摘要: 针对高速公路交通管理的恶劣环境与技术上的难点,设计基于组播技术的数字网络化监控系统。完成系统方案设计,对系统实现关键技术做了深入探讨。本研究系统最终实现会大大改善高速路的交通状况。
关键词: 高速公路;视频监控;网络化;IP组播
1引言
高速公路与一般公路相比,具有线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点,如不采用先进的管理措施,在交通量大、气候恶劣的情况下,极易发生交通事故和交通阻塞。为此,必须在一些车流量非常大的高速公路上部署全程的监控系统。这些监控系统可实施交通流量和交通运行监视;对关键点进行气象检测;对关键路段实施交通适时控制;及时发现各种异常情况并采取应急措施,保证高速公路高速、安全、经济地运营管理。高速公路道路监控系统是通过沿线的外场设施(摄像机等)及时、准确、完整地收集并预告道路的各类信息,如交通量、事故、路况等,道路管理者通过监控中心的监视(显示)设备直观地了解交通运行状况。在发生交通异常时,能及时确定事故或受阻区域,并实时发布相应的诱导和救援信息。
2 系统原理
高速公路视频监控系统就其功能而言可分为信息采集系统、信息处理系统和信息发布系统,而各系统又由众多具备不同功能的子系统所组成。对于网络级的监控系统,它可分为区域监控中心和路段监控分中心两级。系统在空间上是分布的,其中信息处理系统分布在监控中心和监控分中心,信息采集和信息发布系统均分布在高速公路沿线。因此,高速公路监控系统是网络环境下开放的、智能的分布式复杂信息处理系统。随着计算机网络技术的发展,视频监控逐步向着网络化的方向发展。在网络连接下,在高速公路沿线设置多个监控点,监控各个重要部位的实时情况。摄像机采集到的监控现场的视频数据在本地端进行分析和压缩编码,通过适当的网络协议将编码后的视频码流传送到监控中心。由监控中心对视频信号进行解码、再分析、处理和存储,同时也可以通过远程传输提供给其他终端。
3 系统结构方案
高速公路视频监视系统一般由省监控中心视频监控、片区监控中心视频监控以及监控站(隧道监控站)视频监控三个级别组成,每一级都配有视频控制矩阵,并分别通过图像管理工作站与本地的收费监控局域网相连。各级视频控制矩阵通过级联的方式实现上一级对下一级的控制。基于高速公路工作情况,监控系统采用数字网络监控方案。前端摄像机视频信号通过光端机和光纤传输到监控中心,监控中心的数字硬盘录像机对图像进行录像存储。硬盘录像机通过网络交换机和数字矩阵联网,通过操作数字矩阵可以把前端任意一路摄像机的视频图像调到电视墙上显示输出。数字硬盘录像机还可连入因特网,让授权用户可以在世界上任何一个可以上因特网的地方,观看到高速公路的监控图像。
基于网络的监控系统组成框图。系统主要由前端系统、远程传输系统、控制中心三部分组成。系统拓扑图见图1。
3.1前端系统
前端系统由信号采集设备、可遥控动作设备和视频处理设备三部分组成。信号采集设备包括视频信号及其他模拟量采集设备,例如摄像机、红外/微波报警探测器等。视频处理设备负责把采集到的视频、报警等模拟信号编码压缩成数字信号;同时,把控制中心下发的数字控制命令转化为模拟指令发给机电、报警等前端设备。视频采集一般有两种方法: 一种是基于视频采集卡所附带的二次软件开发包SDK进行。这种方式的优点是应用方便,容易上手,缺点是对硬件的依赖性较强,灵活性差,且功能参差不齐,不能充分满足各种视频应用程序的开发需要;另一种方式是基于VFW(Video for Windows)进行的。VFW是Microsoft公司为开发windows平台下的视频应用程序提供的软件工具包,提供了一系列应用程序编程接口(API),VFW主要由AVICAP、MCIAVI、MSVIDEO、AVIFILE、ICM、ACM等6个模块组成。它的特点是播放视频时不需要专用的硬件设备,而且应用灵活,可以满足视频应用程序开发的需要。
3.2传输系统
