基于4G網(wǎng)絡車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與探討

楊艷秋　李仕偉　李寶林

摘要：在城市執(zhí)法中，對重定區(qū)域普遍采用固定網(wǎng)絡監(jiān)控，監(jiān)控覆蓋范圍十分有限。文章結合無線網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢，根據(jù)城市執(zhí)法部門現(xiàn)狀，提出基于4G網(wǎng)絡的車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提高執(zhí)法部門的管理水平和工作效率。

關鍵詞：4G網(wǎng)絡；車載視頻

1現(xiàn)狀分析

近幾年，全國各地發(fā)生的多起執(zhí)法糾紛表明，現(xiàn)場執(zhí)法遭遇的問題已越來越趨復雜化。執(zhí)法部門執(zhí)法的透明度和公正度越來越受到廣大民眾的關注，在應對各類流動性或突發(fā)性事件時，遇的到“取證難”、上級指揮信息溝通難等問題，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）網(wǎng)絡覆蓋不全面。城市治安監(jiān)控點絕大多數(shù)是采用的有線監(jiān)控，且存在很多監(jiān)控盲區(qū)。（2）現(xiàn)場取證難。無法全程記錄執(zhí)法過程，容易引發(fā)執(zhí)法糾紛等。（3）遠程指揮調度難。遠程指揮中心無法獲取執(zhí)法現(xiàn)場具體情況（如照片、視頻信息），影響了重要事件的快速決策與指揮調度。

2車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構

車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計分為端移動取證設備、傳輸網(wǎng)絡、后端中心管理平臺和監(jiān)控指揮中心4部分構成部分，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.1前端系統(tǒng)設計

前端硬件子系統(tǒng)是系統(tǒng)的信息節(jié)點，主要由車載主機、攝像機、GPS模塊、4G天線、駕駛員報警按鈕組成等設備組成。在車頂安裝車載云臺，作為目標攝像機，用于跟蹤拍攝事件關鍵點和采集目標特征信息；在車內安裝一個高清攝像機，作為前景攝像機，用于記錄事件發(fā)生的整體行為過程。音視頻信息通過車載主機進行編碼存儲，同時可通過4G網(wǎng)絡，將信息傳輸至中心管理平臺，實現(xiàn)前后臺的互動。

2.2視頻傳輸網(wǎng)絡

傳輸網(wǎng)絡是系統(tǒng)的紐帶，包含4G無線通信傳輸鏈路和IP固網(wǎng)傳輸鏈路兩部分，4G網(wǎng)絡將不同的固定和無線平臺及跨越不同頻帶的無線網(wǎng)絡連接起來，并支持高速移動環(huán)境下高速數(shù)據(jù)傳輸能力，將前端采集的信息等，由4G無線通信模塊經(jīng)網(wǎng)關送入固網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)前后臺實時信息交互。

2.2.1 4G在無線視頻監(jiān)控領域的優(yōu)勢

在無線車載監(jiān)控應用中，車輛收集的數(shù)據(jù)信息必須依賴無線通信技術，當前無線監(jiān)控采用WIFI、微波、3G等無線接入方式，其傳輸距離小，靈活性差，廣闊區(qū)域覆蓋成本高，帶寬有限等局限性，不具備大規(guī)模廣域視頻監(jiān)控覆蓋能力；4G網(wǎng)絡采用了OFDM（正交頻分復用技術）、MIMO（多輸入多輸出）、AMC（自適應編碼調制）、SDR（軟件無線電）、IPv6等關鍵技術，使得4G網(wǎng)絡可以提供更快的接入速率、更低的時延，這對提高無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及視頻質量非常重要，其主要優(yōu)勢如下：

（1）通信速度更快：傳輸速率是3G網(wǎng)絡的10倍，下行峰值可達100Mbps、上行峰值可達50Mbps，比現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡更加快速、更加穩(wěn)定，該速率可以滿足多監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)傳輸需求，解決無線視頻傳輸速率的瓶頸。（2）全IP核心網(wǎng)：支持有線及無線接入，采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。在高速運動情況下可提供2～100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，利于保證無線視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時性。（3）覆蓋區(qū)域廣：在高速移動時，提供大于100kbps的接入服務，滿足車載視頻的監(jiān)控應用需求。（4）更好的兼容性：4G應該接口開放、能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)、終端多樣化以及能從2G平穩(wěn)過渡等特點，以完成對多種用戶的融合。在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務數(shù)據(jù)。

