基于H.264技术的西铜高速公路视频全程监控方案
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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，若不采用先进的监控管理措施，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，在高速公路上部署视频全程监控系统是必不可少的工。全程监控与以往对重点路段的监控是有本质区别的，全程监控系统可以对高速公路交通运行状况进行全范围无盲点监视,能完全整体地掌握高速公路全线运营状况，以便及时发现各种异常情况并采取应急措施，大幅缩短事故反应时间，优化高速公路监管模式，保证高速公路高速、安全、经济地运营和管理。视频全程监控系统中需配置大量的外场监控设备，因而将提高监控系统的建造成本，但是视频全程监控系统具有的技术优势和监管效果，从长远来看，也具有较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。
随着我国高速公路的飞速发展，全程监控系统在高速公路监管系统中的广泛应用，极大地方便了相关部门对高速公路全线运营状况进行监管，有效提升了高速公路的服务质量。同时大量通信设备的使用也增加了监控系统的设计难度。西铜高速公路视频全程监控系统中需要采集公路全线的监控图像,其包括外场摄像机图像、治超图像、收费站监控图像等多路视频、数字信号,大量的信号采集设备和传输设施的使用，因而增加了系统的设计难度，其中包括信号传输带宽限制和视频采集设备的使用等问题。
另外,高速公路视频全程监控系统的数据存储涉及两个方面的内容，一是高速公路全程监控录像信息的存储，二是收费站及广场录像信息、图片和数据等多种类型数据的存储。由于各类数据的保存周期延长，以及高清摄像机的广泛应用，以往硬盘录像机存储模式的应用遇到瓶颈,西铜高速视频全程监控系统的各类视频、数字信号的记录和存储也是本设计的难点之一。
1 H.264技术及其优势
鉴于上述技术难题,本次视频全程监控系统的核心在于H.264视频压缩标准的应用。H.264技术较之以往的（诸如H.263++和MPGE-4等）视频压缩标准具有更高的压缩比和更流畅、清晰的画面质量，值得一提的是对网络传输的管理功能，使得视频压缩与网络传输一体化,其综合性能显著提高。
1.1 核心算法
H.264釆用DPCM加变换编码的混合编码模式是基于块的编码模式，在编码器结构相对简洁的基础上，通过对一些核心算法进行改进，可以获得比H. 263++和MPGE-4更好的性能。由于在运动补偿算法中改进了宏块的划分方式，从而大大提高了运动估计的适应能力；增加了对于小块的运动估计,提高了编码过程中对于细节的处理能力，同时也提高了解码图像的主观质量；而釆用多帧预测方案，则可获得更好的编码效率和解码质量。H.264中采用了一种新的整数变换方法来代替传统的DCT变换，在编码器和解码器中允许精度相同的变换和反变换。另外,使用简单的定点运算，完全避免了由于可变字长等因素所引起的反变换误差。事实上，在H.264中，当编码Intra图像时，采用帧内预测可在空间域上进行预测编码，因而可有效地取出相邻块之间的空间冗余度,从而得到更为有效的压缩效果。
1.2 高低码流传输
西铜高速公路监控系统的视频数据传输可为监控分中心向省监控中心上传8路符合H.264码流标准的高码流（2M）及低码流（200K）H.264编码图像。高码流图像可通过高速公路通信专网提供的网络平台上传至省监控中心、集团公司监控中心、厅应急办等处。高码流图像可以还原到监视器、大屏幕投影上清晰显示，低码流图像则可在计算机上显示，它们均可对路段内图像实现调控。视频发布的视频流数据通常采用H.264低码流（CIF：352X288,25帧/秒/单路,PAL制）编码格式
1.3 网络组播
综合监控视频发布系统采用的网络组播技术可支持网络上多个用户监视同一路视频图像，即监控网络内的多个部门可同时监视接收同一路视频图像，编码器只需发出1路视频码流，而无需向每个终端设备都发送，避免多用户访问同一视频源时造成计算机网络上数据流量的增加。网络组播更大的优点在于多个部门对同一视频的共同关注,从而使得监控系统内部的信息共享、事件的协同处理更加快捷有效。