传输系统是远程监控系统关键组成部分,负责将各种信号和指令上传下达。在监控系统中用来传输图象信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。这里需要传输数公里甚至上百公里距离的视频信号,所以需要采用光纤传输方式;光纤和光端机应用在监控领域里主要解决了两个问题:一是传输距离,二是环境干扰。由于光纤传输的众多优势以及系统建设成本的持续下降,采用光纤传输的方案成为建设煤矿视频监控系统的主流传输方案。因此本系统传输部分采用视频光端机加光纤点对点的传输方式。使用带一路视频一路数据的视频光端机,在光纤上同时传输视频信号及高速球的控制信号。高速公路的高速球离监控中心距离远,采用光纤传输能保证视频图像的质量。光纤采用4芯的,实际使用1芯,其他的3芯作为备用。
传播支持点对点、广播、组播等多种方式。其他用户可以通过网络访问服务器,指定查看某路上的图像进行远程监控。本系统采用基于IP技术的组播协议。IP组播就是为了解决这个棘手问题而开发出来的。IP组播采用了组地址的概念,把需要视频流数据的用户编入用户组,并利用一些高级的网络协议来确保最经济地利用带宽,把数据通过用户组传递给真正需要的用户。IP组播还能减轻服务器的负担,提高视频服务器应用程序的效率,从而革命性地改变网络的性能,节省大量的网络带宽。
3.3控制中心
监控系统的核心部分,负责整个系统的管理和控制工作。接受监控现场的监视图像、报警信号,对接受的的信息进行存储、管理和视频分析,从而具备自动识别和判断目标的能力,并向现场发送各种遥控设备动作的指令,提供视频服务器功能满足监控网络中其它终端要求。分为以下部分:
3.3.1 显示部分
监控系统的显示部分主要由硬盘录像机的电脑显示器和电视墙里的专业监视器组成。硬盘录像机的电脑显示器上显示XX高速公路的所有监控图像,每一台监视器单独显示一个监控画面,通过数字矩阵设置每台监视器可以轮巡所有的监控画面。
3.3.2 记录部分
高速公路的监控系统采用数字硬盘录像机进行视频图像的存储。为保证动态图像的质量,本系统以VC++6.0作为编程开发环境, 将视频数据流经过MPEG4的压缩实现视频监控系统中的高效率录像,并且从新的度示范了综合采用以上两种视频采集来方法实现高速公路视频监控系统。每路摄像画面的图像录象25帧/秒,录像信息资料保留30天以上。为了保证录像质量,采用D1(704*576)的录像格式,保证录像图像回放能达到D1的效果,有利于对事件的取证和分析。由于采用D1格式进行录像,所需要的硬盘空间较大,因此我们在数字硬盘录像机上设置移动侦测功能,即监控画面上有物体在移动时,才进行录像存储,以节约硬盘空间,保证录像更储存更长的时间。
3.3.3 控制部分
控制部分由硬盘录像机、数字矩阵和高速球控制键盘组成。在硬盘录像机上通过鼠标操作可以切换本机上的监控画面和控制本机上的高速球旋转、放大等功能。数字矩阵主要是对电视墙上的监视器里的监控图像进行切换,可设置监控图像在监视器里自由切换、程序切换、定时切换等操作。高速球控制键盘主要是配合高速球使用的。控制键盘用来控制高速球比鼠标更方便,通过控制键盘还可调出高速球的菜单,实现高速球的两点扫描、巡航、花样扫描、设置预置点、调用预置点等功能。
4结论
由于本系统采用MPEG-4的视频编码技术,MPEG-4的视频压缩流占用的带宽较小,使得在同一线路上能传输更多路数的视频信号。在传统的利用点到点的传输方式中,也就是分别进行点到点传输,网络的负载不仅大,而且增加发送主机的负载,况且对于象视频这样需要实时传输的数据流,更无法忍受大的延迟。因此本系统利用IP 组播技术传输视频信号,解决了这个问题。从系统的应用来看,运行还是比较稳定的,效果较好。
随着TCP/IP技术与视频编码技术各个领域都得到发展和应用,基于IP技术与图像编码技术的视频监控系统必将在高速公路监控上得到更广泛的应用,并会影响到整个高速路监测系统甚至综合自动化系统的发展方向,超媒体的综合自动化系统在不久的将来将会成为主流。
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