǒng)順利運行的必要條件，將會影響到后續(xù)監(jiān)控場景的整體效果，包括視頻清晰度、視頻采集范圍等。為適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，往往也會選擇不同構(gòu)造的攝像機類型，常見的包括球形、槍形、云臺以及半球形攝像機等。攝像機的外形也對其功能組成有著直接影響。

2.2視頻傳輸模塊

在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)視頻采集系統(tǒng)得到的視頻文件將會由視頻傳輸模塊收集到視頻中央處理模塊。每個中央處理模塊一般將會匯集高速公路上百km長度內(nèi)的視頻采集資料。與常規(guī)安全防護監(jiān)控相比，高速公路視頻監(jiān)控范圍整體呈現(xiàn)出狹長帶狀，敵對視頻傳輸模塊提出了更高的要求。

2.3視頻中央處理模塊

視頻中央處理模塊為集成系統(tǒng)架構(gòu)，下布設(shè)有中心管控子系統(tǒng)，主要配備有對監(jiān)控采集視頻的控制、存儲、交換和輸出等多種功能。

2.4視頻智能應(yīng)用模塊

在現(xiàn)今計算機人工智能及處理技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化需求也越來越多。目前較為成熟的高速公路視覺監(jiān)控視頻智能化應(yīng)用有視頻質(zhì)量診斷系統(tǒng)以及高速公路事件偵查系統(tǒng)。例如，視頻質(zhì)量診斷系統(tǒng)指的是通過智能化程序自主判定采集的高速監(jiān)控視頻是否存在閃屏、色差、對焦模糊以及雪花等問題。當(dāng)智能化系統(tǒng)偵測到此類問題時，將會生成對應(yīng)的問題報告并實現(xiàn)提示，從而促使維護人員及時核對并處理問題。

3高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)分析

3.1常規(guī)架構(gòu)類型

目前的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展已接近20年，由最開始的簡單拍攝監(jiān)視設(shè)備發(fā)展到現(xiàn)今的結(jié)構(gòu)化、智能化系統(tǒng)，已經(jīng)日趨完善。以常見的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，如圖1所示。高清攝像設(shè)備獲取的監(jiān)控視頻文件通過光纖傳導(dǎo)至視頻中央處理模塊的監(jiān)控文件集線器。視頻中央處理模塊一般有著對應(yīng)的儲存、控制、解碼、顯示、檢測和管理服務(wù)，上述所有視頻服務(wù)功能都通過視頻交換機處理。該高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，尤其是中央處理模塊聚合交互的典型結(jié)構(gòu)，可以顯著反映此類系統(tǒng)的開發(fā)演變過程，也就是在該系統(tǒng)開發(fā)的各個階段，生成不同的設(shè)備，從而解決具體問題。將所有的問題及對應(yīng)處理設(shè)備功能高度集中，便形成了當(dāng)前的高速視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式。

3.2常規(guī)架構(gòu)的優(yōu)化

現(xiàn)階段的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成了相當(dāng)復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中包含眾多類型的硬件設(shè)備，而且各類設(shè)備數(shù)量多、關(guān)系交錯。如果僅僅從獨立設(shè)備的角度嘗試優(yōu)化整個架構(gòu)系統(tǒng)，很難達(dá)到明顯的優(yōu)化效果。正確的探索方向應(yīng)轉(zhuǎn)移到整體系統(tǒng)的模塊化處理，方可取得較好的結(jié)果。此外，要將模塊化處理的思路進(jìn)行展開，不能單單考慮各模組的物理拼裝組合，更要從各模組在總體架構(gòu)中所承擔(dān)的功能類型著手，才能達(dá)到事半功倍的效果，最終完成高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)升級，如圖2所示?？紤]把原本系統(tǒng)架構(gòu)中的事件檢測模組部分功能與攝像機硬件采集功能相互結(jié)合，從而將隨后的數(shù)據(jù)傳輸存儲包括分析階段作業(yè)轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到均勻分布作業(yè)壓力的目的。此外可以把傳統(tǒng)監(jiān)控架構(gòu)中的分散功能轉(zhuǎn)移到綜合集成平臺，達(dá)到與上述優(yōu)化方式同樣的目的，促進(jìn)整體系統(tǒng)架構(gòu)高效運轉(zhuǎn)。

