（计算机应用技术专业论文）联网监控平台视频资源规划与调度研究.pdf

摘要 交通运输是国民经济发展的命脉，其中高速公路又以其快速、便捷的方式对国家的 经济、社会和文化等方面产生着巨大的影响。近年来，随着高速公路路网建设的迅速发 展，交通量不断增加，交通安全问题日益突出。对高速公路进行及时有效的监控成为交 通管理的迫切需求，视频联网监控也成为交通管理的重要职能。 基于视频联网监控平台( v i d e on e 铆o r l ( e dm o n i t o r i n gp l a t f o 肌，简称v n m p ) ，设计 了一种资源调度和管理机制。以江苏省高速公路为工程依托，根据实际运行状况，实现 了这种机制，解决了权限校验、视频资源调度、资源竞争、多用户并发处理、视频图像 解码播放等问题。 对视频资源和网络资源进行了详细分析，制定了较完善的权限管理体制，详细讨论 了域内资源调度与跨域资源调度两种资源调度模式，分析了资源竞争的起因和分类，并 给出了解决方案。通过强拆、强制用户注销和资源更新，实现了系统的实时控制。对调 用服务器缓冲区的管理模式进行了研究，并实现了一种新的缓冲区管理机制。通过功能 测试和性能测试对v n m p 的正确性、完整性、健壮性和并发性进行了整体测试，达到 预期目标。 视频联网监控平台在高速公路网的应用，提高了高速公路的运营质量，实现了对高 速公路实时监控，当公路上发生重特大交通事故、其他突发事件或出现影响公路安全运 行的恶劣气候时，为应急指挥决策提供现场视频资料，也为远程调度和指挥提供了技术 手段。其研究形成的监控模式、技术方法、信息服务手段和信息服务内容等对其它部门 监控体系的构建也有借鉴价值。 关键词：联网监控，视频，资源，调度，权限 a b s t r a c t t 船n s p o r tp l a y sa ni l l l p o r t a l l tr 0 1 eo nt h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 en a t i o n a le c o n o m y h i 曲w a y t ot l l ec o u n 衄se c o n o m i c ，s o c i a la i l dc u l 咖la s p e c t sh a v eat r e m e n d o u si m p a c tb yi t sf 狐a n d c o n v e n i e n t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i 廿lt l l eh i g h w a yr o a dn e m o r kc o n s n l j c t i o n sr a p i d l y e x p a n d ， t h ev o l 啪eo ft r a m ci n c r e a s e du i l c e a s i n g l y ， t 1 1 e仃a 伍c s a f e t ) ， h 嬲b e c o m e a c u t e c a r r i e so nt h ee f l e c t i v em o n i t o r i n gt 0t 1 1 eh i 曲、a yi st l l e 仃a m cc o n t r o lu 玛e n t d e m a j l d ，v i d e on e t 、v o r k e dm o i l i t o r i n gb e c o m e st 1 1 et r 蛹cc o n t r o l t h ei m p o n 习m tn m c t i o n b a s e do nv i d e on e t 、v o r k e dm o n i t o r i n gp l a t f o m ，t l l ea r t i c l ep r o p o s e san e wr e s o u r c e s c h e d u l i n ga l l dm a l l a g e m e n tm e c h a l l i s m t 酞e st h ej i a n g s up r o v i n c eh i 曲、v a ya sm ee x 锄p l e ， a c c o r d i n gt 0t h ea u c t u mm o v e m e n tc o n d i t i o n ，t h ea r t i c l eh a sr e a l i z e dt l l em e c h a l l i s m n r e s o l v e st h ep r o b l e m so fv e r i 黟a i i t h o r i 劬s c h e d u l i n go fv i d e or e s o u r c e s ，p r o c e s s e sm u l t i u s e r t ot h er e s o u r c e sc o m p e t i t i o n t h e 砒i c l eh a s 锄a l y z e dt h ev i d e or e s o u r c e sa n dt l l en e t 、v o r kr e s o u r