高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)與研究

趙陽，黃印林，陶國信

（1.貴州省交通信息與應(yīng)急指揮中心，貴州 貴陽 550001；2.貴州中南交通科技有限公司，貴州 貴陽 550018；3.貴州道坦坦科技股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

在當(dāng)前國家積極推動交通運(yùn)輸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，全國各地區(qū)交通運(yùn)輸主管部門正積極開展高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)工作，不斷完善高速公路可視化管理，提高服務(wù)水平，取得了積極成效。但當(dāng)前高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)仍面臨技術(shù)指標(biāo)不統(tǒng)一、設(shè)備位置信息不準(zhǔn)確、視頻質(zhì)量難保障、道路信息延時高等問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，如何在利用新一代信息技術(shù)的同時緊貼政策需要，解決高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)難點(diǎn)，是當(dāng)前路網(wǎng)視頻監(jiān)控改革面臨的最新挑戰(zhàn)。

1 現(xiàn)狀分析

我國各省市原有的高速公路數(shù)字化、可視化管理解決方案大多為獨(dú)立的系統(tǒng)，雖然隨著近年來高速公路視頻監(jiān)控信息化建設(shè)投入的不斷增加，高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能都得到大幅提升，但是由于各省份建設(shè)時間、建設(shè)范圍、建設(shè)功能和技術(shù)能力的不同，已無法滿足當(dāng)前全國高速公路視頻全聯(lián)網(wǎng)、全覆蓋與智能化要求。與此同時，傳統(tǒng)的高速公路監(jiān)控視頻組網(wǎng)模式采用骨干網(wǎng)層層匯聚，受限于骨干網(wǎng)帶寬和最小顆粒度的限制，可以同時調(diào)看的視頻路數(shù)十分有限，難以保障視頻質(zhì)量，在高并發(fā)需求情況下，難以滿足高速公路管理部門以及為社會公眾的服務(wù)需求。因此，積極推動高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)可以進(jìn)一步發(fā)揮高速公路網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度功能，實(shí)現(xiàn)高速公路視頻監(jiān)控設(shè)施的全網(wǎng)互聯(lián)和視頻資源的實(shí)時在線共享，這對于進(jìn)一步促進(jìn)高速公路網(wǎng)的高效運(yùn)營和管理，為人們提供更便捷的出行信息服務(wù)具有重要意義。

2 主要存在問題

在分析我國原有高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)交通運(yùn)輸部對高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的要求，目前高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)主要存在以下難點(diǎn)：

（1）原有已建成的高速公路視頻監(jiān)控體系，在視頻監(jiān)控方案、技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備型號和接口標(biāo)準(zhǔn)等方面均存在不同程度差異，導(dǎo)致其編解碼兼容性、互聯(lián)互通性等普遍存在問題。

（2）目前視頻經(jīng)緯度數(shù)據(jù)由大多由各家業(yè)主自行采集報(bào)送，難免出現(xiàn)采集設(shè)備不統(tǒng)一，偏差答疑不一致情況。

（3）面對大量視頻監(jiān)測資源的同時接入與龐大的用戶訪問量，需進(jìn)一步解決系統(tǒng)高并發(fā)問題。

（4）受設(shè)備、天氣、環(huán)境等特殊的原因，容易導(dǎo)致視頻的質(zhì)量降低，視頻數(shù)據(jù)可用情況差等問題。

（5）在高速公路異常事件識別工作中，信息延時高，實(shí)時性不夠，如何避免路況信息滯后甚至誤報(bào)的情況發(fā)生。

3 概要設(shè)計(jì)

3.1 平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)交通運(yùn)輸部工作部署，高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺按照用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層六層架構(gòu)，圍繞安全、運(yùn)維、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范三套保障體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)如圖1所示?；谠懈咚俟芬曨l管理系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，平臺以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)為支撐，采用“云—管—端”扁平化的架構(gòu)思想，實(shí)現(xiàn)平臺在云端應(yīng)用，滿足高速公路視頻資源的快速調(diào)看和高并發(fā)訪問的要求。底層利用IaaS 基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù)和云服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，形成可擴(kuò)展、高安全、低維護(hù)的存儲資源池和計(jì)算資源池；中間層使用PaaS 基礎(chǔ)平臺相關(guān)應(yīng)用，并融合開源數(shù)據(jù)庫、負(fù)載平衡器、消息中間件等平臺應(yīng)用構(gòu)建信息系統(tǒng)；上層結(jié)合業(yè)務(wù)需求調(diào)用各種SaaS 服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更靈活、更豐富的監(jiān)控視頻聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。

