高速公路特長隧道中高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

摘 要：在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)方面，高清視頻監(jiān)控技術得到了廣泛應用?，F(xiàn)以一座超過10 km的特長隧道和一個隧道群配置高清視頻監(jiān)控設施項目為例，詳細介紹了視頻監(jiān)控設計的具體方案，為今后特長隧道和隧道群的監(jiān)控設計提供了參考。

關鍵詞：高清視頻;高速公路;特長隧道;監(jiān)控系統(tǒng)

1 項目背景

隨著高速公路規(guī)模不斷擴大，客貨車數(shù)量呈爆炸式增長。山西省受地域影響，特長隧道較多，隧道內(nèi)環(huán)境特殊，其設備較一般公路上的同類設備數(shù)量多、種類多樣，管理、維護困難。且隧道中一旦發(fā)生事故，對人員的人身、財產(chǎn)安全都會造成重大損傷，為保證隧道運行安全而對其進行監(jiān)控，已經(jīng)成為現(xiàn)代交通管理的重要環(huán)節(jié)。隨著通信技術及計算機處理能力的快速提高，高清數(shù)字視頻傳輸技術得到廣泛應用，為新時代隧道監(jiān)控提供了基礎?；诖?，本文結(jié)合山西省某高速公路特長隧道及隧道群的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體構架和設計構成，對其進行研究。

以山西某高速公路為例，在其隧道附近設置隧道管理站，所轄隧道管理站管理本路段內(nèi)5座隧道，包含3座長隧道（a/b/d），1座短隧道（c）及1座超過10 km的特長隧道（e）的監(jiān)控設施，其中1座短隧道（c）及1座長隧道（d）因地理位置相近，組成1個隧道群。隧道管理站將相應的視頻、數(shù)據(jù)傳輸至路段管理中心，并受路段管理中心管理。本項目全線采用雙向4車道高速公路標準，設計速度80 km/h。

2 項目架構

本項目依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設施》（JTG D70/2—2014）的規(guī)定進行設備配置，根據(jù)隧道長度、設計年度、預測隧道單洞年平均日交通量等因素計算出各隧道監(jiān)控等級，得出a/b/d隧道近遠期為A級，e隧道近遠期為A+級，c隧道近遠期為B級。

隧道監(jiān)控設備的圖像采用技術參數(shù)不低于200萬像素的高清數(shù)字攝像機，通過環(huán)網(wǎng)交換機及2芯單模光纜上傳到管理中心。所有監(jiān)控圖像通過管理中心的數(shù)字化視頻監(jiān)控軟件平臺進行統(tǒng)一的監(jiān)視和管理，對所轄隧道的視頻進行調(diào)用、解碼、上拼接屏等操作。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)借助攝像機能精準監(jiān)視隧道內(nèi)的交通情況，對隧道內(nèi)的火災、異常等事件予以確認，通過計算機系統(tǒng)的處理及判定，發(fā)布控制指令并及時通知有關部門進行現(xiàn)場調(diào)度或救援，并能為事后分析處理事故提供直接依據(jù)。

3 總體設計

3.1? ? 設計方案

隧道進出口洞外設置高清彩色遙控攝像機，能監(jiān)視隧道洞口區(qū)域的交通狀況，也可用于觀察超高車輛。隧道洞內(nèi)直線段按不大于150 m間距設置彩色固定攝像機，曲線段根據(jù)實際情況適當減小布設距離，實現(xiàn)對隧道全程連續(xù)、無盲區(qū)的監(jiān)視。在各緊急停車帶和車行橫洞區(qū)域，設置1臺球形變焦攝像機，既能監(jiān)視緊急停車帶的交通、車輛情況，又能監(jiān)視車行橫洞的使用運行狀況。在隧道現(xiàn)場設備室機房內(nèi)配備激光夜視球型攝像機，用于上級管理單位監(jiān)視設備室內(nèi)的運行狀況和異常事件確認。

本項目共有460路高清視頻圖像。隧道管理站設置視頻解碼器組、圖形拼接控制器、液晶拼接監(jiān)視器墻、視頻存儲服務器、磁盤陣列、視頻控制工作站、視頻檢測分析儀、控制鍵盤、主監(jiān)視器等。隧道管理站接收的視頻圖像接入視頻交換機，可以經(jīng)過高清視頻解碼器解碼后通過多屏拼接控制器輸出到監(jiān)視器墻顯示;配置視頻檢測分析儀，可以提取信息對異常事件進行分析處理;可以通過視頻服務器和磁盤陣列對所轄范圍內(nèi)的圖像實時存儲，由視頻控制計算機進行管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)構成如圖1所示。

3.2? ? 視頻檢測

視頻檢測系統(tǒng)由以人工智能深度學習技術為核心，基于深度學習技術識別算法的視頻檢測分析儀（含分析處理軟件）、視頻檢測計算機、應用軟件、攝像機及相關的傳輸設備構成。各隧道出洞口、進洞口內(nèi)第1臺固定攝像機，洞內(nèi)緊急停車帶、橫通道前的1臺固定攝像機，每隔1臺的固定攝像機將圖像數(shù)據(jù)上傳至視頻檢測分析儀，作為檢測視頻源。當現(xiàn)場自動檢測到火情（火苗檢測、煙霧檢測），發(fā)生事故或交通事件時，視頻檢測分析儀進行檢測，系統(tǒng)自動報警，并同時對該事件進行自動錄像，時長不少于1 min，系統(tǒng)將這些錄像傳輸存儲到視頻檢測計算機中，可以及時發(fā)現(xiàn)、處理發(fā)生的情況。本項目共有307路檢測視頻源，需配置10臺32路視頻檢測分析儀。

