基于無損光網(wǎng)絡(luò)的高速公路高清視頻改造方案分析

胡曉剛

（福建省高速公路集團有限公司三明管理分公司，福建 三明 365000）

1 高速公路高清視頻改造的背景

1.1 高清視頻改造的目的及意義

根據(jù)《交通強國建設(shè)綱要》及《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等關(guān)于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及養(yǎng)護的要求，模擬標(biāo)清視頻在圖像清晰度、智能化應(yīng)用、可監(jiān)測性等方面已極大制約了高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的深度應(yīng)用，無法滿足在視頻上云、智慧高速等場景的視頻應(yīng)用需求，因此針對模擬標(biāo)清視頻系統(tǒng)的數(shù)字高清改造顯得尤為迫切。

1.2 模擬視頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問題

福建泉三高速三明段于2008年12月通車，早期模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用模擬攝像機、模擬視頻光端機、視頻分配器、字符疊加器、硬盤錄像機、模擬矩陣、H.264 編解碼器等設(shè)備實現(xiàn)圖像采集、傳輸、后端控制、存儲等功能。后期針對模擬視頻系統(tǒng)的不足，利用混合型硬盤錄像機具有的字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、云臺控制等功能，對原先的視頻矩陣、字符疊加器等設(shè)備進行集成替代改造，優(yōu)化并提升整體性能，但仍無法彌補相較于高清視頻系統(tǒng)的差距[1]。

2 高清視頻整體改造思路

以福建泉三高速三明段高速公路高清視頻監(jiān)控改造方案為例，提出山區(qū)高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化高清改造整體方案，包括前端視頻設(shè)備、視頻傳輸系統(tǒng)、后端視頻系統(tǒng)的改造思路。

2.1 前端視頻設(shè)備改造思路

前端攝像機采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，200 萬像素、1080P 分辨率，IP 前端編碼模式。云臺及槍式攝像機采用星光級低照度機型，半球攝像機集成定向拾音功能。

2.2 視頻傳輸系統(tǒng)改造思路

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機采用全IP 視頻模式，對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率、穩(wěn)定性的需求急劇增加。結(jié)合福建省高速公路實施的光傳送網(wǎng)（OTN）建設(shè)，考慮到其具有低時延、超長距傳輸、超大容量、彈性帶寬等優(yōu)勢，此次改造采用光網(wǎng)絡(luò)星型組網(wǎng)，收費站作為局端數(shù)據(jù)點，遠端數(shù)據(jù)在此匯聚后通過OTN ONU 設(shè)備接入OTN光域傳輸，使隧道、收費亭、收費站機房及匯聚中心的數(shù)據(jù)連接為一體，數(shù)據(jù)傳輸高效穩(wěn)定。

2.3 后端視頻系統(tǒng)改造思路

視頻網(wǎng)交換機采用光口互聯(lián)，取代原有“光纖收發(fā)器+電口”傳輸模式，并對核心交換機端口數(shù)量、數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)能力等方面進行性能提升，避免關(guān)鍵節(jié)點出現(xiàn)性能短板。

3 隧道視頻高清改造方案

3.1 隧道視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

3.1.1 現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

泉三高速三明段下渡隧道視頻網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

圖1 隧道視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.1.2 前端視頻設(shè)備現(xiàn)狀

前端設(shè)備采用標(biāo)清模擬槍式攝像機，分辨率752×582，像素43.8 萬，因分辨率有限，無法看清隧道內(nèi)環(huán)境的細節(jié)情況。在低照度情況下，圖像產(chǎn)生大量噪點。

3.1.3 視頻傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

每3 臺攝像機通過同軸電纜接入一臺模擬視頻節(jié)點光端機，每3 臺光端機串聯(lián)通信，與部署于機維站中心機房的接收光端機組成一條視頻傳輸鏈路。因采用串聯(lián)通信，設(shè)備單點故障會因干擾影響鏈路穩(wěn)定。

3.1.4 后端視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

模擬視頻圖像接入中心機房內(nèi)的混合硬盤錄像機模擬通道，通過其實現(xiàn)視頻字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、前端攝像機控制等功能。

3.2 隧道視頻高清改造方案

3.2.1 隧道視頻高清改造后網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

下渡隧道視頻改造后的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 隧道視頻系統(tǒng)改造后網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.2.2 前端視頻設(shè)備改造

前端設(shè)備采用200 萬像素星光級高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機，1920×1080 分辨率，夜間低照度環(huán)境下可實現(xiàn)隧道彩色清晰畫面監(jiān)控。

3.2.3 視頻傳輸系統(tǒng)改造

前端傳輸系統(tǒng)由模擬視頻光端機改為SFP 光纖收發(fā)器，并由級聯(lián)傳輸方式改為點對點光傳輸方式，即每路攝像機通過雙絞線接入一臺SFP 光纖收發(fā)器發(fā)射端電口，光纖收發(fā)器獨占一芯光纖傳輸至隧道口機房，使用SFP 光模塊接入隧道口機房的全光視頻以太網(wǎng)交換機光口。對于遠端數(shù)據(jù)點的視頻，以太網(wǎng)交換機通過光纖互聯(lián)至就近局端的三層視頻網(wǎng)交換機[2]。

此方案傳輸距離由原有長距離傳輸至中心機房改為就近傳輸至附近收費站機房，傳輸距離縮短，避免長距離傳輸光功率損耗過大，在傳輸?shù)陌踩浴⒈Ｗo性及穩(wěn)定性上得到進一步保障。全光視頻以太網(wǎng)交換機作為接收端，不采用獨立的光纖收發(fā)器接收端，將安裝空間由42U 機柜優(yōu)化至2U，極大節(jié)省空間緊湊的隧道機房內(nèi)的空間；采用SFP 標(biāo)準(zhǔn)型光模塊，避免了不同品牌設(shè)備的匹配問題，后期不受制于單一品牌，便于維護[3]。

