高速公路運營高清視頻監(jiān)控技術(shù)探析

閆靜斌

摘要 為了保證人們的交通出行安全，快速處理交通事故，我國高速公路使用了高清視頻監(jiān)控技術(shù)。文章首先論述了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，然后闡述了高清視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用必要性與優(yōu)勢特點，重點探討了高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用方式，最后依托某一高速公路工程案例，闡述了高清視頻監(jiān)控技術(shù)在高速公路運營管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高速公路；運營；高清視頻；監(jiān)控技術(shù)；案例

中圖分類號 U495文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0013-03

0 引言

最近幾年，隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提高，人們在生活與工作中越來越廣泛地使用視頻監(jiān)控技術(shù)，獲得了很多便利，相應(yīng)地，在高速公路運營管理中，也廣泛使用視頻監(jiān)控技術(shù)，可及時了解與全面掌控高速公路的交通運行情況，確保人們的出行安全?；诖耍撐木透咚俟愤\營視頻監(jiān)控技術(shù)展開探討，以供大家參考。

1 高清視頻監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)比較，高清視頻監(jiān)控技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢：一是具有較強的可擴展性與靈活性。引用數(shù)字化存儲技術(shù)與視頻壓縮技術(shù)，具有多種不同功能，可對系統(tǒng)進行及時升級與更新[1]。二是遠程化控制。使用高清視頻監(jiān)控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)信息，通過專網(wǎng)監(jiān)控平臺遠程控制各個監(jiān)控子站，實時采集與監(jiān)控各種數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理監(jiān)控信息。三是圖像畫面清晰度高。在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，安有嵌入式一體機與傳感器芯片，拍攝的圖像清晰度可達到1 080 P，動態(tài)記錄高速公路的交通運行狀況與行駛車輛的行駛狀態(tài)，穩(wěn)定性十分強[2]。四是監(jiān)控范圍大。與過去傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，高清視頻監(jiān)控技術(shù)可監(jiān)控更大畫面范圍。目前，高速公路運營管理通過使用高清視頻監(jiān)控技術(shù)，現(xiàn)已獲取較大的集成化和數(shù)字化成效，但在智能化方面依然存在較大的發(fā)展空間。在未來一段時間的發(fā)展中，高速公路視頻監(jiān)控技術(shù)將會繼續(xù)朝著集成化、智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展與深化，因此，為進一步提高我國高速公路的運營管理水平，應(yīng)結(jié)合使用高清視頻監(jiān)控技術(shù)與其他先進的技術(shù)，升級與優(yōu)化海量信息的自動分析能力和視頻圖像自動甄別能力[3]。

2 高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 高清圖像采集設(shè)備

在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，高清圖像采集設(shè)備是重要構(gòu)成部分。該設(shè)備含有多種色彩，分辨率與清晰度高，深入分析監(jiān)控目標(biāo)?，F(xiàn)階段，較常用的高清圖像采集設(shè)備為高清網(wǎng)絡(luò)攝像機與HD-SDI高清攝像機。

2.1.1 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機

利用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機采集的數(shù)據(jù)，因被經(jīng)過壓縮處理，無需封裝，故采用普通網(wǎng)絡(luò)傳輸該數(shù)據(jù)即可[4]。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的占用帶寬小、傳輸距離長，采集的數(shù)據(jù)無需封裝處理。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機存在網(wǎng)絡(luò)安全隱患問題，網(wǎng)絡(luò)運行狀況影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，若高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)對圖像的實時性要求較低，可采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機。

2.1.2 HD-SDI高清攝像機

采用HD-SDI高清攝像機，以某種格式封裝采集的高清信號數(shù)據(jù)，然后傳輸數(shù)據(jù)。HD-SDI高清攝像機可安全、非壓縮傳輸信號數(shù)據(jù)，真實還原圖像畫面[5]。但HD-SDI高清攝像機不能遠距離傳輸數(shù)據(jù)、占用帶寬大，必須借用專用傳輸設(shè)備，方可長距離傳輸數(shù)據(jù)，因此，采用HD-SDI高清攝像機采集的圖像，需進行壓縮處理后方可儲存起來，故HD-SDI高清攝像機的使用成本較高。

