淺談高速公路光纖數(shù)字視頻傳輸管理平臺技術(shù)的應(yīng)用

摘要：高速公路監(jiān)控視頻傳輸技術(shù)經(jīng)歷了模擬傳輸、數(shù)字非壓縮傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化視頻傳輸?shù)入A段。隨著聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控以及信息開放需求的提出，高速公路對于監(jiān)控視頻流的需求也趨于多樣化。在傳輸組網(wǎng)上，視頻傳輸從簡單點(diǎn)對點(diǎn)傳輸向全光無損信號傳輸、多級管理的平臺系統(tǒng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；傳輸與交換；視頻流；多級管理平臺

中圖分類號：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 09-0000-02

一、高速公路監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點(diǎn)

高速公路監(jiān)控視頻主要由收費(fèi)站監(jiān)控圖像、外場道路及隧道監(jiān)控圖像構(gòu)成。收費(fèi)站監(jiān)控視頻包括車道、廣場、收費(fèi)亭等圖像，一般直接傳送收費(fèi)管理所，距離近圖像多，業(yè)務(wù)豐富是它的特點(diǎn)。外場道路及隧道的監(jiān)控環(huán)境比較復(fù)雜，需要在互通、重點(diǎn)路段、隧道內(nèi)以及在高速公路主線上按設(shè)計(jì)要求設(shè)置各類監(jiān)控點(diǎn)。各監(jiān)控點(diǎn)的圖像、云臺控制等信號一般先傳送到就近的收費(fèi)管理所，再經(jīng)通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)控分中心。因此外場監(jiān)控視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、圖像質(zhì)量要求高、數(shù)據(jù)信號種類多、需要多級控制等。

二、高速公路監(jiān)控視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展

高速公路監(jiān)控視頻傳輸經(jīng)過多年的發(fā)展與技術(shù)積累，取得了很大的成績。經(jīng)歷了從早期的利用光端機(jī)直接傳輸模擬和數(shù)字非壓縮視頻，到利用通信系統(tǒng)的E1或IP接口傳輸各類編碼格式的視頻圖像。目前監(jiān)控視頻傳輸系統(tǒng)主要以視頻光端機(jī)+矩陣交換的模式和壓縮視頻編碼IP傳輸模式為主，這種技術(shù)在各路段監(jiān)控系統(tǒng)中被大量采用。隨著視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的提出，國內(nèi)幾個主流視頻傳輸設(shè)備生產(chǎn)廠家又推出了集傳輸和交換于一體的多級監(jiān)控管理平臺產(chǎn)品。

（一）模擬視頻圖像傳輸方式

早期高速公路中的監(jiān)控圖像傳輸方式主要是采用點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式，利用點(diǎn)對點(diǎn)模擬式光端機(jī)將視頻信號轉(zhuǎn)換成光信號，每一路外場監(jiān)控、收費(fèi)圖像通過一芯光纖傳輸。此方式存在調(diào)制信號線性失真、傳輸距離短，組網(wǎng)方式不靈活，不適應(yīng)多級聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備基本無網(wǎng)管功能，系統(tǒng)后期維護(hù)較為復(fù)雜。

由于以上模擬視頻光端機(jī)存在的缺陷，隨著高速公路監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)圖像及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增多，特別是高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的逐步實(shí)施，此種技術(shù)已不滿足目前高速公路的日常業(yè)務(wù)需求。

（二）數(shù)字非壓縮傳輸方式

全數(shù)字節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)是一種新型的光纖傳輸系統(tǒng)，視頻信號采用數(shù)字方式進(jìn)行調(diào)制、編碼和壓縮。通常使用2芯光纖將各節(jié)點(diǎn)連接形成環(huán)網(wǎng)、鏈網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，視頻圖像和音頻、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等信號可以在任意節(jié)點(diǎn)接入。節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)采用數(shù)字時分復(fù)用（TDM）和光纖粗波分復(fù)用技術(shù)（CWDM）相結(jié)合，將視頻圖像及數(shù)據(jù)信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過光端機(jī)在光纖上進(jìn)行多路復(fù)用傳輸。