c e ，d e v e l o p e da c o m p r e h e n s i v ea u t h o “够m a n a g e m e n ts y s t e m ， d i s c u s s e dt i l er e g i o na n dc r o s s d o m a i n r e s o u r c es c h e d u l i n gm o d e l ，a 1 1 a l y z e dt h er e s o u r c e sc o m p e t i t i o nc a u s ea n dt l l ec l a s s i f i c a t i o n t h o r o u 曲l y ，a n dp r o p o s e dt h es o l u t i o n t h r o u 曲c u t t s ，c o m p u l s i o nu s e r l o g g i n go u ta 1 1 dt h e r e s o u r c e sr e i l e w s ，r e a l i z e st h er e a l t i m ec o n t r 0 1 t h ea n i c l es t u d i e dt h ev i d e od e m a n d i n g s e r v e rb u 腩rm a n a g e m e mm o d e l ，a n dp r o p o s e dan e wm a n a g e m e n tm o d e l t l l r o u 曲鼬1 c t i o n a l t e s t i n ga n dp e 墒肿a 1 1 c et e s t i n go fv n m pc o 盯e c t n e s s ，c o m p l e t e n e s s ， r o b u s t i l e s sa n d c o m p r e s s i o nt 0c a r 巧o u tac o m p l e t et e s t ，d r a w st h et e s tc o n c l u s i o n t h es t a r to fv n m pi nh i g h w a yn e t 、v o r k ，i m p r o v e dl l i g h w a y so p e r a t i o nq u a l i t y ，r e a l i z e dt o t h ep r o v i n c e sh i 曲w a yr e a l t i m em o n i t o r i n g ，w h e nm er o a dh 印p e n e do ns e r i o u st r a 币c a c c i d e n t s ，o t h e ru n e x p e c t e de v e n t so rp o o rw e a t l l e rc o n d i t i o n ，p r 0 v i d e st h el i v ev i d e o i n f o 蛐a t i o nf o rt 1 1 ee m e 玛e n c yd i r e c t i o nd c c i s i o n m a 虹n g ，a i l da d v a i l t a g e o u sf o rt l l ed i s p a t c h a n dt h ed i r e c t i o n t h er e s u l to fm o n i t o r i n gm o d e ，t e c h n i c a lm e t h o d s ，t o o l sa 1 1 di n f o 蛐a t i o n s e r v i c e si n f o m l a t i o ns e r v i c e sh a st h er e f e r e n c ev a l u et oo t h e rd e p 斫m e n t sn e t 、r k i n g m o n i t o r i n g sc o n s t m c t i o n k e y w o r d s ：n e “v o r k e dm o n i t o r i n g ；d e o ；r e s o u r c e ；s c h e d u l i n g ；a u t h o r 时 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冬弛 ，f 年6 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日 日 影 孑 月 月 6 f 嘛二 咻芦 弘 巨 东 ，k 卷 够 7 7 名 孔 鲥 名 者 签 作 节 文 咖 论 导 长安大学硕1 ：学位论文 第一章概述 随着计算机、多媒体技术的发展，图像压缩技术的提高，视频监控技术也得到了快 速发展。视频监控广泛应用到各行各业，如交通、军事、科研等。视频监控系统经历了 从模拟视频到数字视频，从本地近距离监控到远程监控的发展。远程数字化视频监控已 经是发展的主要趋势，视频联网监控开发平台就是在这样的背景下研究和开发的。 