2.2 高清視頻數(shù)據(jù)存儲

在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，高清視頻數(shù)據(jù)存儲容量應(yīng)足夠大?，F(xiàn)階段，NVR和IP-SAN是兩種常用的高清視頻存儲方式。所謂NVR，即使用網(wǎng)絡(luò)對攝像機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行接收、存儲與管理網(wǎng)絡(luò)[6]。NVR具有存儲可靠、便于安裝、運行成本低、布設(shè)靈活等多種優(yōu)勢，提高高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。近年來，高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息在不斷增多，為滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運行要求，普通存儲硬盤不再適用，宜使用IP-SAN儲存方式。其中，IP-SAN是一種云存儲方式，使用第三方服務(wù)器分別導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)，具有十分強的集中存儲能力，能集中化管理海量數(shù)據(jù)信息，在長距離數(shù)據(jù)傳輸管理中使用IP-SAN，降低運行成本。

2.3 高清視頻傳輸設(shè)備

采用高清視頻傳輸設(shè)備，將采集的圖形信息傳輸給監(jiān)控中心。高清視頻傳輸設(shè)備大致劃分為兩種類型：①支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)光端機；②支持HD-SDI視頻傳輸?shù)腍D-SDI高清光端機。

2.4 高清監(jiān)視器

在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，采用高清監(jiān)視器，觀察高清圖像采集設(shè)備采集的圖像信息?，F(xiàn)階段，普遍使用的高清監(jiān)視器接口有HDMI、DVI、SDI。在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，要想使用HD-SDI高清攝像機，需配置HD-SDI高清監(jiān)視器。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

各種環(huán)境背景下，為實時處理視頻圖像數(shù)據(jù)，在遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用了可見度測量算法和YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型這兩種關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 可見度測量算法

高速公路經(jīng)常會出現(xiàn)大霧天氣，易發(fā)生交通事故。為根據(jù)各種大霧天氣合理調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)，需測量空氣的可見度。根據(jù)物理學(xué)原理可知，氣象的透明程度是由可見度指標(biāo)衡量的。利用貝爾·蘭伯特定律與光傳輸物理模型，可計算出空氣能見度的變化，故通過圖像特征的耦合變化監(jiān)測與空氣能見度分析，可獲取空氣可見度值。假令空氣水平的水均勻，利用監(jiān)視視頻察看的參考目標(biāo)為絕對黑體，則水平氣象能見度的計算見公式（1）：

（1）

式中，P——氣象能見度；x——觀察點與被觀察物體間的直線距離；Lb——背景亮度；Lt——在觀察點中檢測到的物體亮度。例如，利用CCD視頻設(shè)備觀察被攝物體的亮度與被監(jiān)控圖像的灰度二者之間的關(guān)系，如公式（2）所示：

G=KL+Gdc （2）

式中，G——被攝物體的亮度；Gdc——監(jiān)控視頻設(shè)備內(nèi)暗電流的灰度值；K——監(jiān)控視頻設(shè)備灰度與亮度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

通過分析路邊視頻監(jiān)控設(shè)備收集的實時視頻幀圖像，可獲取圖像灰度Gt、Gb目標(biāo)與周邊背景，然后利用公式（2）可計算出Lt與Lb，利用公式（1）對氣象能見度P進行計算，通過利用氣象能見度間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可對公路路邊實時可見光距離與可見距離進行計算。