3.2.4 后端視頻系統(tǒng)改造

前端視頻數(shù)據(jù)傳輸至就近局端收費站視頻網(wǎng)三層交換機后，通過OTN ONU 設(shè)備由干線傳輸至后端機維站中心機房OTN OLT 設(shè)備，光纖互連至中心級匯聚視頻網(wǎng)三層交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

數(shù)字硬盤錄像機將隧道高清攝像機添加進IP 通道進行管理，視頻圖像數(shù)據(jù)通過IP 組播流獲取，實現(xiàn)視頻圖像存儲、調(diào)取、預(yù)覽、控制等功能。

4 收費站視頻系統(tǒng)高清改造方案

4.1 收費站視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

4.1.1 現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

泉三高速三明段永安北收費站視頻系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。

圖3 收費站視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

4.1.2 前端視頻設(shè)備現(xiàn)狀

廣場云臺采用720 TVL 模擬標(biāo)清球機，57 萬像素，12 倍光學(xué)變焦。模擬圖像質(zhì)量較差，尤其在夜間低照度環(huán)境下因圖像噪點導(dǎo)致收費廣場圖像模糊，夜間使用較為不便。收費車道采用模擬標(biāo)清車牌識別系統(tǒng)，票亭內(nèi)反監(jiān)控圖像采用模擬半球攝像機。

4.1.3 視頻傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

廣場云臺通過點對點模擬視頻光端機傳輸至收費站通信機房。收費車道采用同軸電纜將音、視頻信號匯總至島總機柜，再通過點對點模擬視頻光端機上傳至通信機房。

4.1.4 后端視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

硬盤錄像機安裝于收費站機房，模擬視頻圖像接入混合硬盤錄像機模擬通道實現(xiàn)字符疊加、視頻編碼、錄像存儲、前端控制等功能。

4.2 收費站視頻高清改造方案

4.2.1 收費站視頻高清改造后網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

永安收費站改造后的視頻網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖4所示。

4.2.2 前端視頻設(shè)備改造

廣場云臺采用200 萬像素星光級網(wǎng)絡(luò)高清球機，1920×1080 分辨率，32 倍電子變焦，實現(xiàn)物體局部細節(jié)捕捉，低照度下畫質(zhì)提升。車道車牌識別系統(tǒng)采用300 萬像素高清車牌識別攝像機。票亭反監(jiān)控視頻設(shè)備采用200 萬像素高清半球攝像機，并集成定向拾音功能，實現(xiàn)音、視頻同步數(shù)字化傳輸。字符疊加器采用數(shù)字字符疊加器，可通過web 頁面進行管理及配置。

4.2.3 視頻傳輸系統(tǒng)改造

廣場云臺圖像傳輸仍利用原有光纜路由，將模擬視頻光端機改為光纖收發(fā)器上傳。車道及票亭視頻設(shè)備通過雙絞線接入票亭內(nèi)的新增視頻網(wǎng)二層以太網(wǎng)交換機，再通過雙絞線匯聚至島總機柜的車道級視頻網(wǎng)三層交換機，光纖上聯(lián)至收費站通信機房內(nèi)局端三層視頻網(wǎng)交換機，實現(xiàn)收費站視頻圖像上傳[4-5]。

4.2.4 后端視頻系統(tǒng)改造

收費站三層視頻網(wǎng)交換機作為局端匯聚點，匯聚附近隧道及本站的視頻數(shù)據(jù)后，通過OTN ONU 設(shè)備由干線傳輸至后端機維站中心機房OTN OLT 設(shè)備，光纖互連至中心級匯聚視頻網(wǎng)三層交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

數(shù)字硬盤錄像機安裝于本站機房，數(shù)字硬盤錄像機將隧道高清攝像機添加進IP 通道進行管理，視頻圖像數(shù)據(jù)通過IP 組播流獲取，實現(xiàn)視頻圖像存儲、調(diào)取、預(yù)覽、控制等功能。

4.2.5 中心級視頻系統(tǒng)改造

局端視頻數(shù)據(jù)通過OTN 傳輸至中心機房，光纖互聯(lián)至中心級視頻網(wǎng)三層交換機。中心級視頻網(wǎng)交換機采用核心匯聚級交換機硬件配置，以滿足高清視頻系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)需求。

5 結(jié)語

基于無損光網(wǎng)絡(luò)的高速公路高清視頻改造，升級前端設(shè)備性能，提升圖像質(zhì)量的同時，對視頻傳輸系統(tǒng)及后端視頻系統(tǒng)也進行了設(shè)備改造、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合OTN 技術(shù)，采用無損光信號傳輸技術(shù)，就近傳輸，使整體高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定。

數(shù)字化高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)既是完善高速公路可視化、智慧化管理的硬件保障，也是提升高速公路服務(wù)水平的重要方面，既是做好高速公路“一張網(wǎng)”運行與服務(wù)保障的迫切需要，也是加快推進“可視、可測、可控、可服務(wù)”的高速公路運行監(jiān)測體系建設(shè)的重要組成部分，更是滿足人民群眾出行需求的必要路徑。全面提升高速公路信息化、智能化水平，提高出行服務(wù)保障能力，切實增強人民群眾的獲得感、幸福感和安全感。