1 1 研究背景 智能交通系统( i t s ) 是采用信息技术、计算机技术、控制技术等手段对传统交通运 输系统进行改造，从而达到增强系统运行效率，提高系统的可靠性和安全性，减少能源 消耗和对自然界的污染等方面的目的。智能交通系统将对未来世界产生深刻的影响，同 时也对研究人员提出了新的挑战。 目前，高速公路i t s 按照功能可划分为交通监控与管理系统、电子收费系统、运输 管理系统和安全保障系统等方面，视频监控系统是其中的重要组成部分【2 】。视频监控对 高速公路进行全面的监视和控制，对高速公路的正常运行和发挥其效益起着极为重要的 作用。随着计算机技术的进步和应用手段的创新，通过视频监控保证高速公路的通畅和 安全，为人们提供更高质量的服务成为必然。 1 1 1 视频监控系统概述 视频监控的发展经历了三个阶段，即传统的模拟闭路电视监控，第二代有控制电路 的视频监控，第三代现代视频监控【引。 传统的模拟闭路电视监控系统的连接方式是靠视频电缆一对一直接相连，有多少个 摄像机就和多少个监视器相连，是视频监控系统发展的最初级阶段。监控系统采用模拟 方式传输，一般使用视频电缆，传输距离不能太远。主要应用于小范围内的监控，监控 图像一般只能在本地控制中心观看。 与传统的模拟闭路电视监控系统比较，控制电路系统节省了大量的监视器，但此时 的切换控制电路系统因受技术的限制，只是简单的硬件电路组合，视频切换和控制是独 立的，控制多是采用多路开关，配合多芯电缆一对一直接连接的线控方式。传输距离近， 布线复杂，操作繁琐，难以实现多中心控制，系统容量小，扩展困难，不能实现区域联 网。 随着计算机技术的进步与发展，现在出现了一种新型的视频监控系统，即基于嵌入 第一章概述 式技术的网络系统监控系统。基于嵌入式技术的网络监控视频主要的原理是：采用嵌入 式实时多任务操作系统，高效压缩芯片和功能强大的c p u ，将视频压缩与传输处理工 作全部内置到芯片上。摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内 部处理后转移到网络或服务器上。网络上用户可以通过专用软件或者直接用浏览器观看 w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户可以控制摄像机云台镜头的动作和对系统配置 进行操作。 1 1 2 视频监控在高速公路中的应用 高速公路视频联网监控系统是视频联网监控在高速公路上的应用。全文以江苏省为 例。江苏省是我国第一批实施高速公路联网收费的省份，迄今为止，所有运营高速公路 均已施行联网收费。干线公路也已经对开放式收费站实施了联网收费，即建立了以地市 为管理域的联网收费管理。随着江苏省高速公路联网收费系统的全面应用，原来各条路 上相互独立的监控系统显然已经不能满足管理的需要，在道路成网的情况下，监控的范 围由原来对单一路的线控模式转换为区域面控模式。在联网收费运营环境下，监控系统 不仅要对路网内路面、收费亭、收费车道、收费站等主要设施及业务流程进行监控，还 要监控整个路网的交通运行状况。 高速公路监控系统分别服务于机电系统中的监控系统、收费系统，两套监控系统相 对独立。收费系统中的视频监控系统主要是完成对收费亭、收费车道、收费站的主要设 施及业务流程等的监视；道路监控系统主要完成对道路通行状况的监控。大多数高速公 路的监控中心、分中心仅仅通过沿线布设的数量不多的监控摄像机来监视道路运行情 况，难以对公路的通行能力及运行指标进行定量的分析与评价，从而不能发布有关交通 诱导及控制信息，可变信息发布装置很多时候也只能发布一些标语、警示、广告等信息， 使得监控系统的功能未得到很好的发挥。如何充分发挥现有高速公路监控系统的功能， 同时充分利用其他系统的信息、社会信息，以及采用多种技术手段进行信息发布，是高 速公路监控系统面临的一个重大问题。 干线公路监控系统的主要目的是收费监控。收费监控主要是完成对收费亭、收费车 道及业务流程等的监视：视频摄像机、车检器等监测设备以监视收费过程为主。收费站 配有少量广场摄像机，交通重点路段设有交通量连续式观测点。随着机动车投放数量的 迅速攀升，干线公路交通量也不断增加，交通安全问题日益突出。对干线公路运行状况 进行有效及时的监控也是交通管理的迫切需求。 2 长安大学硕上学位论文 目前江苏全省仅道路监控视频图像即达到1 2 0 0 多路，如果加上收费监控系统收费 厅内、亭外及广场的视频图像，图像的总数将达到几千幅之多，需要建立一个统一的视 频联网管理平台，从省域范围有效地对网络视频图像进行管理，使管理人员顺利实现调 用是摆在管理者面前的迫切的工作任务。 江苏省公路路网主要由高速公路、普通干线公路、长江公路大桥、主要长江汽渡 以及县乡公路组成。到2 0 0 5 年底全省交通部门管养公路总里程达6 万多公里，高速公 路通车里程接近3 0 0 0 公里。目前从省会南京到各省辖市基本实现了以一级公路或高速 公路相连，各省辖市到所属县一般实现了以二级以上公路相连。随着江苏省高速公路联 网“畅通工程”和干线公路“网化工程”的发展，一个以高速公路为主骨架，以干线公路相 配套，以长江大桥和汽渡为纽带的干线公路网已日趋完善。 1 9 9 6 年以来，江苏省先后建成了沪宁高速公路江苏段、南京机场高速公路、广靖 锡澄高速公路、京沪高速公路江苏段、宁连高速公路( 淮连段) 、宁通高速公路( 江广段) 、 宁宿徐高速公路宿迁段、连徐高速公路、宁靖盐高速公路、苏嘉杭高速公路江苏南段和 江阴长江公路大桥、南京长江第二大桥等，并按“一路( 桥) 一公司”的模式设立了经营 管理单位，各路段经营管理单位都设置了收费、路政、排障、养护等部门和机构。