2.2.2流量控制

雖然4G的帶寬有了很大的提高，但是總體的網(wǎng)絡資源還是比較有限，且資費還比較昂貴，為了節(jié)約4G資費，節(jié)省網(wǎng)絡資源，更好的使用4G網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用流媒體技術解決多路并發(fā)訪問的問題，降低多路并發(fā)訪問給前端4G傳輸造成重復流量和計費，確保每路視頻在任何時候均只輸出1路碼流。

每路視頻需消耗的流量與視頻的分辨率和幀率密切相關，設每路圖像占用x Mb碼流，每天有td，時上傳圖像計算。則每天需要4G流量（上行）Y=xMb/s/8*3600秒*t小時*1天/1024，每路圖像所需4G流量對比如表l所示。

2.2.3網(wǎng)絡安全

4G網(wǎng)絡無線傳播的優(yōu)勢及開放性的特征，無線傳播的數(shù)據(jù)很可能被截取，給一些敏感視頻數(shù)據(jù)帶來一定風險，因此，要保證視頻數(shù)據(jù)在鏈路上的安全性傳輸，主要方法如下：（1）視頻信息加密。對網(wǎng)絡傳輸信息，采用加密措施，包括視頻信號的加密、控制信令的加密，保障信息安全。（2）專網(wǎng)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)通過專網(wǎng)傳輸，與外網(wǎng)物理隔離，避免傳輸網(wǎng)絡遭受攻擊和破壞。（3）防火墻隔離。對監(jiān)控中心服務器平臺網(wǎng)絡接入進行防火墻隔離，只允許指定端口、指定地址訪問指定的服務，防止非法入侵。

2.3后端中心管理平臺

后端中心管理平臺是系統(tǒng)核心所在，其相關設備安裝在監(jiān)控中心機房，主要包括流媒體分發(fā)子系統(tǒng)、集中存儲子系統(tǒng)等構成，它們共同形成數(shù)據(jù)運算處理中心，主要完成各種數(shù)據(jù)信息的交互，集管理、交換、處理、存儲和轉發(fā)于一體，實現(xiàn)視頻實時瀏覽、存儲與視頻轉發(fā)如圖2所示。

2.3.1流媒體分發(fā)子系統(tǒng)

流媒體服務器作為視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最主要的視頻資源管理服務器，用于多客戶端復用相同現(xiàn)場圖像的流媒體轉發(fā)管理，緩解網(wǎng)絡帶寬緊張的區(qū)域。

流媒體服務器負責匯聚視頻監(jiān)控前端、顯示設備、用戶終端調用圖像的流媒體轉發(fā)任務。視頻圖像調用均從流媒體服務器上獲取實時圖像視頻流，流媒體服務器直接訪問前端圖像采集設備，單節(jié)點內部采用流媒體進行視頻轉發(fā)給存儲服務器進行存儲；同時轉發(fā)給客戶端和解碼器，實現(xiàn)視頻流的實時瀏覽。同級別節(jié)點可直接從對方流媒體服務器中獲取圖像，也可以從上級節(jié)點的流媒體服務器轉發(fā)獲取。

2.3.2集中存儲子系統(tǒng)

存儲視頻信息由流媒體服務器轉發(fā)存儲，為確保應急指揮等緊急情況下有效資料的長期保存及統(tǒng)一管理，考慮系統(tǒng)容量、安全性、穩(wěn)定性，流媒體服務器轉發(fā)給存儲服務器的視頻信息，采用磁盤陣列集中存儲方式，并通過磁盤冗余的方式對數(shù)據(jù)提供安全保障。

2.4監(jiān)控指揮中心

2.4.1顯示子系統(tǒng)

顯示子系統(tǒng)主要由解碼器、大屏控制器、大屏顯示器應用軟件平臺等組成，實現(xiàn)對高清視頻及GIS系統(tǒng)圖形的顯示、切換和控制。系統(tǒng)可根據(jù)圖像監(jiān)控的需要設置顯示策略、報警聯(lián)動策略，根據(jù)時間、各種觸發(fā)命令設定各種顯示方式和輪詢方式，以達到對執(zhí)勤車輛的分布情況和事發(fā)現(xiàn)場全面掌握，實現(xiàn)遠程現(xiàn)場指揮調度、快速高效處理各類突發(fā)事件等一系列管理、控制功能。

