高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)評(píng)價(jià)分析

鄧超

摘要：文章結(jié)合層次分析法原理對(duì)高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，對(duì)5個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化，并對(duì)不同監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判別矩陣，根據(jù)各系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果得出混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)綜合得分最高，而全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)最具發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：高速公路;視頻監(jiān)控系統(tǒng);架構(gòu);層次分析法

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用在高速公路管理中，不僅可以對(duì)高速公路的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以進(jìn)行報(bào)警復(fù)核，輔助監(jiān)控系統(tǒng)提高管理效率。20世紀(jì)90年代，美國(guó)開啟“視覺(jué)監(jiān)控項(xiàng)目”，開始研究將網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能傳感和圖像視覺(jué)分析等技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)在多種復(fù)雜狀況下的視頻監(jiān)控。歐洲在1999年聯(lián)合高校和科技企業(yè)開展視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究，其中一部分功能就是對(duì)交通運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，緩解城市交通壓力。我國(guó)于2002年開始研究視頻監(jiān)控技術(shù)，中科院自動(dòng)化研究所對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位、識(shí)別和跟蹤方面的視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，得到了一種新型的交通監(jiān)控系統(tǒng)。雖然我國(guó)監(jiān)控系統(tǒng)的研究晚于美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，但經(jīng)過(guò)多年的研究探索已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，尤其在信息化和智能化方面得到了較大的提高。

1 層次分析法的基本原理

層次分析法是在20世紀(jì)70年代由美國(guó)數(shù)學(xué)家Satty T提出來(lái)的，是一種可以同時(shí)完成多目標(biāo)多指標(biāo)的決策分析方法。在層次分析法構(gòu)建的模型中，既考慮了定性指標(biāo)，還考慮了定量指標(biāo)，這就可以保證分析結(jié)果的全面性。采用層次分析法進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題分析時(shí)，首先要將問(wèn)題分解成多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并按各指標(biāo)之間的相互關(guān)系劃分層級(jí)，經(jīng)過(guò)全面分析得到層次評(píng)價(jià)模型，綜合對(duì)比后將各評(píng)價(jià)指標(biāo)按重要性進(jìn)行排序。另外，準(zhǔn)確確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值是保證層次分析法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。簡(jiǎn)言之，層次分析法的基本原理就是將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后根據(jù)各指標(biāo)的重要性進(jìn)一步劃分為若干層級(jí)，通過(guò)計(jì)算確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，取權(quán)值最大的作為最優(yōu)方案，選定為最終結(jié)果。

2 研究背景

某省高速公路由交通運(yùn)輸廳通過(guò)設(shè)立高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心進(jìn)行統(tǒng)一管理，開展運(yùn)營(yíng)管理、聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)等工作。通過(guò)高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面管理，下設(shè)高速公路管理公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)管理，設(shè)置監(jiān)控分中心，收集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁咚俟肥召M(fèi)管理中心。綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要組成部分包括省監(jiān)控中心、監(jiān)控分中心和外場(chǎng)設(shè)備等高速公路網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體布置如圖1所示。省監(jiān)控中心對(duì)全省高速公路進(jìn)行管理，并將信息傳遞給上級(jí)管理部門和相鄰省份。監(jiān)控分中心的主要功能是對(duì)所管轄的高速公路的日常運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督，并將數(shù)據(jù)信息、圖像視頻等上傳至省監(jiān)控中心。為了合理選擇高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，采用層次分析法開展評(píng)價(jià)，確定最佳監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)方案。

3 不同監(jiān)控系統(tǒng)量化對(duì)比

3.1 視頻圖像采集

本文視頻圖像采集質(zhì)量采用主觀視頻質(zhì)量評(píng)定，可以完成對(duì)數(shù)字圖像和模擬圖像的評(píng)定。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模大，模擬難度較大，本文以模擬視頻與數(shù)字視頻的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果作為監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，并做適當(dāng)調(diào)整。通過(guò)對(duì)比分析某收費(fèi)站監(jiān)控視頻畫面，經(jīng)過(guò)壓縮處理的數(shù)字視頻圖像質(zhì)量明顯下降。模擬圖像與未經(jīng)壓縮處理的數(shù)字視頻圖像肉眼觀察效果相差可以忽略，可認(rèn)為評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

3.2 占用帶寬

為了分析不同監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中占用帶寬的情況，對(duì)高速公路收費(fèi)車道和收費(fèi)廣場(chǎng)的原始信號(hào)和壓縮信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得出視頻平均壓縮率為147，說(shuō)明數(shù)字信號(hào)可以大大減少帶寬占用。全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)傳輸均采用數(shù)字信號(hào)，因此可以大大減少帶寬占用，是所有監(jiān)控系統(tǒng)中占用帶寬最少的，而其他監(jiān)控系統(tǒng)帶寬消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，均在100倍以上。由于轉(zhuǎn)換非壓縮信號(hào)與模擬信號(hào)所占用的帶寬接近，因此模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中帶寬消耗最大，為全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的300倍以上。