公路 交通秩序管理主要由省高速公路交通警察支队负责。2 0 0 0 年江苏省高速公路路政总队 正式成立，与省交通厅公路局合署办公，并按一路( 桥) 一支队的模式陆续组建了沂淮 江、宁连、宁通、连徐、宁宿徐、沪宁、宁靖盐、江阴大桥等高速公路路政支队，具体 负责维护高速公路路产路权和承担相关的路网调度工作。 普通国省道干线公路的养护管理机构为市、县公路管理单位。养护管理单位按行政 区域划分管理范围，主要承担辖区内国省公路的收费、养护、稽查和路政等工作。公路 交通秩序管理由当地交警部门负责。随着新一轮机构改革，为适应新形势下路政管理工 作的需要，各市公路管理处均组建了路政支队，且为合署办公。我省长江汽渡的隶属关 系、单位性质不尽相同，但其功能与渡运管理模式基本相同，并接受省市交通主管部门 的行业管理和指导。 十一五期间，江苏省高速公路建设将达到4 0 0 0 公里，新改建国省干线公路3 0 0 0 公 里，新改建农村公路4 0 0 0 公里，国家高速公路网江苏境内路段全面建成，实现与长三 角区域内其它省市的有效衔接，高速公路出省通道达到1 8 个，交通信息化应用将拓展 到全面支撑交通管理和交通服务。 3 第一章概述 1 1 3 视频监控的发展 未来的视频监控系统将是完全数字化的。前端一体化、视频数字化、监控网络化、 系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系 统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 全i p 视频监控系统与前面方案相比存在显著区别。该系统优势是摄像机内置w 曲 服务器，并直接提供以太网端口。这些摄像机生成j p e g 或m p e g 4 数据文件，可供任 何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视、记录并打印，而不是生成连续模拟视频 信号形式图像。 1 2 研究内容与目标 本论文的研究内容主要有： 对高速公路视频联网监控平台的资源进行详细的分类和权限划分，并且制定一 整套调用方案和调用策略，确保系统能够有效运行，同时最大限度的利用提高 资源利用率。 在现有的视频监控系统的基础上，针对系统中各种不同设备，整合梳理高速公 路视频监控系统资源，统一管理，划分不同的区域，实现区域之内和不同域之 间视频资源的合理调度。 研究网络视频数据实时传输方案，制定合理的传输协议，实现在复杂情况下视 频图像的稳定传输和播放。 最终目标是在视频联网监控平台基础上，实现对平台中视频资源的管理和调度，完 成高速公路联网监控平台各个区域内和区域问视频、数据的传输，并解决其中所涉及的 资源竞争、权限管理、数据流向、控制方式等一系列问题。特别是当多用户并发访问有 限视频资源时，给出解决方案，使得视频流和控制流能够在网络上长期、高效、稳定的 传输。 4 长安人学硕上学位论文 第二章视频监控技术分析 视频监控是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视 频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计 算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长足的发展。目 前视频监控主要应用的技术有流媒体技术、视频压缩技术等。 2 1 流媒体技术 流媒体是计算机行业中新兴的概念，从其概念提出以来，得到了十分快速应用和迅 猛发展【4 】。流媒体技术的应用为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活 产生越来越大的影响。 2 1 1 流媒体技术分析 流式传输的实现需要缓存。因为网络以包传输为基础进行断续的异步传输，对一个 实时源或存储的文件，在传输中它们要被分解为多个包，由于网络是动态变化的，不同 包选择的路由不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包可能后 到。为此，使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使 媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。 通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据。通过 丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内 容。由于t c p 需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中， 一般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而用r t p 舢d p 来传输实时数据【6 】。