數(shù)字化的監(jiān)控圖像避免了傳輸過程中的非線性失真，圖像質(zhì)量較好，且多路圖像可復(fù)用進(jìn)一芯光纖傳輸，提高光纖利用率，節(jié)約了光纖資源，采用節(jié)點(diǎn)光端機(jī)級聯(lián)式組網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)無損中繼傳輸。但其仍需要編碼器、視頻矩陣及視頻分配器等設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且其數(shù)字非壓縮協(xié)議各廠家無法兼容互通，無法廣域聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)網(wǎng)管功能有一定局限性。

（三）網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化編碼視頻傳輸技術(shù)

近年來出現(xiàn)的視頻編解碼器是通過現(xiàn)有通信系統(tǒng)接口及通道傳輸視頻信號的設(shè)備，其傳輸?shù)膱D像質(zhì)量主要取決于通信系統(tǒng)提供的接口和帶寬。視頻編解碼器根據(jù)視頻接口形式可分為E1接口和IP接口。通過以太網(wǎng)接口傳輸視頻信號，俗稱網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。通常是使用SDH等通信系統(tǒng)接口外加網(wǎng)橋設(shè)備提供的以太網(wǎng)接口傳輸經(jīng)編碼器壓縮、編碼的視頻信號，編碼方式通常采用MPEG-2、MPEG-4、H.264等幾種。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化編碼技術(shù)采用高壓縮比算法對視頻圖像進(jìn)行壓縮、編碼，使視頻圖像以IP流形式存在。攝像機(jī)出來模擬視頻流經(jīng)過H.264編碼設(shè)備壓縮編碼成高碼流與低碼流，高碼流視頻圖像用于監(jiān)控屏或監(jiān)視器進(jìn)行實(shí)時查看，低碼流直接在存儲設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲。IP視頻流利用IP OVER SDH技術(shù)實(shí)現(xiàn)在高速公路通信專網(wǎng)內(nèi)傳輸。省去視頻切換矩陣及視頻分配器等模擬視頻設(shè)備，可通過管理軟件實(shí)現(xiàn)視頻操作網(wǎng)絡(luò)化（如組播和軟矩陣切換），可通過流媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻圖像面向公眾服務(wù)。通過SNMP（網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)內(nèi)個視頻節(jié)點(diǎn)信號及設(shè)備的管理。

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化編碼圖像傳輸方式還存在一下問題需解決：編碼后的數(shù)字視頻圖像以IP流在通信專網(wǎng)內(nèi)傳輸，對通信系統(tǒng)的帶寬占用較多，易引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，造成通信系統(tǒng)癱瘓；為了保證視頻的實(shí)時性采用UDP協(xié)議傳送視頻流，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時可能出現(xiàn)UDP包數(shù)據(jù)丟失，造成解壓時出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象；由于以太網(wǎng)的突發(fā)特征，當(dāng)一個以太網(wǎng)中數(shù)字視頻流過多時，會造成以太網(wǎng)交換機(jī)的負(fù)載急劇增加，網(wǎng)絡(luò)速度變得很慢，影響其他數(shù)據(jù)的正常交換，嚴(yán)重時會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

三、光纖數(shù)字視頻傳輸管理平臺技術(shù)的應(yīng)用

（一）光纖數(shù)字傳輸管理平臺系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

光纖數(shù)字傳輸管理平臺系統(tǒng)由核心交換平臺和遠(yuǎn)端接入設(shè)備組成。核心交換平臺是系統(tǒng)內(nèi)各級業(yè)務(wù)信號的匯集、切換的中樞和物理承載平臺。它由19”8/12U機(jī)框、高速背板、核心交換單元、網(wǎng)管盤、電源模塊等及部分組成，采用成熟先進(jìn)的電信級以太網(wǎng)交換架構(gòu)，單子架96G高速交換背板容量。交換平臺采用功能盤和接口盤分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有源功能盤集中在機(jī)框前部、無源接口盤集中在機(jī)框后部，接線在機(jī)框后方操作、維護(hù)替換在機(jī)框前方進(jìn)行，提高了工程開通和維護(hù)的便捷性。

