引言

高速公路與一般公路相比，具有線型好，設計標準高，交通流量大，行車速度快等特點，若不采用先進的監(jiān)控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通阻塞。為此，在高速公路上部署視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的工。全程監(jiān)控與以往對重點路段的監(jiān)控是有本質區(qū)別的，全程監(jiān)控系統(tǒng)可以對高速公路交通運行狀況進行全范圍無盲點監(jiān)視,能完全整體地掌握高速公路全線運營狀況，以便及時發(fā)現各種異常情況并采取應急措施，大幅縮短事故反應時間，優(yōu)化高速公路監(jiān)管模式，保證高速公路高速、安全、經濟地運營和管理。視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)中需配置大量的外場監(jiān)控設備，因而將提高監(jiān)控系統(tǒng)的建造成本，但是視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)具有的技術優(yōu)勢和監(jiān)管效果，從長遠來看，也具有較為顯著的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

隨著我國高速公路的飛速發(fā)展，全程監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路監(jiān)管系統(tǒng)中的廣泛應用，極大地方便了相關部門對高速公路全線運營狀況進行監(jiān)管，有效提升了高速公路的服務質量。同時大量通信設備的使用也增加了監(jiān)控系統(tǒng)的設計難度。西銅高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)中需要采集公路全線的監(jiān)控圖像,其包括外場攝像機圖像、治超圖像、收費站監(jiān)控圖像等多路視頻、數字信號,大量的信號采集設備和傳輸設施的使用，因而增加了系統(tǒng)的設計難度，其中包括信號傳輸帶寬限制和視頻采集設備的使用等問題。

另外,高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的數據存儲涉及兩個方面的內容，一是高速公路全程監(jiān)控錄像信息的存儲，二是收費站及廣場錄像信息、圖片和數據等多種類型數據的存儲。由于各類數據的保存周期延長，以及高清攝像機的廣泛應用，以往硬盤錄像機存儲模式的應用遇到瓶頸,西銅高速視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的各類視頻、數字信號的記錄和存儲也是本設計的難點之一。

1  H.264技術及其優(yōu)勢

鑒于上述技術難題,本次視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的核心在于H.264視頻壓縮標準的應用。H.264技術較之以往的（諸如H.263++和MPGE-4等）視頻壓縮標準具有更高的壓縮比和更流暢、清晰的畫面質量，值得一提的是對網絡傳輸的管理功能，使得視頻壓縮與網絡傳輸一體化,其綜合性能顯著提高。

1.1  核心算法

H.264釆用DPCM加變換編碼的混合編碼模式是基于塊的編碼模式，在編碼器結構相對簡潔的基礎上，通過對一些核心算法進行改進，可以獲得比H. 263++和MPGE-4更好的性能。由于在運動補償算法中改進了宏塊的劃分方式，從而大大提高了運動估計的適應能力；增加了對于小塊的運動估計,提高了編碼過程中對于細節(jié)的處理能力，同時也提高了解碼圖像的主觀質量；而釆用多幀預測方案，則可獲得更好的編碼效率和解碼質量。H.264中采用了一種新的整數變換方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCT變換，在編碼器和解碼器中允許精度相同的變換和反變換。另外,使用簡單的定點運算，完全避免了由于可變字長等因素所引起的反變換誤差。事實上，在H.264中，當編碼Intra圖像時，采用幀內預測可在空間域上進行預測編碼，因而可有效地取出相鄰塊之間的空間冗余度,從而得到更為有效的壓縮效果。

1.2  高低碼流傳輸

西銅高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的視頻數據傳輸可為監(jiān)控分中心向省監(jiān)控中心上傳8路符合H.264碼流標準的高碼流（2M）及低碼流（200K）H.264編碼圖像。高碼流圖像可通過高速公路通信專網提供的網絡平臺上傳至省監(jiān)控中心、集團公司監(jiān)控中心、廳應急辦等處。高碼流圖像可以還原到監(jiān)視器、大屏幕投影上清晰顯示，低碼流圖像則可在計算機上顯示，它們均可對路段內圖像實現調控。視頻發(fā)布的視頻流數據通常采用H.264低碼流（CIF：352X288,25幀/秒/單路,PAL制）編碼格式

1.3  網絡組播

綜合監(jiān)控視頻發(fā)布系統(tǒng)采用的網絡組播技術可支持網絡上多個用戶監(jiān)視同一路視頻圖像，即監(jiān)控網絡內的多個部門可同時監(jiān)視接收同一路視頻圖像，編碼器只需發(fā)出1路視頻碼流，而無需向每個終端設備都發(fā)送，避免多用戶訪問同一視頻源時造成計算機網絡上數據流量的增加。網絡組播更大的優(yōu)點在于多個部門對同一視頻的共同關注,從而使得監(jiān)控系統(tǒng)內部的信息共享、事件的協同處理更加快捷有效。

2  西銅高速的管理模式

2.1  西銅高速的業(yè)務機構及職能

西銅高速全程設立了西安北收費站和銅川收費站兩個站區(qū)，其中西安北所轄站點包括西安北主線站、涇河匝道站等5個站點，銅川收費站下轄銅川主線站、耀南匝道站等5個站點。在各收費站設立的監(jiān)控室可實時監(jiān)視各路視頻、治超視頻及收費監(jiān)控視頻圖像;征費室負責依據過往車輛型號等內容進行費用征收;養(yǎng)護辦主要維護高速公路各硬件設施的安全運行;辦公室負責人員管理、文件收發(fā)等后勤保障工作。

2. 2  西銅高速地理空間分布特點

西銅高速公路（含機場專用線）全長115.619公里，南起西安市張家堡，途徑西安、涇陽、三原、銅川，終點與銅黃高速公路在銅川川口互通相接，沿線設有肖家村互通、高陵互通等8個互通路段。這些互通路段是交通事故的頻發(fā)點，因此部署嚴密的視頻監(jiān)控系統(tǒng)至關重要。西銅高速公路是陜西省省會西安通往陜北地區(qū)的大通道，也是陜西省三條南北縱向交通線的重要組成部分。西銅高速是西安通往人文始祖黃帝陵、革命圣地延安的必經之路，被譽為紅色旅游路，同時也是一條經濟路,承擔著陜北能源化工基地對外運輸的重要任務,其良好的運營和管理在陜西省的社會經濟發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。

3  技術方案

西銅高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)基于數字視頻光纖傳輸平臺構建,監(jiān)控系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構成，分別為交通監(jiān)控子系統(tǒng)、閉路電視子系統(tǒng)和呼叫服務子系統(tǒng),三個子系統(tǒng)相互配合，共同實現對路段交通流的有效控制。

3.1  數字視頻光纖傳輸交換平臺架構

3.2  大屏圖像調度