流式传输的 过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，用户与服务器之间使用h t t p 厂r c p 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的程 序初始化。这些参数可能包括目录信息、数据的编码类型或与检索相关的服务器地址。 程序及服务器运行实时流控制协议( i 玎s p ) ，以交换传输所需的控制信息【7 】。 2 1 2 流媒体传播方式分析 在传播方式上，可以分为单播、组播和点播三种模式。在客户端与媒体服务器之间 需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户 机，这种传送方式称为单播。ip 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器 5 第二章视频舱控相关技术 一次将数据包复制到多个通道上。组播技术能够提高网络利用率，成本大为下降。点播 连接是客户端与服务器之间的主动的连接。 2 2 视频压缩技术 视频压缩起主要目的是通过数据压缩手段将信息数据量以压缩形式进行存储和传 输。目前，视频压缩技术已经广泛应用于视频传输、计算机多媒体和数值存储等方面， 成为当今的热点技术之一【引。 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率【9 j o 视频压缩比 一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像，因此其压 缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动的视频还有其自身的 特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。 目前在监控行业应用中，视频流传输中最为重要的编解码标准有运动静止图像专家 组的m j p e g 、国际标准化组织运动图像专家组的m p e g 系列以及标准国际电联的 h 2 6 4 标准【i o 】。 2 2 1m - ，p e g 标准 m j p e g ( m o t i o n j o i np h o t o g r a p h i ce x p e r t s 研o u p ) 技术即运动静止图像( 或逐帧) 压缩技术，把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩方式单独完整地压 缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑。此外m 埘，e g 的 压缩和解压缩是对称的，可由相同的硬件和软件实现。但m - j p e g 只对帧内的空间冗余 进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。 2 2 2m p e g 4 标准 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) 的缩写，于1 9 8 8 年成立， 是为数字视音频制定压缩标准的专家组。m p e g 组织制定的各个标准都有不同的目标 和应用，目前已提出m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 等。 m p e g 4 除采用第一代视频编码的核心技术，如变换编码、运动估计与运动补偿、 量化、熵编码外，还提出了一些新的有创见性的关键技术，并在第一代视频编码技术基 础上进行了卓有成效的完善和改进。关键技术主要有：视频对象提取技术、v o p ( v o p ， d e oo b j e c tp l a n e ) 视频编码技术、视频编码可分级性技术和运动估计与运动补偿技术 等。 6 长安大学硕l 学位论文 2 2 3h 2 6 4 标准 h 2 6 4 是由i t u t 视频编码专家组( v c e g ) 和i s o i e c 动态图像专家组( m p e g ) 联合组成的联合视频组( j v t ，j o i n tv i d e ot e a n l ) 提出的高度压缩数字视频编解码器标 准，也是m p e g - 4 第十部分。 h 2 6 4 关键技术主要有：帧内预测编码、帧间预测编码、整数变换、量化、熵编码。 帧内编码用来缩减图像的空间冗余。为了提高h 2 6 4 帧内编码的效率，在给定帧中 充分利用相邻宏块的空间相关性，相邻的宏块通常含有相似的属性。因此，在对一给定 宏块编码时，首先可以根据周围的宏块预测，然后对预测值与实际值的差值进行编码， 从而减小码率。h 2 6 4 提供6 种模式进行4 4 像素宏块预测，包括1 种直流预测和5 种方向预测。 帧间预测编码利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿。h 2 6 4 的运动补偿 支持以往的视频编码标准中的大部分关键特性，而且灵活地添加了更多的功能，除了支 持p 帧、b 帧外，h 2 6 4 还支持一种新的流间传送帧s p 帧。码流中包含s p 帧后， 能在有类似内容但有不同码率的码流之间快速切换，同时支持随机接入和快速回放模 式。 2 2 4 监控中编解码的选择 在监控中主要使用a s c i 和d s p 两种方案。由于a s i c 芯片的设计、生产周期过长， 使它已跟不上视频编码的发展速度。