遠(yuǎn)端接入設(shè)備分為非壓縮視頻接入模塊和壓縮視頻接入模塊。采用高速光傳輸技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要組建星形、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多路非壓縮視頻、壓縮視頻、控制數(shù)據(jù)和多路輔助業(yè)務(wù)的接入傳輸。

光纖數(shù)字視頻傳輸管理平臺技術(shù)取代了傳統(tǒng)方案中的各級視頻光端機(jī)、視頻編解碼器、模擬視頻矩陣、視頻分配器等設(shè)備。系統(tǒng)集成度高、及接入、傳輸、調(diào)度、管理于一體，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少了線纜數(shù)量和中間環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本、減少了故障點(diǎn)，更為用戶的施工和后期維護(hù)帶來方便，在多級大型聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中尤為明顯。光纖數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)的管理模式、強(qiáng)大的后臺軟件功能，可以輕松的實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、故障檢測、視頻管理、存儲管理、報(bào)警聯(lián)動、用戶管理等多種功能。

（二）目前高速公路視頻傳輸采用光纖數(shù)字傳輸管理平臺方式，與傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)加矩陣的傳輸方式對比，主要優(yōu)勢有

1.組網(wǎng)方式簡單。采用數(shù)字視頻平臺后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為簡單，省去了點(diǎn)對點(diǎn)方案涉及的包括光端機(jī)、矩陣、視頻分配器、硬盤錄像機(jī)、編解碼器等設(shè)備，整個網(wǎng)絡(luò)只包括視頻傳輸設(shè)備和視頻存儲設(shè)備，后端網(wǎng)管可對所有視頻設(shè)備進(jìn)行管理，故障定位可具體到設(shè)備的端口，對后期運(yùn)營管理創(chuàng)造便利條件。

2.多業(yè)務(wù)傳輸平臺。數(shù)字視頻傳輸平臺除了對視頻的傳輸，另外可以負(fù)責(zé)多種業(yè)務(wù)的傳輸通道，包括外場數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、報(bào)警業(yè)務(wù)、廣播業(yè)務(wù)等，充分利用傳輸通道，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)平臺傳輸。

3.便于聯(lián)網(wǎng)。數(shù)字視頻傳輸平臺方案實(shí)現(xiàn)基于通信系統(tǒng)的傳輸，提高視頻的傳輸距離，并大大增加了系統(tǒng)的可靠性。同時采用數(shù)字視頻的傳輸方案可實(shí)現(xiàn)與省聯(lián)網(wǎng)中心的聯(lián)網(wǎng)，后期聯(lián)網(wǎng)的工作簡化得多，只需在聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心增加視頻傳輸平臺設(shè)備即可，而原始方案還需要對分中心矩陣的輸出視頻進(jìn)行編解碼傳輸處理，圖像經(jīng)過多次處理后損耗比較大。

4.先進(jìn)的存儲模式。數(shù)字視頻傳輸方案采用雙碼流設(shè)計(jì)，高速率碼流用于廣播級圖像監(jiān)控，低速率視頻碼流則可應(yīng)用于視頻存儲。視頻存儲采用服務(wù)器、磁盤陣列的存儲方式，這種方式將所有外場圖像經(jīng)過視頻壓縮后直接存儲。服務(wù)器的計(jì)算處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬盤錄像機(jī)的存儲計(jì)算能力，同時磁盤陣列存儲支持RAID的保護(hù)機(jī)制，大大提高數(shù)據(jù)的可靠性，即使數(shù)據(jù)丟失也能恢復(fù)。同時視頻服務(wù)器的存儲便于視頻的聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速調(diào)用。

