高速公路IP網(wǎng)絡(luò)的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控以其直觀性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，被高速公路、城市道路及鐵路等交通運(yùn)輸行業(yè)廣泛使用。高速公路管理單位通過機(jī)電系統(tǒng)設(shè)置的閉路電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地對(duì)公司業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，并對(duì)交通突發(fā)事件作出及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。

　　一. 高速公路視頻監(jiān)控的特點(diǎn)和現(xiàn)狀

　　高速公路視頻監(jiān)控主要分兩種，一種設(shè)置于各互通區(qū)，對(duì)互通區(qū)交通流進(jìn)行監(jiān)視；一種設(shè)置于各收費(fèi)站，對(duì)收費(fèi)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)視。根據(jù)各路的管理體制，互通區(qū)視頻一般直接上傳至各路的管理分中心，收費(fèi)站視頻先上傳至各收費(fèi)站監(jiān)控機(jī)房，再與管理分中心之間設(shè)置一定路數(shù)的視頻傳輸通道，在管理分中心的控制下切換上傳。管理分中心還需在管理中心的控制下切換一定路數(shù)到管理中心。

　　目前，各高速公路之間相對(duì)比較獨(dú)立，視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控尚未形成，視頻圖像多采用模擬或數(shù)字非壓縮的方式進(jìn)行傳輸，通過視頻切換矩陣進(jìn)行視頻的切換顯示和錄像。管理分中心采用視頻切換矩陣與各收費(fèi)站的視頻切換矩陣級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行視頻聯(lián)網(wǎng)控制。

　　這種方式在高速公路建設(shè)初期，路網(wǎng)尚未形成時(shí)，對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)管理起到了積極的作用。但隨著高速公路的不斷發(fā)展，區(qū)域路網(wǎng)管理中心建設(shè)的不斷加快，路網(wǎng)多級(jí)視頻監(jiān)控功能需求的不斷提升，傳統(tǒng)模式逐漸暴露了其缺點(diǎn)，如占用光纖資源較多、帶寬得不到有效地利用、系統(tǒng)擴(kuò)建難度較大、不同品牌視頻切換矩陣級(jí)聯(lián)兼容性不好等。

　　采用數(shù)字壓縮視頻傳輸方式，結(jié)合軟件管理下的視頻切換控制，上述問題可以得到很好的解決，并可以在系統(tǒng)中增加其他有用的功能模塊。

　　本文將要探討的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，采用數(shù)字壓縮視頻技術(shù)，基于目前最通用的IP網(wǎng)絡(luò)，在保證圖像質(zhì)量和時(shí)延的情況下，由網(wǎng)絡(luò)中任意一處管理終端控制，可將任意一路圖像傳送至任意一個(gè)顯示或錄像設(shè)備上。

　　二. 高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)

　　軟切換，顧名思義，就是在軟件控制下的視頻切換，與傳統(tǒng)的視頻切換矩陣硬件控制相比，最大的優(yōu)勢(shì)就是可將視頻的輸入單元、輸出單元和控制單元分開，并可在其間增加額外的控制功能，使系統(tǒng)突破以往地域的局限，靈活地對(duì)視頻監(jiān)控進(jìn)行組網(wǎng)。

　　除此之外，由于整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建于IP網(wǎng)絡(luò)之上，系統(tǒng)內(nèi)所有視頻數(shù)據(jù)均采用TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)協(xié)議進(jìn)行傳輸，使系統(tǒng)可以與因特網(wǎng)在內(nèi)的任何一種支持或兼容TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這就使高速公路傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能得到極大擴(kuò)展，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)為廣大道路使用者提供種類繁多、功能齊全的信息服務(wù)。

　　一個(gè)典型的基于IP網(wǎng)絡(luò)的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)如下圖所示：

　　系統(tǒng)由三種功能模塊組成：視頻輸入、視頻輸出和視頻切換控制。網(wǎng)絡(luò)中任意一處視頻編碼器對(duì)應(yīng)一個(gè)視頻輸入，任意一處視頻解碼器對(duì)應(yīng)一個(gè)視頻輸出，視頻輸入和視頻輸出可設(shè)置在系統(tǒng)的任意位置。

　　視頻輸入可以是經(jīng)過視頻編碼的傳統(tǒng)攝像機(jī)視頻源，也可以是帶有網(wǎng)絡(luò)端口的IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻源。

　　視頻輸出可以經(jīng)視頻解碼后接至模擬監(jiān)視器、大屏幕顯示系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)等，也可以在多媒體計(jì)算機(jī)終端上直接顯示和錄像。

　　視頻切換模塊可以設(shè)置在系統(tǒng)的任意位置，并具有設(shè)置好的任意權(quán)限。通常管理中心具有最高權(quán)限，各管理分中心具有中間級(jí)權(quán)限，各收費(fèi)站具有最低權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)具體功能需求，可增加額外的控制權(quán)限，并根據(jù)特殊需求，系統(tǒng)可使任意一處管理終端擁有臨時(shí)或永久的任意一級(jí)控制權(quán)限。系統(tǒng)的靈活性不僅表現(xiàn)于此，任意控制終端在得到權(quán)限許可的情況下可將任意一路視頻圖像切換至任意一個(gè)顯示或錄像設(shè)備上，并能保證視頻圖像的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。

　　“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有非常好的可擴(kuò)展性，以往視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控點(diǎn)非常困難，需要重新敷設(shè)光纜?！败浨袚Q”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)對(duì)于新增加的視頻源只需增加視頻編碼器就可接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)需要切換至任意顯示終端。

三. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

　　這種“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)控制方式，離不開IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議的支持。要實(shí)現(xiàn)上述功能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)管理軟件都提出了相當(dāng)高的要求。

　　首先，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，IP網(wǎng)絡(luò)的最大缺陷就是可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠，甚至網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，導(dǎo)致視頻圖像丟幀、丟包，視頻的實(shí)時(shí)性也得不到保證。出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠的原因很多，有可能是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)帶寬不足，也有可能是網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)傳輸。IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)初衷就是使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未知的不同種網(wǎng)絡(luò)可以互聯(lián)，但只保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并為考慮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。由于近些年來網(wǎng)絡(luò)通道質(zhì)量的不斷改善，IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能也得到極大的提高，但未知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)需求，仍然是制約互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)視頻流的重要障礙。

　　與互聯(lián)網(wǎng)相比，高速公路的通信系統(tǒng)屬于專網(wǎng)專用，各高速公路擁有自己專用的光纖網(wǎng)絡(luò)，鏈路質(zhì)量決不低于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)清晰，網(wǎng)絡(luò)需求也可做到最大限度的確定。所以，高速公路通信系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的幾率很小，只要掌握正確的視頻源布設(shè)位置，進(jìn)行詳盡的視頻顯示、錄像的需求分析，由此設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必定能滿足視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的帶寬要求。

　　合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)離不開合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)字視頻聯(lián)網(wǎng)需要強(qiáng)大的高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的支持，一般在管理中心和分中心處設(shè)置千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，在各收費(fèi)站至少也要設(shè)置百兆以太網(wǎng)交換機(jī)，推薦使用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植继攸c(diǎn)進(jìn)行分析，以確定各節(jié)點(diǎn)交換機(jī)應(yīng)具備的交換容量和背板帶寬，并且各級(jí)交換設(shè)備均需支持組播及虛擬子網(wǎng)（VLAN）協(xié)議。

　　組播協(xié)議可以使視頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的控制下，傳向指定的幾個(gè)顯示或錄像終端，盡可能的少占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，做到“按需傳輸”。VLAN是三層交換機(jī)特有的功能，其可將同一網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按需劃分為不同虛擬子網(wǎng)中去，一方面可以起到網(wǎng)管功能，另一方面可以抑止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴的影響。

　　擁有了合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備并不能保證網(wǎng)絡(luò)中不出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，如果不對(duì)各鏈路數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)控，也無法避免過多視頻圖像需經(jīng)同一鏈路傳輸?shù)炔缓侠淼臄?shù)據(jù)傳輸現(xiàn)象的出現(xiàn)，這就需要一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，對(duì)系統(tǒng)各主要鏈路進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，拒絕不合理的視頻切換，屏蔽不合理的數(shù)據(jù)傳輸。上面講到，高速公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較清晰，不像互聯(lián)網(wǎng)那樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜。雖然“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)可以對(duì)系統(tǒng)中的任意視頻圖像進(jìn)行切換，但在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要分清哪些是必要的視頻數(shù)據(jù)傳輸，哪些是不必要的。并對(duì)每個(gè)鏈路傳輸帶寬進(jìn)行上限控制，帶寬固然是越高越好，但造價(jià)也會(huì)相應(yīng)提高。在保證系統(tǒng)正常使用的情況下，盡量對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬做到合理分配。

　　由于這種方案要求有一套比較完備的網(wǎng)管軟件的支持，并且系統(tǒng)很多功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)軟件的質(zhì)量好壞直接影響系統(tǒng)性能的好壞。

　　另外，還需要注意兩點(diǎn)。一個(gè)是視頻編解碼協(xié)議的選擇，一個(gè)是視頻編解碼器的設(shè)置位置問題。

　　視頻編解碼協(xié)議有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4及H.263/H.264等，MPEG-1壓縮比較小，占用帶寬較大，不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸要求；MPEG-4及H.263/H.264對(duì)于高速公路視頻監(jiān)控來講圖像質(zhì)量不夠，MPEG-2視頻編解碼算法壓縮比大、壓縮質(zhì)量好，視頻信號(hào)速率約為3～4Mbps，分辨率為720×572。

　　由于要保證視頻圖像的質(zhì)量，首先應(yīng)采用視頻編解碼器硬件編解碼，另外視頻圖像經(jīng)過多次編解碼后視頻質(zhì)量會(huì)降低，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免從視頻解碼器輸出的視頻信號(hào)再進(jìn)入視頻編碼器。

　　四. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

　　目前，高速公路通信系統(tǒng)多采用SDH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)可采用MPEG-2視頻編碼技術(shù)及基于IP over SDH的傳輸技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)“管理中心——各管理分中心——各收費(fèi)站”的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控視頻傳輸。

　　為廣大道路使用者開放的道路實(shí)時(shí)視頻瀏覽系統(tǒng)，由于與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，并且網(wǎng)絡(luò)需求未知，需設(shè)置相應(yīng)的瀏覽服務(wù)器，以管理其數(shù)據(jù)傳輸，緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。并且服務(wù)器可以與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連，道路使用者可以使用手機(jī)查詢道路的實(shí)時(shí)視頻圖像。系統(tǒng)還可以通過增加攝像機(jī)、麥克風(fēng)及控制軟件，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源方便的實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議等。很多像這種基于IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在“軟交換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)中可以得到很好的應(yīng)用及擴(kuò)展。

　　綜上所述，基于IP網(wǎng)絡(luò)的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)以其傳輸視頻的可靠性、實(shí)時(shí)性、可控性、安全性及可擴(kuò)展性，成為下一代高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的首選方案。