而d s p 芯片，由于它的通用设计，使它能实现各 种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。另外使用 d s p 芯片可以比a s i c 更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。 在选择编码器时，应该尽量其实用性和先进性。采用最先进的h 2 6 4 视频压缩算法 和高性能的d s p 处理器。强大的h 2 6 4 视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质 量的图像质量和良好的网络传输性能。高性能的d s p 处理器能灵活的配置视频编解码 器：动态设置分辨率、帧率、码率、图像质量等；可以双码流输出，达到本地存储和网 络传输分别处理的功能。 7 第三章视频联例监控甲台的引入 第三章视频联网监控平台架构 视频联网监控平台( 简称v n m p ) 是联网监控系统信息汇总机构，负责监督管理整个 路网的交通信息收集、管理和维护；监督整个路网交通监控系统的正常运转；向路网管 理部门及时提供路况信息和道路服务水平的统计报告和分析报告：为路网的进一步建设 提供基础数据。 3 1 视频联网监控平台的内涵 v n m p 所有视频图像都来自于各业务局、公司( 控股公司、公路局、航道局、海 事局、运管局等) ，在联网状态下实现视频资源共享。v n m p 根据“数据集成、信息集中、 资源共享、业务协调、属地管理的基本原则来规划其业务职能并开展工作1 1 1 j 。 江苏省是我国第一批实施高速公路联网收费的省份，迄今为止，所有运营高速公路 均已施行联网收费。干线公路也已经对开放式收费站实施了联网收费，即建立了以地市 为管理域的联网收费管理。随着江苏省高速公路联网收费系统的全面应用，原来各条路 上相互独立的监控系统显然已经不能满足管理的需要，在道路成网的情况下，监控的范 围由原来对单条路的线控模式转换为区域面控模式。在联网收费运营环境下，监控系统 不仅要对路网内路面、收费亭、收费车道、收费站等主要设施及业务流程进行监控，还 要监控整个路网的交通运行状况。 目前高速公路监控系统分别服务于机电系统中的监控系统、收费系统，两套监控系 统相对独立。收费系统中的视频监控系统主要是完成对收费亭、收费车道、收费站的主 要设施及业务流程等的监视；道路监控系统主要完成对道路通行状况的监控。大多数高 速公路的监控中心、分中心仅仅通过沿线布设的数量不多的监控摄像机来监视道路运行 情况，难以对公路的通行能力及运行指标进行定量的分析与评价，从而不能发布有关交 通诱导及控制信息，可变信息发布装置很多时候也只能发布一些标语、警示、广告等信 息，使得监控系统的功能未得到很好的发挥。如何充分发挥现有高速公路监控系统的功 能，同时充分利用其他系统的信息、社会信息，以及采用多种技术手段进行信息发布， 是高速公路监控系统面临的一个重大问题。 目前干线公路监控系统的主要目的是收费监控。收费监控主要是完成对收费亭、收 费车道及业务流程等的监视；视频摄像机、车检器等监测设备以监视收费过程为主。收 费站配有少量广场摄像机，交通重点路段设有交通量连续式观测点。随着机动车投放数 8 长安人学硕上学位论文 量的迅速攀升，干线公路交通量也不断增加，交通安全问题日益突出。对干线公路运行 状况进行有效及时的监控也是交通管理的迫切需求。 经过多年的实践，交通运营管理积累了大量的基础信息和交通事件案例，如何根据 这些积累的数据和经验进行交通调度预案设计，对监控系统进行优化、完善，也是目前 高速公路监控系统普遍面临的问题。 交通运输是国民经济发展的命脉，其中高速公路又以其快速、便捷的运输方式为国 家的经济、社会和文化等方面的发展产生了巨大的影响。近年来，随着中国高速公路路 网建设的迅速发展，路网建设带动联网监控需求，联网监控的需求也逐步上升到关键的 位置。 3 1 1 业务范围 江苏省公路交通联网监控业务的监控对象为省域内高速公路、公路大桥和干线公 路。 高速公路机电工程中监控系统分为道路监控和收费监控，联网监控所指的监控业务 界定为交通机电工程的道路监控，收费监控暂不考虑。 公路大桥联网监控业务与高速公路相同。 全省干线公路网的总规模为l 万2 千多公里，其中国道1 6 条、省道7 8 条，省公路 局为归口管理上级。干线公路道路机电设施主要集中在开放式收费站内外，以收费系统 为主，辅以适量的监控设施。如车道收费亭监控摄像机、广场监控摄像机、交通量连续 式观测点等。 干线公路联网监控所指的监控业务界定为相关的道路状况监控，收费监控暂不考 虑。 3 1 2 组成机构 江苏省公路交通联网监控业务所涉及的管理机构为省域内各个高速公路( 含大桥) 运营公司、二级以上干线公路管理机构、地市公路处和省公路局、交通控股公司等机构。 1 监管中心 全省联网监控信息汇聚管理机构为：江苏省公路交通联网监控“监管中心 ，由省 交通厅信息中心代理。 2 业务管理域 联网监控系统将所涉及的信息节点( 数据源) 按业务行政归属划分为若干个“业务 9 第三章视频联网监控平台的引入 管理域”。 交通控股公司主管的全省高速公路网为一个“业务管理域，高速公路网联网监控 中心设在马群。全省干线公路网为另一个“业务管理域 ，由省公路局主管域内的工作。 