5.系統(tǒng)調(diào)用與管理更為方便。數(shù)字視頻傳輸方案結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺軟件、存儲系統(tǒng)平臺軟件、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)平臺軟件，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一配置、維護(hù)和管理，實(shí)現(xiàn)用戶分級管理、高視頻碼流調(diào)用、低碼率視頻存儲和數(shù)字軟矩陣功能等。采用客戶端的管理方式，客戶通過終端上的軟件進(jìn)行管理，相對矩陣的控制方式更為靈活方便。視頻控制軟件除了支持硬件矩陣的功能外，還可實(shí)現(xiàn)視頻輪詢、視頻靈活分組、按樁號地址顯示等操作。

（三）光纖數(shù)字傳輸管理平臺在實(shí)際應(yīng)用中依照高速公路機(jī)電管理模式，采用分層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，為高速公路監(jiān)控視頻提供完整的專業(yè)級解決方案

整個管理平臺在邏輯上可以分為三級：省中心、路段中心、收費(fèi)站/隧道所，各級之間通過光纖連接形成星形、聯(lián)形、樹形、環(huán)形獲混合型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。也可以利用已有的SDH、RPR、ASON等通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度、存儲、事件檢測、分發(fā)等功能。

視頻調(diào)度子系統(tǒng)：由管理服務(wù)器、管理客戶端和控制鍵盤組成。完成音視頻數(shù)據(jù)的監(jiān)控調(diào)度、IP矩陣配置管理、OSD字符疊加、PTZ控制等功能。

視頻存儲子系統(tǒng)：由海量存儲設(shè)備、存儲管理服務(wù)器和檢索回放客戶端組成。完成音視頻媒體數(shù)據(jù)的存儲、管理、檢索回放等功能。

視頻事件檢測：由嵌入式事件檢測器、事件檢測客戶端軟件組成。核心部件事件檢測器將視頻圖像分析處理后所得的數(shù)據(jù)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上傳至客戶端。由客戶端軟件負(fù)責(zé)顯示實(shí)時交通信息、交通事件報(bào)警、區(qū)域設(shè)定以及設(shè)備管理等。

視頻分發(fā)：由視頻分發(fā)服務(wù)器和視頻顯示控制客戶端組成。完成對音視頻數(shù)據(jù)的管理、在線實(shí)時瀏覽和控制等功能。

管理平臺采用千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)和高速數(shù)字背板技術(shù)，用戶可方便的對各監(jiān)控中心和收費(fèi)站/隧道所視音頻及輔助信號進(jìn)行任意切換控制，從而實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)字矩陣功能。收費(fèi)亭、車道、收費(fèi)廣場、道路和隧道內(nèi)的視音頻信號可以通過星形、聯(lián)形、樹形、環(huán)形光網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備接入到就近的收費(fèi)站/隧道所。收費(fèi)站/隧道所可在本地進(jìn)行調(diào)度、存儲、控制，同時這些信號也根據(jù)需要傳送到上級監(jiān)控中心，并由上級監(jiān)控中心按權(quán)限進(jìn)行管控。另外，管理平臺還支持包括視頻、音頻、異步數(shù)據(jù)以及對講等在內(nèi)的與高速公路視頻監(jiān)控相關(guān)的各種業(yè)務(wù)信號。

四、結(jié)束語

光纖數(shù)字傳輸管理平臺實(shí)現(xiàn)了前端---監(jiān)控分中心---監(jiān)控中心的無縫連接，做到的監(jiān)控視頻的任意傳輸切換，解決了監(jiān)控系統(tǒng)傳輸圖像數(shù)量多，多級轉(zhuǎn)換和重復(fù)編碼等問題。

隨著高速公路監(jiān)控業(yè)務(wù)要求的不斷提高，視頻傳輸管理平臺應(yīng)在開放性、擴(kuò)展性以及應(yīng)用要求的個性化服務(wù)方面不斷完善。管理平臺系統(tǒng)應(yīng)能夠提供開放的接口和二次開發(fā)能力，以保障后期系統(tǒng)改造加入高清圖像、智能分析等功能的實(shí)現(xiàn)。光纖數(shù)字視頻傳輸管理平臺技術(shù)是高速公路監(jiān)控視頻技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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