圖1 高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖

3.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

3.2.1 PC 端/APP 訪問流程設(shè)計(jì)

PC 端、APP 客戶端從高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺取流，平臺根據(jù)被訪問的視頻請求判斷是否屬32 k 碼流或1 M 碼流；若為32 k 碼流，訪問流程則為：PC 端/APP 客戶端服務(wù)器將播放地址和防盜鏈發(fā)回給客戶端—向CDN 請求推流信息—CDN 推流。若為1 M 碼流，訪問流程則為：根據(jù)攝像機(jī)ID 查詢視頻云平臺中心管理服務(wù)器—訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取調(diào)用視頻播放地址和鑒權(quán)信息—返回客戶端—客戶端向流媒體服務(wù)器請求視頻流—如果鑒權(quán)通過—視頻上云網(wǎng)關(guān)向攝像機(jī)獲取視頻流—流媒體服務(wù)器發(fā)送所請求的視頻流—客戶端播放。調(diào)看流程圖如圖2所示。

圖2 PC 端/APP 訪問平臺流程圖

3.2.2 微信公眾號訪問流程

微信公眾號訪問高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺根據(jù)被訪問的視頻信息訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取調(diào)用視頻的詳細(xì)參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器返回視頻的詳細(xì)參數(shù)數(shù)據(jù)；平臺接收視頻管理服務(wù)器的返回信息，將播放地址返回給移動客戶端。調(diào)看流程圖如圖3所示。

圖3 微信公眾號訪問平臺流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 分級自適應(yīng)加權(quán)輪詢負(fù)載均衡技術(shù)

為了應(yīng)對大量視頻監(jiān)測資源同時接入與龐大的用戶訪問，帶來的高并發(fā)問題，平臺云端使用了負(fù)載均衡解決方案，通過構(gòu)建虛擬服務(wù)地址（IP），將平臺的云服務(wù)器和容器虛擬成應(yīng)用服務(wù)池，利用智能的調(diào)度算法，根據(jù)應(yīng)用服務(wù)池中節(jié)點(diǎn)的實(shí)時負(fù)載性能動態(tài)的、自適應(yīng)的去調(diào)整當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的負(fù)載性能，確保始終是最優(yōu)的服務(wù)器在提供服務(wù)，滿足平臺高并發(fā)處理能力需求，同時針對用戶訪問量較大的微信公眾號視頻頁面，通過負(fù)載均衡方式將業(yè)務(wù)負(fù)載分?jǐn)偟蕉嗯_云主機(jī)，提升業(yè)務(wù)的處理能力。另外，利用負(fù)載均衡的健康檢查功能，自動屏蔽異常狀態(tài)主機(jī)，將業(yè)務(wù)負(fù)載分配到健康的云主機(jī)上，從而保障業(yè)務(wù)連續(xù)可用。

4.2 視頻質(zhì)量智能化管理技術(shù)

攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是平臺的主要數(shù)據(jù)來源，攝像機(jī)設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量對平臺的正常運(yùn)營有極大的決定作用，為保障平臺的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量，針對視頻監(jiān)控的不同應(yīng)用場景，通過利用視頻質(zhì)量智能診斷技術(shù)，基于自動化圖像分類方法對視頻質(zhì)量異常進(jìn)行識別與診斷，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為視頻質(zhì)量識別模型，實(shí)現(xiàn)視頻質(zhì)量智能化識別，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備不連通、畫面偏色、信號缺失、清晰度異常、亮度異常等故障；同時，根據(jù)攝像頭所在區(qū)域、品牌、故障類型、故障嚴(yán)重程度等不同屬性生成多種統(tǒng)計(jì)圖形報(bào)表，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)的實(shí)時展示和便捷查詢，為管理部門對故障設(shè)備維修，提供詳盡的故障信息，提高了故障設(shè)備維修效率。