4事件檢測模塊架構(gòu)優(yōu)化

4.1常規(guī)檢測模塊后置架構(gòu)

高速公路視頻監(jiān)控事件檢測模塊下設(shè)有子系統(tǒng)視頻事件檢測系統(tǒng)，用于對攝像機硬件拍攝的監(jiān)控視頻文件進(jìn)行智能化處理，從而偵測出非常規(guī)因素，并產(chǎn)生提示性信息。常規(guī)架構(gòu)中往往將該子系統(tǒng)后置，如圖3所示。在此方案中，攝像機硬件僅提供監(jiān)控拍攝，獲取視頻文件并傳輸至后端的作用，隨后視頻文件經(jīng)傳輸系統(tǒng)抵達(dá)監(jiān)控中心處理中心，經(jīng)事件檢測模塊處理后，由檢測控制終端接收電子信號。

4.2檢測模塊前置架構(gòu)

高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的常規(guī)事件檢測模塊架構(gòu)對整個監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的后端服務(wù)器運算能力有著很大的依賴性，具體體現(xiàn)在利用計算機視覺算法對監(jiān)控視頻文件進(jìn)行處理計算，從而得出非常規(guī)事件的運算結(jié)果，進(jìn)而上報并進(jìn)行提示。而后端服務(wù)器運算能力占用量關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行速度，并且考慮到現(xiàn)行攝像機硬件均可達(dá)到數(shù)字信號導(dǎo)出的要求，而數(shù)字信號的計算機計算處理可行性較高。因此，實現(xiàn)檢測模塊的前置化可行性很高，即將非常規(guī)事件視覺運算模組添加至攝像機硬件中，從而降低后端服務(wù)器的運算壓力，其具體示意情況如圖4所示。上述檢測模塊前置架構(gòu)在城市道路中已有了一定的嘗試，出現(xiàn)了攝像機硬件智能化的先例。但在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用仍很鮮見，并未實現(xiàn)大范圍的應(yīng)用。這是因為城市道路視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需監(jiān)測的各類非常規(guī)事件較為復(fù)雜，所需的計算量更大，對后端服務(wù)器的壓力影響明顯，包括變道、闖紅燈以及壓線等行為;而常規(guī)高速公路中的行駛環(huán)境則較為平穩(wěn)，所需計算量較小，這也導(dǎo)致了高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的不完善。隨著高速公路機電化、智能化要求的不斷提高，以往的檢測模塊后置架構(gòu)已逐漸落后。

5中央處理模塊架構(gòu)優(yōu)化

高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的中央處理模塊有著很高的架構(gòu)設(shè)計要求，它需要接入前端攝像機硬件設(shè)備導(dǎo)入的不同模式的信號，并對其進(jìn)行計算處理，最終輸出計算結(jié)果。傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)通常由攝像機硬件設(shè)備、交換設(shè)備、解碼設(shè)備、存儲設(shè)備、拼接設(shè)備以及處理軟件等多個模塊組合而成。為滿足高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化、快速化的要求，可將其規(guī)整化為集成中央處理模塊，提供一種集合文字、音頻、視頻及其它各類數(shù)據(jù)的綜合性平臺。還可為其設(shè)計專門的網(wǎng)絡(luò)接入，設(shè)計齊全的輸出接口和通用管理接口，實現(xiàn)各功能高度協(xié)調(diào)配合。

6結(jié)語

本文著眼于現(xiàn)階段高速公路視頻監(jiān)控管控系統(tǒng)不完善的現(xiàn)狀，對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能組成進(jìn)行闡述，對常規(guī)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，提出了新的系統(tǒng)架構(gòu)組成方式，重點對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的事件檢測模塊框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，并對其各模塊進(jìn)行拆分闡述。高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)總體上是一個整體性結(jié)構(gòu)，但在必要的時候仍需保證個別設(shè)備處于獨立的工作模式，例如前置檢測模塊的架構(gòu)。在實際應(yīng)用中要針對性地加以選擇，以實現(xiàn)提升高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體運行快速化、準(zhǔn)確化的目的。