2 西铜高速的管理模式
2.1 西铜高速的业务机构及职能
西铜高速全程设立了西安北收费站和铜川收费站两个站区，其中西安北所辖站点包括西安北主线站、泾河匝道站等5个站点，铜川收费站下辖铜川主线站、耀南匝道站等5个站点。在各收费站设立的监控室可实时监视各路视频、治超视频及收费监控视频图像;征费室负责依据过往车辆型号等内容进行费用征收;养护办主要维护高速公路各硬件设施的安全运行;办公室负责人员管理、文件收发等后勤保障工作。
2. 2 西铜高速地理空间分布特点
西铜高速公路（含机场专用线）全长115.619公里，南起西安市张家堡，途径西安、泾阳、三原、铜川，终点与铜黄高速公路在铜川川口互通相接，沿线设有肖家村互通、高陵互通等8个互通路段。这些互通路段是交通事故的频发点，因此部署严密的视频监控系统至关重要。西铜高速公路是陕西省省会西安通往陕北地区的大通道，也是陕西省三条南北纵向交通线的重要组成部分。西铜高速是西安通往人文始祖黄帝陵、革命圣地延安的必经之路，被誉为红色旅游路，同时也是一条经济路,承担着陕北能源化工基地对外运输的重要任务,其良好的运营和管理在陕西省的社会经济发展中发挥着不可替代的作用。
3 技术方案
西铜高速公路视频全程监控系统基于数字视频光纤传输平台构建,监控系统由三个子系统构成，分别为交通监控子系统、闭路电视子系统和呼叫服务子系统,三个子系统相互配合，共同实现对路段交通流的有效控制。
3.1 数字视频光纤传输交换平台架构
西铜高速公路视频全程监控系统的数字视频光纤传输交换平台设置在西安北分监控中心，采用高速公路联网监控一体化解决方案。隧道内图像、全程监控图像、收费站广场图像及治超图像都配置有相应的光纤传输模块,各路视频经光纤传输模块汇集到局端汇集交换设备中,并由该设备统一管理输出。由此方案设计的监控视频控制系统图如图1所示，其中光平台的视频输入光接口负责各类治超图像、道路监控图像和监控室图像的接入，对视频交通事件检测器、大屏幕投影系统和监视器墙以及视频编码器提供模拟视频输出，同时低码流视频编码输出至视频以太网交换机，视频信号则通过光纤以太网收发器传至省监控中心。
3.2 大屏图像调度
西铜高速全程监控系统图像调度功能是通过综合视频管理软件来实现的，这也是本次设计的一个亮点。以往的视频调度方法是采用遥控键盘，通过键盘的输入调阅对应的视频图像。这种方法虽然操作简便,但是弊端在于当有多路监控视频时，系统响应时间延长，工作效率会降低。综合视频管理软件主要是通过向监控分中心视频传输平台设备（相当于软矩阵）、收费站视频矩阵、治超所视频矩阵下发指令，从而实现对该视频矩阵所涉及的闭路电视系统的控制，可以实现遥控键盘的各项基本功能，如输入输出切换、摄像机云台遥控、摄像机镜头遥控等。该软件在视频全程监控系统中的使用大大提高了视频调阅的效率而且不会受视频路数过多的限制。
3.3 基于地理信息的视频调阅
西铜高速公路视频全程监控系统在应用软件方面的另一个特点是信息显示软件，该软件可用于显示最新采集的交通量参数及外场设备工作状态数据。监控外场设备以图标形式显示在电子地图的相应位置上，点击相应的图标即可查看设备检测内容、显示内容和状态，如点击遥控摄像机图标，即可显示相应图像。可查询道路沿线机构的情况，在出现车辆故障、交通故障、人员伤亡等情况时可査选附近的管理处、路政大队、医院、消防队等相关机构，以便对事故进行快速处理。
4 结语
高速公路视频全程监控系统的作用主要是通过对高速公路的交通状况进行全面监测，以便于在发生交通事故或恶劣天气状况下，路政人员能对事故进行及时处理并对行驶车辆进行正确疏导。监控系统功能的良好发挥与工作人员及时合理的操作密不可分。在现代高速公路监控系统中，交通信息的发布应力求做到科学化、人性化，应从管理型转向服务型。同时路政管理机构应提升业务管理水平，在努力提升运营效率和服务水平的前提下，节省资源,降低能耗，以使高速公路视频全程监控系统的作用得到良好发挥。
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