4.3 異常事件智能分析技術(shù)

為提高高速公路智能化管理效率，提高公眾出行服務(wù)質(zhì)量，結(jié)合人工智能算法和邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路異常事件的邊緣端識別，圍繞車像、人像、物象進(jìn)行特征識別，提供交通流量、排隊(duì)長度、異常事件（逆行、拋灑物、車道行人、停車、事故等）等實(shí)時分析，并將分析結(jié)果通過“智能分析接口”上報(bào)到平臺，平臺可以根據(jù)攝像機(jī)注冊信息自動上圖標(biāo)定事件位置、查閱及報(bào)警，有效提高了異常事件識別的及時性，且降低傳輸資源需求。

4.4 基于訪問預(yù)測的CDN 視頻分發(fā)策略

采用公共云的架構(gòu)，通過平臺實(shí)現(xiàn)對沿線視頻資源進(jìn)行匯聚接入，利用CDN 技術(shù)將大量的服務(wù)器部署在多個地理位置不同的地點(diǎn)，通過多個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商做分發(fā)，讓用戶從最近的服務(wù)器接收視頻流媒體，從而降低服務(wù)器負(fù)載，實(shí)現(xiàn)平臺的十萬級并發(fā)視頻流能力。

4.5 視頻資源結(jié)構(gòu)化分析技術(shù)

在視頻資源管理過程中引入視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化分析技術(shù)，通過將視頻數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息通過有層級性的、人類易于理解的表達(dá)方式展現(xiàn)出來，這樣在視頻檢索時就能夠按照內(nèi)容層次或者關(guān)鍵信息進(jìn)行檢索，節(jié)約檢索的時間，同時降低視頻數(shù)據(jù)資源的存儲資源要求。

5 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺是以現(xiàn)有視頻資源為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)視頻資源的集中存儲和統(tǒng)一管理，為管理部門和公眾等用戶提供跨行業(yè)、跨區(qū)域、跨部門、跨運(yùn)輸方式的視頻應(yīng)用，以此提升綜合交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測、協(xié)調(diào)聯(lián)動、應(yīng)急指揮、決策分析、出行服務(wù)等業(yè)務(wù)能力，平臺由PC 端、移動端以及微信公眾號三部分組成。

5.1 PC 端系統(tǒng)

高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺PC 端主要實(shí)現(xiàn)功能包括：視頻資源匯聚、視頻云端調(diào)看、錄像回放及下載、在線狀態(tài)監(jiān)測、視頻截圖及管理、視頻資源管理及對接、視頻質(zhì)量智能診斷、地圖展示、事件智能分析、事實(shí)事件、后臺管理、視頻云分發(fā)服務(wù)、視頻資源統(tǒng)一管理規(guī)范，如圖4、圖5所示。

圖4 PC 端登錄界面

圖5 PC 端視頻監(jiān)控功能

5.2 移動端、微信公眾號

移動端主要功能包括樹狀資源目錄、實(shí)時預(yù)覽、視頻回放，如圖6所示；微信公眾號功能包括地圖展示、視頻調(diào)看、實(shí)時事件、路況與預(yù)警、視頻發(fā)布管理，如圖7所示。

圖6 移動端APP

圖7 微信公眾號

6 結(jié) 論

高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)是貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院重大戰(zhàn)略決策，加快推進(jìn)交通信息化、智慧化進(jìn)程的重要舉措，有利于提升各?。ㄊ校┙煌ㄖ悄芑芾硭?、應(yīng)急指揮能力以及社會公眾服務(wù)能力。根據(jù)政策的要求以及對當(dāng)前高速公路視頻云平臺的研究，本文提出的高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)，開展了平臺關(guān)鍵技術(shù)論述，為高速公路視頻云平臺建設(shè)提供參考依據(jù)，對進(jìn)一步促進(jìn)高速路網(wǎng)高效運(yùn)行管理、提升群眾便捷出行信息服務(wù)有著重大的意義。