3.2 YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型

在公路進行實時監(jiān)控過程中，應(yīng)實時轉(zhuǎn)化監(jiān)控設(shè)備采集的視頻數(shù)據(jù)信息，將其轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)信息，故該文主要選用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法來計算與處理大數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)提取圖像特征信息是公路實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控的重要條件，利用遠程視頻監(jiān)控能否對公路行駛車輛的行為進行精準(zhǔn)判斷與分析，主要取決于圖像特征提取的精準(zhǔn)率?，F(xiàn)階段，在視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)處理中，常采用YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型。在YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型中，1個網(wǎng)絡(luò)單元會為1個對象提供3個不同比例的邊界框，選取與注釋框重疊面積最大的邊界框作為最終的預(yù)測結(jié)果。

在YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型中，共有3個輸出比例，最后對3個比例分支進行了合并。在檢測大物體時使用深特征，在檢測小物體時使用淺特征，故該算法模型可以對比例發(fā)生變化的對象進行檢測。與其他算法檢測模型比較，YOLO-V3檢測模型的運輸速度更快，其中，YOLO-V3檢測模型與其他檢測模型運算速率比較表如表1所示。

通過分析表1發(fā)現(xiàn)，YOLO-V3檢測模型的FPS為35幀/s，檢測速度滿足實時檢測速度要求，故在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用YOLO-V3檢測模型比較合適。采用YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型時，圖像上傳至網(wǎng)絡(luò)中后，圖像尺寸會被調(diào)整。因圖像被分割處理，偏遠路面的尺寸會發(fā)生較大變形，能夠獲得較小行駛車輛的更多特點，有效解決因行駛車輛物體過小而損失部分物體特征問題。在YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)集把“車輛數(shù)據(jù)集”內(nèi)容放入其中進行訓(xùn)練，可獲取車輛目標(biāo)檢測模型。

由此可見，通過采用YOLO-V3網(wǎng)絡(luò)算法模型，對海量圖像數(shù)據(jù)進行處理，能夠獲取更精準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)圖像數(shù)據(jù)，可實時了解高速公路的具體路況，確保公路交通車輛的正常運行。

4 應(yīng)用案例

目前，某一高速公路工程每間隔2 000 m分別布設(shè)1臺固定式攝像機與1臺云臺式攝像機，道路全線外場沿線共布設(shè)300臺攝像機。在發(fā)生交通事故等特殊情況下，采用云臺式攝像機進行細節(jié)性監(jiān)控；采用固定式攝像機進行近距離全景監(jiān)控。

4.1 采用的監(jiān)控模式

4.1.1 云臺式監(jiān)控模式

云臺式監(jiān)控是一種靈活的監(jiān)控模式，在平時監(jiān)控中，通過拉短焦距，能夠進行宏觀監(jiān)控；當(dāng)發(fā)生交通事故等特殊事件時，合理調(diào)整焦距，能夠進行細節(jié)性的監(jiān)控。

該高速公路云臺式攝像機監(jiān)控情況如表2所示。

通過分析表2數(shù)據(jù)可知，該高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本滿足視頻監(jiān)控的一般要求，為滿足特殊情況下的視頻監(jiān)控要求，需對高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行改造與升級。改造與升級時需要考慮以下因素：①交通事件檢測系統(tǒng)接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)后，需根據(jù)交通事件檢測系統(tǒng)的實際情況，綜合考慮檢測范圍。②道路遮擋和道路線形對視頻監(jiān)控效果帶來的影響。③惡劣氣象對視頻監(jiān)控效果帶來的影響。

4.1.2 固定式監(jiān)控模式

固定式監(jiān)控模式采用COMPUTAR H6Z0812AMS型鏡頭。該高速公路固定式攝像機監(jiān)控情況如表3所示。

在固定式攝像機監(jiān)控過程中，將視場角范圍調(diào)至最大、焦距拉至最短時，觀察范圍隨著視軸俯角的加大而變大，視軸俯角達到65°時，觀察半徑范圍為1 045 m，若監(jiān)控范圍為1 000 m，視軸俯角宜采用65°。