2.4.2語音對講子系統(tǒng)

語音對講系統(tǒng)是調度指揮系統(tǒng)對于突發(fā)事件進行協(xié)調處理、信息分析以及指令下達的重要工具，實現(xiàn)指揮中心與執(zhí)法人員的直接交流，成為最有效的信息發(fā)布，協(xié)調指揮的手段之一如圖3所示。

在一些突發(fā)情況下，指揮中心需要第一時間對現(xiàn)場人員下達指令。領導和中心工作人員可通過麥克風采集語音信息，經(jīng)過調音臺傳輸至用戶Pc，用戶Pc通過客戶端軟件，將語音信息通過服務器轉發(fā)至現(xiàn)場車載設備上，現(xiàn)場人員通過車載設備內置揚聲器獲取指揮中心發(fā)布的語音指令。

通過拾音器將現(xiàn)場人員的語音信息傳輸至無線車載設備中，經(jīng)過數(shù)字編碼后，通過4G無線網(wǎng)絡傳輸至中心管理平臺的服務器，監(jiān)控指揮中心用戶PC客戶端通過服務器獲取現(xiàn)場語音信息，通過聲卡輸出后至調音臺，調音臺語音信息通過音響進行播放。實現(xiàn)對講的同時，可配合GPS定位和電子地圖，指揮中心可向最近的執(zhí)法人員和車輛下達指令，實施調度，進行遠程指揮和交流。

3系統(tǒng)的主要功能設計

（1）圖像實時傳輸預覽：在執(zhí)法過程中，通過移動4G網(wǎng)絡，車載系統(tǒng)拍攝的畫面可實時上傳監(jiān)控指揮中心，且隨時可遠程調取每前端移動取證終端的實時圖像在大屏或電腦上顯示，能保證現(xiàn)場情況第一時間傳回監(jiān)控中心；能夠在監(jiān)控中心遠程布防、設防、調控前端攝像機角度，監(jiān)控畫面可單/多畫面任意切換預覽。

（2）實時語音對講功能：車載設備內置麥克風及揚聲器，通過平臺與現(xiàn)場人員實現(xiàn)語音對講，進行遠程指揮和交流。

（3）電子地圖與GPS定位功能：在執(zhí)法工作中，對執(zhí)法車輛的位置掌控是不可或缺的。車載監(jiān)控設備內置GPS模塊，在依靠4G無線網(wǎng)絡向中心傳輸視頻的同時，可以將GPS信息直接上傳到平臺數(shù)據(jù)庫中，加上中心平臺的電子地圖功能，可以在電子地圖上看到車輛所在具體位置及車速信息，極大的提高了車輛運行的安全性和調度的便捷性。

（4）實時監(jiān)控執(zhí)行車輛：為了加強執(zhí)行車輛的管理，可限定車輛的行駛路線、區(qū)域范圍、執(zhí)法過程中不能隨意停車。監(jiān)控中心可能預先設定限制的路線及行駛區(qū)域范圍，一旦車輛輛駛出限定的范圍或違規(guī)停放，監(jiān)控中心將自動發(fā)出相應報警信息。

（5）手機監(jiān)控：手機監(jiān)控主要是利用手機終端的移動性，用戶可以隨時在手機或者PAD上調閱感興趣的視頻資源，來解決視頻監(jiān)控以往只能在監(jiān)控中心或者辦公室瀏覽視頻的問題，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

（6）報警聯(lián)動功能：對于執(zhí)法車輛，一旦遇到特殊情況，執(zhí)法人員只要按下報警開關，平臺監(jiān)控中心就能同時收到報警信息，這樣，就能及時地調看前端實時圖像，實現(xiàn)遠程指揮決策。

（7）平臺分級管理：系統(tǒng)采用多級權限控制管理，按實際的管理架構對每個用戶賦予不同的權限和級別，用戶的權限主要分為功能操作權限和設備操作權限兩部分，只有被授權的用戶方可進行操作，權限可以被賦予，也可以被收回。

4結語

隨著4G無線通信技術的發(fā)展，4G車載視頻監(jiān)控將廣泛應用于城管、公安、校車、公交、長運、物流等行業(yè)。