摘要： 分布式視頻監控系統正廣泛應用。在分析當前高速公路數據交互需要的基礎上，結合高速公路業務平臺的需求分析，提出建立基于分布式的省域高速公路聯網監控系統。它是一種面向業務的，具有模塊化、開放性和先進性的監控系統。通過聯網監控系統能充分發揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，并且能最大程度地發揮高速公路網絡的通行能力。

關鍵詞： 高速公路監控系統；IP通信網絡；分布式監控單元；SDH；EOS

引言

隨著經濟建設的發展，省域高速公路網絡已頗具規模。作為高速公路運行管理的必備現代化手段，監控系統的建設和管理就顯得愈發重要，聯網監控是整個高速公路監控系統發展的必然趨勢。然而，當前路段獨立的監控系統無法充分發揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，更無法最大程度地發揮高速公路網絡的通行能力，所以省域聯網監控就顯的尤其必要。

圖1  協議通信的數據交互

聯網監控系統是一個省域分布式的，涉及上千臺計算機協同工作的系統工程，構造適于省域聯網監控網絡的技術實施方案，實現監控圖像的數字化處理、數字化傳輸、數字化存儲、以及數字化控制，從單條路的內部監控向路網環境的跨路段跨地域聯網監控轉變。其中關鍵在于寬帶視頻數據流的數字化處理、遠程調用、遠程控制、遠程發布和數據共享、監控數據和指令格式的規范、權限管理、聯邦數據庫的實現，以及省域監控的網絡管理系統等，以滿足省域聯網監控的需求，同時，拓展高速公路通信網的信息化支撐功能。
　　
聯網的數據交互

省域監控數據的聯網交互除了實現路段監控系統的監控圖像聯網之外，對于省域聯網監控系統的成敗也是至關重要的。實際應用中，對于往往需要交互調用跨路段、跨區域的監控數據，尤其是諸如關鍵路段、重點路段、互連互通等監控點數據。

對于各路段的數據采集監測設備而言，其種類繁多(如氣象檢測器，能見度監測器，車輛檢測器等等)、數據接口不一(RS232、RS422、RS485和CAN等)、速率不一、通信協議不一、數據格式不一。因此，實現監控數據的交互必須考慮監控數據規范化，對外場設備的遠程控制必須規范監控命令，進行兼容性轉換處理。對于路段的監控數據庫而言，考慮到高速公路的路段監控系統建設是相互獨立的，表現為監控數據庫的設計獨立、通信獨立和執行獨立，各路段低速監控數據庫結構不盡相同，處理方式和查詢語言各異，缺乏聯網制式，缺乏信息調用共享平臺。

實現聯網交通監控數據的交互存在兩種方法：協議通信和聯邦數據庫。其中，協議通信指通過串行接口或網口、制定通信規約與路段監控中心的監控計算機通信，獲取所需的監控數據。如圖1所示，需在路段監控系統中監控計算機中添加通信模塊，獲取的監控數據采用規范的格式傳送給授權用戶。該方案結構簡單，適合各路段中心的相對獨立聯網監控系統。

協議通信的關鍵工作是制定標準化的通信協議，協議目的在于不同制造廠的設備之間完全兼容和互操作性，規范上傳的數據格式。其中，物理層采用ITU-T建議，在所要求的介質上提供了二進對稱無記憶傳輸，以保證所定義鏈路層的組編碼方法高的數據完整性。鏈路層采用明確的鏈路規約控制信息(LPCI)，此鏈路控制信息可將一些應用服務數據單元(ASDUs)當作鏈路用戶數據，鏈路層采用幀格式的選集能保證所需的數據完整性、效率、以及方便傳輸。應用層包含一系列“應用功能”，它包含在源和目的之間傳送的應用服務數據單元中。
　　
聯網監控拓撲結構和功能管理

系統的拓撲結構

從網絡的角度上看，省域高速公路聯網監控系統拓撲結構如圖2所示。在省域SDH主干網上，采用IP over SDH 技術和EOS(Ethernet over SDH)設備，建立統一的IP監控傳輸平臺，省監控中心，以及各路段中心均作為傳輸網的節點，可通過該IP平臺實現各類數據的交互。考慮到系統的安全性，設置了信息發布服務器，外界的訪問需經過它認證、權限設定等，方可進行。路段中心節點帶有接入網，與各收費站局域網相連；省監控中心帶有數據統計、視頻調看等計算機組成的局域網，省監控中心負責與公網的互聯，及對非監控用戶的安全管理。