5 高速公路運營視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的升級對策

5.1 視頻存儲系統(tǒng)的升級

近年來，我國高速公路管理水平在不斷提高，進而不斷暴露出很多視頻存儲系統(tǒng)存在的問題與不足，如銜接性差、提取速度緩慢和容量小等。鑒于此，為有效提高視頻信息存儲系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性與工作效率，需對視頻存儲系統(tǒng)進行升級改造，即選用先進的數(shù)字大容量保存技術(shù)，逐步取代DVR儲存設(shè)備。為順利升級改造視頻存儲系統(tǒng)，提高公路運行維護的工作質(zhì)量與工作效率，應(yīng)充分利用視頻診斷處理技術(shù)，全面監(jiān)測不同設(shè)備的運行狀態(tài)。

5.2 特殊用途攝像機的使用

通過大量實踐后可知，一旦出現(xiàn)大霧、雨雪、煙塵等惡劣天氣時，將會直接影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，難以捕捉到高清視頻圖像。鑒于此，應(yīng)逐步升級改造攝像探頭，在大霧天氣中選用具有透霧功能的攝像頭，可全時段監(jiān)測公路各路段交通路況；大雨、大風(fēng)、打雷天氣直接影響視頻線路設(shè)備和視頻監(jiān)控探頭，因此，為使視頻監(jiān)控系統(tǒng)更好地適應(yīng)環(huán)境，應(yīng)選用防雷能力與防抖能力強的設(shè)備裝置。

5.3 夜間視頻監(jiān)控系統(tǒng)的升級

通過調(diào)查分析后可知，公路夜間交通事故發(fā)生率相比白天的要高，夜間也更易出現(xiàn)違規(guī)駕駛行為，這就需要升級改造夜間視頻監(jiān)控系統(tǒng)。具體升級措施包括：為處理夜間捕捉到的視頻圖像，獲取更高清晰度的夜間視頻圖像，選用紅外激光夜視軟件；在重點區(qū)域與重要路段中，為能夠全時段高清監(jiān)控公路交通路況，應(yīng)選用具有夜視功能的高清攝像探頭。

5.4 IP數(shù)字高清技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前我國高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用高清模擬攝像機設(shè)備。實際使用過程中，該設(shè)備的使用存在一定的約束與限制，鑒于此，為提高原模擬平臺圖像的分辨率，可采用IP數(shù)字高清技術(shù)，改造升級信息保存、信息顯示處理設(shè)備等，選用的高清攝像頭的像素至少要大于2 000 000。目前，我國大部分地區(qū)高速公路上安裝有光纜，其余量較大，通信覆蓋面積較大，充分表明高速公路光纜能夠高效傳輸信息化和高清化視頻圖像?，F(xiàn)階段中，我國一些地區(qū)已建立與使用了IP數(shù)字高清視頻管理系統(tǒng)，同時配置了IP-SAN系統(tǒng)大容量儲存結(jié)構(gòu)矩陣。在未來一段時間中，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，研發(fā)出基于數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)的綜合性管理系統(tǒng)，現(xiàn)行的SDI裝置將會逐漸被淘汰。綜上所述，在未來發(fā)展中，我國高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會融合使用更多的新技術(shù)，包括5G無線傳輸系統(tǒng)、大容量存儲系統(tǒng)、GPS定位軟件、高清視頻編碼軟件等，提高高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化，更好地服務(wù)于道路維護、交通管理、故障預(yù)警等方面。

6 結(jié)語

在我國高速公路運營管理中，高清視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用。與傳統(tǒng)標(biāo)清視頻監(jiān)控技術(shù)相比，高清視頻監(jiān)控技術(shù)具有更多的優(yōu)點，盡管高清視頻監(jiān)控技術(shù)的使用成本較高，但可彌補傳統(tǒng)標(biāo)清視頻監(jiān)控技術(shù)的缺陷，提高高速公路運營管理水平。該文對高速公路運營高清視頻監(jiān)控技術(shù)進行了深入研究，以期對相關(guān)人員起到一定的借鑒作用。

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