处在不同业务域内的用户负责本域内的数据采集、信息提取、设备管理维护等工作并可 以享有相应的信息( 数据) 使用权限。 联网监控系统业务目标： 全面宏观监控路网交通及运行的状况；联网监控“监管中心汇集各路段监控 分中心的采集数据，对全省高速公路进行监控。 统一协调控制功能。当路网内出现交通拥堵、重大交通事故时，监控中心通过 发布控制指令给相应分中心监控系统对可变情报板、可变限速标志等交通诱导 设备进行控制。 监控中心具有控制的优先权。 监控数据的分析整理，在预测模型的基础上对未来做出判断。 数据采集功能。分中心监控系统实时采集路段交通数据、高速公路出入口流量 数据、气象数据、隧道内环境数据、可变情报板、各外场设备工作状态以及各 种告警异常等信息。 信息显示功能。对采集的各种数据进行统计分析处理，以表格和曲线显示，对 各外场设备的工作状态以图标显示。 视频监控功能。监控分中心向联网监控“监管中心”上传多路视频监控图像。 联网监控“监管中心能够对全省摄像机进行选择、监视，并能进行录像、回 放、检索等功能，实行视频的多级监控。 交通控制功能。通过监控通信平台，各级管理机构都给外场设备下达控制指令， 通过协调各路的交通流控制来保证整个路网的畅通。 异常事件处理功能。 手工事件输入功能。 联网监控系统遵循“数据集成、信息集中、资源共享、业务协调、属地管理 的基 本原则来构建监控资源体系。 江苏省公路交通联网监控“监管中心 具有如下业务职能： 联网监控业务监督和监控平台技术维护中心。 交通监控信息存储中心。 l o 长安人学硕士学位论文 临时最高指挥中心。 江苏省公路交通联网监控“监管中心 是联网监控系统的信息汇总机构，负责监督 管理全路网的交通信息收集，管理和维护，负责监督整个路网交通监控系统的正常运转， 为省交通应急指挥中心指挥调度工作提供技术保障。负责向路网管理部门及时提供路况 信息和道路服务水平的统计报告和分析报告；为路网的进一步建设提供基础数据。 联网监控“监管中心为监控分中心做业务数据备份，负责向监控分中心下达交通 控制指令或建议。联网监控“监管中心 的所有原始数据和视频图像都来自于各业务局、 公司( 控胶公司、公路局、航道局、海事局、运管局等) ，在联网监控“监管中心”实 现资源共享。 在紧急情况下，联网监控“监管中心”可接管监控分中心的控制权，直接参与交通 控制方案的制定、执行。 交通控股公司( 高速公路网监控总中心) 、省公路局( 干线公路网监控总中心) 作 为实际业务监管的主体机构可根据“数据集成、信息集中、资源共享、业务协调、属地 管理”的基本原则来规划其业务职能并开展建设工作。 3 1 3 系统功能 v n m p 要完成以下功能： 全面宏观监控路网交通及运行的状况。联网监控“监管中心”汇集各路段监控 分中心的采集数据，对全省高速公路进行监控。 统一协调控制功能。当路网内出现交通拥堵、重大交通事故时，监控中心通过 发布控制指令给相应分中心监控系统对交通诱导设备进行控制。 监控数据的分析整理，在预测模型的基础上对未来做出判断。 视频监控功能。监控分中心向联网监控“监管中心 上传多路视频监控图像。 联网监控“监管中心”能够对全省摄像机进行选择、监视，并能进行录像、回 放、检索等功能，实行视频的多级监控。 交通控制功能。通过监控通信平台，各级管理机构都给外场设备下达控制指令， 通过协调各路的交通流控制来保证整个路网的畅通。 3 2v n m p 层次结构 v n m p 采用多层结构，总体上由省公路交通联网监控“监管中心 、职能局监控中心、 第三章视频联网监控平台的引入 路段监控中心( 监控分中心) 和外场设备四级构成，对于需设置本地监控站的重点监控 路段，如特大桥、长大隧道、长大隧道( 隧道群) 、枢纽立交等，本地监控可以看成所 属监控分中心的附属机构，实现监控中心对重点路段个别子系统的直接延伸控制。四级 结构中如果在路段监控中心下分若干个路段监控分中心，由路段监控分中心管理外场设 备1 2 1 。如图3 1 所示。 叵互叵夏 至亘匦 j 、j 、 _ 1 一。 图3 1v n m p 层次结构图 v n m p 各层功能： 交通厅及职能局监控中心层：负责协调全省路网的交通监视与交通控制信息，接收 路段各监控分中心上传的交通和气象信息，汇总、统计交通资料，向各监控分中心发布 交通信息和指令信息，监视路网道路交通图像。根据各类信息判断交通现况，预测发展 趋势，制定应急方案。数据统计、查询、存储、备份，图像存储，制作、打印各类报表， 对控制方案做出可信服的评价，提供方案改进的依据。 路段公司层：通过通信系统汇集、显示外场设施传送来的各种数据。监视高速公路、 干线公路的视频监视图像，接听紧急电话；将上述数据、图像等信息上传上级监控中心， 根据各类信息判断交通现况，预测发展趋势，制定控制方案。对各外场设施进行控制。 数据统计、查询、存储、备份，图像存储，制作、打印各类报表，对控制方案做出可信 服的评价，提供方案改进的依据。执行上级监控中心下达的指令。 外场设备层：交通视频信息的采集。采集到的信息，经数字化处理之后，通过专用 1 2 k 女大学碰十学位论i 传输介质( 有线、无线网络) ，传输到相关的信息处理中心和应用系统3 】。 v n m p 将系统划分为三人功能模块，即授权子系统、流媒体发布子系统和调用子 系统，如图32 所示。 