圖2 聯網監控拓撲結構圖

系統的功能管理

省域高速公路視頻監控系統構建在路段視頻監控系統基礎上，其結構復雜，用戶數量、設備種類繁多，系統的有效管理和有序控制尤為必要。在系統總體結構中，各路段中心、省中心之間交換的信息分為監控視頻信息、交通數據信息、管理控制信息。管理控制信息的實現機制對于省域聯網監控系統各節點之間能否高效的互聯互控至關重要。本項目給出的聯網監控系統的管理層次如圖3所示。
聯網監控系統的管理層次化分為4層：應用層、管理層、發布層和提供層。其中，應用層按用戶的類型分為省高速公路信息專網用戶和公共外網用戶，前者通過資源發布管理服務器進行認證、授權后可進行全省監控的調用和控制，后者通過省中心的Web發布服務器進行授權的調看操作。管理層包括網管服務器和資源發布服務器，負責管理整個聯網監控系統的設備狀態/性能/故障、監控資源(視頻/數據)、接入控制、身份認證、權限管理等等。發布層包括NW-DMDU、視頻信息發布服務器和Web發布服務器，負責各路段中心監控圖像、監控數據的接入發布，完成模擬圖像的壓縮編碼，監控數據的交互以及數字圖像的封裝上傳等，且接收授權用戶的指令進行圖像切換和控制。提供層包括模擬路段監控中心和數字路段監控中心，是聯網監控系統的監控圖像和監控數據的提供節點。

圖3 監控系統管理層次

根據聯網監控系統的管理控制信息的不同，具體功能管理又可分為：(1)資源管理，管理視頻信息系統內的所有資源，按需求進行動態分配和調度；(2)用戶管理，對用戶使用系統資源進行接入控制、身份認證、權限分配等；(3)過程控制管理，完成用戶使用系統資源過程中的實時操作，包括圖像切換、攝像球機控制等；(4)監控網絡管理，主要負責監控網絡設備的管理。前三種功能管理的實現是監控系統能否高效控制的關鍵。為此，在省域聯網監控的總體設計中，專門設置了資源發布管理服務器，負責管理聯網監控系統內的相關監控資源(監控圖像和監控數據)、用戶的授權和認證、圖像的切換和控制權限、圖像資源的重組等。資源發布管理服務器的設置布局不同，聯網監控的實現機制也隨著發生變化。
　　
系統功能實現模塊

系統模塊劃分

整個省域高速公路聯網監控系統，按拓撲、職能劃分可分為：省監控中心模塊、路段監控中心模塊，；按功能、技術實現可分為硬件平臺和軟件平臺兩大模塊。硬件平臺包括：聯網監控設備、網管服務器、資源發布管理服務器、監控終端以及IP通信網絡等，如圖4所示。

圖4 省域聯網監控功能模塊示意圖

軟件功能模塊劃分

系統軟件的開發是整個系統成敗的關鍵，系統軟件必須能夠可靠、穩定地與各子系統中的各種設備交換數據，具有故障監測和系統監控功能。系統采用層次化軟件設計和實現，按功能和目標劃分為不同層次的功能和目標模塊，每個功能或目標模塊定義自己的數據和算法，對外只提供由上層模塊調用的功能接口，面向目標的設計和實現帶來系統性能的高穩定性和程序的高可靠性，系統性能問題也易于定位和解決。

高速公路聯網監控系統軟件平臺主要由監控圖像處理模塊、監控數據處理模塊、流媒體實時發布模塊、網絡管理模塊和發布資源管理模塊組成，如圖5所示。其中，監控圖像處理模塊包括模擬系統的視頻編碼模塊和數字系統的視頻流轉發模塊；數據處理模塊包括監控數的據協議通信、專家系統分析、聯邦數據庫模塊等；流媒體發布模塊負責省監控中心向公共外網發布實時交通視頻流；網管模塊負責聯網監控系統中各設備的故障、配置、性能以及安全的管理；發布資源管理模塊負責網絡上可用監控視頻和數據資源的管理，用戶訪問、控制權限的認證等。