3.3 傳輸距離

模擬/數(shù)字混合監(jiān)控系統(tǒng)收集的信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳遞到上層的光端機(jī)。然而，在數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于受到干擾會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減，縮短傳輸距離的問(wèn)題。而數(shù)字信號(hào)不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，也不容易受到干擾產(chǎn)生衰減，因此全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸距離最長(zhǎng)，可認(rèn)為不受傳輸距離的限制。除全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離不受限制外，其他監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸距離可以達(dá)到100～300 km。

3.4 傳輸時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)延遲主要出現(xiàn)在傳輸介質(zhì)和傳輸設(shè)備上，采用同軸電纜傳輸圖像信號(hào)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)所產(chǎn)生的延遲很小，可忽略不計(jì)。這是由于模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)亩际悄M信號(hào)，不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換或數(shù)字壓縮，因此延時(shí)較小。而對(duì)于模擬/數(shù)字混合監(jiān)控系統(tǒng)和全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，圖像信號(hào)傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的延遲較大。這是由于在圖像信號(hào)傳輸過(guò)程中，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字壓縮，導(dǎo)致產(chǎn)生較大時(shí)延。根據(jù)相關(guān)測(cè)試結(jié)果，傳輸介質(zhì)采用千兆光纖的延遲時(shí)間為500 ms，而百兆光纖延遲時(shí)間為

800 ms。

3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

模擬監(jiān)控系統(tǒng)采用硬盤作為存儲(chǔ)設(shè)備，容量小，不利于調(diào)閱和共享?；旌媳O(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備采用數(shù)字硬盤錄像機(jī)，視頻資源便于調(diào)閱和共享，可有效節(jié)約存儲(chǔ)空間。全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)采用磁盤陣列IPSAN或光盤，與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比容量更大，而且便于檢索查詢監(jiān)控記錄，可有效提高管理效率。

各視頻監(jiān)控系統(tǒng)重要技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

綜合以上對(duì)各技術(shù)指標(biāo)的分析結(jié)果，各監(jiān)控系統(tǒng)分別具備一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集效果最好，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)帶寬消耗最小、傳輸距離不受限制，模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸時(shí)延較小，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間容量最大，且便于檢索查詢監(jiān)控記錄。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次分析

4.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

分析高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立層次結(jié)構(gòu)模型，劃分為最高層、準(zhǔn)則層和最底層三個(gè)層次。層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。最高層定義為目標(biāo)層O，該層只有高速公路監(jiān)控業(yè)務(wù)需求一個(gè)元素。準(zhǔn)則層定義為B，子準(zhǔn)則層定義為C，包括進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，可以劃分為若干層，本模型共包括準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則兩層，其中準(zhǔn)則層包括圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理三個(gè)元素，子準(zhǔn)則層包括占用帶寬、傳輸距離、傳輸時(shí)延三個(gè)元素。最底層定義為P，是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)所提供的所有解決方案。

4.2 構(gòu)造判別矩陣

建立判別矩陣A=（aij）n×n[WTBZ]，按照先在矩陣左上角填寫包含子準(zhǔn)則，然后再將其子準(zhǔn)則分別書寫在矩陣的首行和首列中的原則完成矩陣填寫。評(píng)審專家對(duì)比分析各準(zhǔn)則的重要性，分別進(jìn)行賦值，各元素重要性標(biāo)度賦值如表2所示。

經(jīng)分析準(zhǔn)則層C三個(gè)判別矩陣均滿足一致性檢驗(yàn)要求，均為一致矩陣。

4.3 層次分析計(jì)算結(jié)果

模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)層次計(jì)算示意圖如圖3所示，模擬監(jiān)控系統(tǒng)得分計(jì)算結(jié)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 最佳方案確定

分析表3所列各類視頻監(jiān)控系統(tǒng)的評(píng)價(jià)得分，其中最高分為混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)P2=0.226 4，最低分為模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)P1=0.175 8。這是由于模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式落后，雖然圖像質(zhì)量得分較高，但占用帶寬和存儲(chǔ)處理與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比不具優(yōu)勢(shì)，得分較低。而混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)得分最高，這主要是該監(jiān)控系統(tǒng)雖然在占用帶寬上存在一定的劣勢(shì)，但在傳輸距離與存儲(chǔ)處理方面評(píng)分均高于平均值，尤其在視頻圖像采集方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且傳輸時(shí)延較低，因此總體評(píng)分最高。

另外，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)得分僅次于混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)，評(píng)分結(jié)果為P5=0.226 4，主要原因是由于技術(shù)上還不夠成熟，IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延較大，在視頻圖像采集方面得分也偏低。然而隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)必將是最能適應(yīng)高速公路監(jiān)控要求的監(jiān)控系統(tǒng)，具有較好的發(fā)展前景。因此，結(jié)合以上分析結(jié)果，現(xiàn)階段高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了選擇最適合高速公路運(yùn)營(yíng)管理要求的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用層次分析法對(duì)各類監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)各重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集效果最好，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)占用帶寬最小、傳輸距離最長(zhǎng)，模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸時(shí)延小，全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間容量最大，且便于訪問(wèn)查詢監(jiān)控信息。

（2）通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判別矩陣，全面分析層次分析計(jì)算結(jié)果，確定混合-管理所轉(zhuǎn)換非壓縮監(jiān)控系統(tǒng)為最佳視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是最具發(fā)展前景的監(jiān)控系統(tǒng)。

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