3.3? ? 視頻傳輸

隧道洞外高清彩色遙控攝像機、隧道洞內(nèi)主線高清固定攝像機及車行橫洞處的高清彩色/黑白日夜型球型攝像機，通過6類網(wǎng)線與千兆環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機一對一相連，每個變電所及水泵房配置的4個激光夜視球型攝像機通過6類網(wǎng)線與1臺千兆環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機相連，每個環(huán)網(wǎng)在傳輸穩(wěn)定的原則下，按照不超過40路圖像的基礎進行配置。

所有隧道的視頻圖像通過和攝像機相連的千兆環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機構建的24芯單模光纖環(huán)網(wǎng)上傳到隧道管理站的光纖配線架，再通過每個隧道環(huán)網(wǎng)的千兆環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機匯聚上傳至視頻監(jiān)控交換機。

3.4? ? 視頻顯示

每個環(huán)網(wǎng)的工業(yè)交換機上傳視頻圖像至隧道管理站的視頻監(jiān)控交換機匯聚，高清視頻解碼器對視頻進行解碼后通過多屏拼接控制器在46寸4×11的液晶拼接屏上顯示出來。日常管理多以隧道洞口、人行橫通道前、緊急停車帶處的視頻圖像在監(jiān)視器墻上進行一對一顯示，其他路視頻則按照4畫面4輪回的原則顯示;出現(xiàn)報警時，多屏拼接控制器通過網(wǎng)絡連接多個應用系統(tǒng)，傳輸并合成計算機網(wǎng)絡圖像以合適的圖像大小及分辨率顯示在監(jiān)視器墻上。

3.5? ? 視頻存儲

視頻存儲可以方便各用戶通過網(wǎng)絡隨時調(diào)用及查取錄像資料，并對歷史圖像進行調(diào)看回放。

本項目460路視頻圖像數(shù)據(jù)在隧道管理站的視頻監(jiān)控交換機匯聚后寫入存儲設備，磁盤陣列實時存儲所有圖像，通過視頻服務器對磁盤陣列進行管理，存儲時間應大于30 d。本項目視頻存儲陣列存儲容量擬按照4M/路（存儲分辨率：1 080P）的帶寬，存儲時間30 d的要求配置，考慮硬盤實際容量與標稱容量之間的差值及硬盤的損耗，按照冗余容量1.2倍計算磁盤容量：（4M/路÷8 Byte/Bit×3 600 s×24 h×30 d×460路）÷1 024÷1 024≈569 TB。

3.6? ? 視頻控制

視頻服務器、視頻存儲陣列連接在視頻監(jiān)控交換機上，可由視頻控制計算機進行控制。隧道管理站任意一臺計算機只要具備權限，就可以在計算機監(jiān)視屏幕上以圖像放大、縮小、全屏顯示及停止軟解壓等方式監(jiān)視上傳的監(jiān)控圖像。多臺計算機可以同時監(jiān)視同一攝像機圖像;一臺計算機可同時監(jiān)視多個隧道攝像機的實時圖像，在計算機顯示屏幕上多畫面分割顯示;可抓拍并保存計算機屏幕上顯示的視頻圖像;視頻控制計算機可對局端接入設備和監(jiān)控系統(tǒng)的遠端接入設備進行控制，包括切換上傳控制、遙控攝像機的云臺控制等。為提高道路救援效率，一旦片區(qū)中心出現(xiàn)報警，觸發(fā)視頻圖像強制顯示的同時，也應將報警圖像在就近的隧道管理站強制顯示，使監(jiān)控人員及時了解報警原因。隧道管理站能對事件觸發(fā)自動調(diào)用顯示，也可以手動調(diào)用。在發(fā)生交通異常事件時，視頻控制計算機能自動控制攝像機調(diào)整到預置位，或自動切換攝像機圖像到監(jiān)視器上進行顯示，或者自動錄像。

3.7? ? 隧道視頻監(jiān)控軟件平臺

根據(jù)現(xiàn)場設備狀況，通過建立標準協(xié)議接入視頻存儲服務器，獲取相關視頻圖像數(shù)據(jù)，為事件的確定與執(zhí)行提供參考依據(jù)。

本項目視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)本路段內(nèi)隧道的監(jiān)控，平臺開放，具有兼容性;系統(tǒng)軟件平臺可靠性高，具備容錯、糾錯能力;隧道監(jiān)控軟件采用模塊化結(jié)構，各模塊化之間平滑過渡。平臺對外接口提供可視化的管理界面和接口;各種標準協(xié)議均可接入;上級平臺實現(xiàn)無縫接入;可實現(xiàn)音視頻的編解碼處理。

4 結(jié)語

隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)為業(yè)主掌握交通狀況和交通控制提供了便利，緊急情況下，用以確認隧道本地設備上傳的信息，監(jiān)視交通異常、消防活動等狀況。因此，為了保證高速公路隧道的正常運行，應該加強對高速公路隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究。

[參考文獻]

[1] 交通運輸部公路科學研究院，北京交科公路勘察設計研究院.高速公路監(jiān)控技術要求（2012年第3號公告）[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 公路隧道設計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設施：JTG D70/2—2014[S].

收稿日期：2021-01-27

作者簡介：朱彥姣（1987—），女，山西太原人，工程師，研究方向：交通機電。