圖5 軟件模塊構成圖

聯網監控系統實現

聯網監控總體構成

省域聯網監控系統的組織構成圖，如圖6所示，體現了系統構成的技術實現主要內容，可分為：基于W-DMDU以太接入網的數字化路段監控系統，省監控中心監控系統，IP通信平臺。

圖6 聯網監控總體構成圖

在數字化路段監控系統中，以寬帶分布式監控單元WDMDU為基礎，與各種終端、服務器，以及三層交換機組成以太方式路段接入網。由位于各收費站的WDMDU實現了沿路各外場設備的數據采集、匯集，包括各類圖像的編碼、IP包傳輸等。位于該路段監控網的終端，遵循TCP/IP協議，與各類外場設備數據交互，實現路段監控的各項功能。非本路段的終端要訪問，須經本路段中心的視頻信息發布服務器和資源發布管理，進行認證、授權。省監控中心根據需要設置工作站、視頻發布服務器等組成本地的計算機局域網，通過交通專網與各路段交互，也可根據需要與公網相連。

IP地址規劃

省域高速公路專用通信網，作為一個龐大的分布專用網絡系統，為保證其正常運行和方便管理，必須對其依據地理位置、職能職責、網絡架構、網絡規模等進行IP地址規劃分配。IP地址的規劃原則如下。

* 自治性：根據高速公路管理體制，將龐大的整個網絡分切成小塊的網絡，每個小塊的網絡管理與網絡其他部分相對獨立，如每個路段中心為一個子網，便于管理。

* 唯一性：在整個省域高速公路專用通信網網絡內IP地址應該保持其唯一性。

* 簡單性：IP地址的分配應該簡單易管理，避免在主干上采用復雜的掩碼方式，雖然IP協議允許子網掩碼的“0”和“1”不連續，如掩碼為11111111. 11111111. 00110011. 11001100，但這會給路由尋徑帶來困難，影響網絡處理效率，所以應該采用連續的子網掩碼，如：11111111. 11111111. 11110000. 00000000。

* 連續性：根據地域、設備分布及區域內用戶數量來進行子網規劃時，充分考慮網絡層次和路由協議的規劃，為同一個網絡區域分配連續的網絡地址，通過聚合網絡減少網絡中路由的數目和地址維護的數量，便于縮減路由表表項，提高路由器的處理效率，充分體現分層管理的思想。

* 可擴充性：隨著高速公路通信專網要承載的業務量和業務種類越來越多，為同一個網絡區域分配的網絡地址應該具有一定的容量，便于主機數量增加時仍然能夠保持地址的連續性，保證網絡的可持續發展。

* 靈活性：IP地址的規劃應考慮不同的路由協議和不同的通信鏈路技術，合理使用VLSM(可變長子網掩碼)技術，能較好的適應不同的網絡特點，節約IP地址空間。

在聯網監控系統中，全網可采用私有保留地址。主干網絡采用基于IP OVER SDH千兆光纖以太網絡互連，各中心、收費站、辦公網等以百兆帶寬以太網接入，收費系統、監控系統、辦公局域網等采用VLAN 技術分別劃分虛網，VLAN之間通過訪問控制限定權限和可訪問服務，保證各系統之間的安全。
　　
結語

聯網監控是整個高速公路監控系統發展的必然趨勢，基于分布式的省域高速公路聯網監控系統是一種面向業務的，具有模塊化、開放性和先進性的監控系統。通過聯網監控系統能充分發揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能，并且能最大程度地發揮高速公路網絡的通行能力。省域聯網監控系統具體功能有：

* 通過省域高速公路專網，從各路段中心，提取與路網性能息息相關的各種重要圖像、數據，在必要時直接操作控制信息源；

* 綜合各類提取數據進行挖掘和分析，以把握路網的交通狀況，進而制定路網交通流控制方案，充分運用交通控制系統的技術手段來提高路網整體的通行能力；

* 在路網樞紐區域出現擁塞、或路段發生重大事故時，能迅速采取措施，發布路況信息，調動迂回，排除交通故障，組織緊急救援，恢復正常運行，以提高高速公路的整體服務水平，強化管理質量，充分發揮其安全、高效、舒適的特點。

參考文獻：

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