3 3v n m p 功能模块划分 目32v n m p 系统结构 v n m p 作为获取各路视频信息，对视频信息汇总后按照权限管理方式分配给各个用 户的应用软件伴系，其主要功能包括： 对前端所有视频图像的接入调用功能实现在调j 玎服务器的软件解码。 埘前端躅像可实现切换控制。 对所有摄像机和编码器按照分配权限方式进行管理。 对联网范围内的视频调用用户权限进行管理和分配。 第三章视频联网监控平台的弓i 入 对外部访问用户进行权限分配及管理。 对视频网络带宽资源进行管理，即控制访问视频图像的总体数量，以保证网络 资源的充分利用。 如前所述，v n m p 包括调用服务器、授权服务器和流媒体服务器三个软件系统， 将v n m p 的主要功能细化在三个软件系统中，分别构成了各个软件系统的功能模块。 3 3 1 授权服务器 v n m p 中存在大量的用户、摄像机和编码器，所有的这些信息都是由授权服务器 统一管理的。授权服务器对系统内的各类资源均进行了权限的划分。使得不同级别的用 户具有不同的权限，用户只能对其权限范围内的摄像机、编码器等信息进行操作。当某 用户使用本系统时，首先需要通过授权服务器的认证，具有权限的用户才能登录，登录 之后当该用户选择某一路段的某个图像进行调看时，也需要得到授权服务器的认证许 可，确认此用户具有调看该路段图像的权限后才能打开该路图像。 授权服务器的主要功能可以划分为：用户管理、摄像机管理、编码器管理、系统r 志等，如图3 3 所示。 授权服务器 图3 3 授权服务器功能结构图 摄像机管理：用于设置摄像机的信息。内容包括摄像机的编号、名称、桩号、 所属单位、矩阵输入编码、和权限。实现对摄像机的增加、修改、删除和查询。 编码器管理：编码器信息管理：用于设置编码器的信息。内容包括编码器的编 号、名称、所属单位、型号、组播地址、端口号、视频输入编码、编码器的i p 地址、矩阵控制i p 地址、矩阵控制型号、编码器的访问名、访问密码和权限。 实现对编码器的增加、修改、删除和查询。 用户管理：用户信息管理：用于设置用户的相关信息。内容包括用户编号、 用户名、密码、权限、所属单位等。并实现对用户信息的增加、修改、删除和 1 4 长安大学硕士学位论文 查询。 单位信息管理：用于设置单位的信息。内容包括单位的编号、名称、上级单位、 单位类型、单位域名、授权服务器名称、授权服务器i p 地址、发布服务器名 称、发布服务器i p 地址、调用服务器名称、调用服务器i p 地址。 3 3 2 发布服务器 发布服务器是整个v n m p 的核心，它负责处理调用服务器发送的各种命令，通过 授权服务器校验用户操作的合法性，与编码器建立连接，获得视频流，并进行多路转发。 它的性能直接影响这个v n m p 的性能。 发布服务器的主要功能可以划分为：与编码器的交互、与授权的交互、与调用的交 互、与发布的交互、视频流路径的选择、强拆及强制用户注销，如图3 4 所示。 图3 4 发布服务器功能结构图 与编码器的交互：发布服务器与编码器建立连接，获取视频流、停止视频流、 进行云台控制等操作，并且能够通过编码器的串口向视频矩阵发送命令，进行 视频源的切换。 与授权的交互：用户登陆到发布服务器时，发布服务器需要与授权服务器交互， 进行用户校验，并将其有权看到的视频源列表发送给用户，用户进行视频源的 调看、切换时，同样需要进行校验。 与调用的交互：调用服务器向发布服务器发送用户登陆、打开图像、切换图像 等命令请求，发布服务器处理命令后，向调用服务器发送命令的响应。 与发布的交互：v n m p 是一个多级的系统，每一级都可以有自己相对独立的发 1 5 第三章视频联网监控平臼的引入 布服务器，因此，当进行跨级调看视频时，需要与其它的发布服务器进行交互 才能完成。 视频流路径的选择：流媒体发布服务器的主要功能之一就是要选择合理的路径 将媒体流发送到相应客户端。当接收到用户调看某路图像的命令后，流媒体发 布服务器需要能够在整个交通视频监控网络内智能搜寻媒体路径，主动切换媒 体调看接入点。 强拆及强制用户注销：在特殊情况下，管理员可以通过发布服务器强拆当前用 户正在调看的图像，甚至可以强制用户注销。 3 3 3 调用服务器 调用服务器是是监控平台的人机图形接口，是v n m p 为用户提供的显示终端。用 户能够利用调用服务器方便的调看视频源。调用服务器用于向发布服务器发送用户的各 种操作请求，并执行发布处理的结果；调用服务器首先要对各种编码器编码后的图像信 息进行解码显示，这是其核心功能；其次将该用户具有权限的所有编码器按照树形结构 显示在界面上，便于对各路编码器进行选择。 调用服务器的功能可具体划分为：与发布的交互、视频流的解码与播放、视频流的 存储、调整视频参数、多画面切换通过电子地图进行调看图像等，如图3 5 所示。 f 。t 一? 一一一。一t 一： 图3 5 调用服务器功能结构图 与发布的交互：调用服务器是本系统的客户端，它的主要功能就是根据用户的 操作向发布发布服务器发送各种命令请求，例如用户登录，调看图像等，并且 执行发布服务器处理的结果。 视频流的解码与播放：调用服务器采用软解码技术，将发布服务器发送的视频 1 6 长安人学硕士学位论文 流进行本地解码与播放，这是调用服务器最基本也是最重要的功能。 视频流的存储：对于特定情况的视频流，为了方便日后的查看，可以进行本地 存储，对于多路视频同时播放的情况，可以并发存储。 调整视频参数：视频参数，一般指图像的亮度、灰度、对比度和饱和度等，这 些参数都会影响图像的视觉效果，当