浅谈高速公路视频监控系统联网控制的设计思路
作者： 来源： 日期：2014-09-25 22:32人气：
随着我国高速公路的快速发展和管理水平的进一步提高，高速公路联网控制已被高速公路管理人员提上了建设日程。而在实际工作中，虽然高速公路机电系统相关技术发展迅速，为联网控制提供了可靠的技术支持，但是高速公路联网控制的实现仍然存在诸多难题。其中，高速公路视频监控系统的联网控制实现起来更为困难。本文作者结合自身工作经验，提出了高速公路视频监控系统联网控制的一种设计思路，并在文中论证了这种设计思路的可行性。
关键词：高速公路，视频监控，联网控制，设计思路，软件级联
一、前言
近年来，在国家加强基础设施建设的导向下，我国的高速公路建设迅猛发展，高速公路网已基本形成。与之配套的收费、监控、通信三大系统不断发展，功能也日趋完善，并已成为高速公路运营管理的核心系统。随着高速公路的运营管理要求不断提高，三大系统区域联网的要求日趋紧迫。
目前，国内高速公路中心监控系统尚无一套完整、可行的技术规范和开发方案，而机电系统基本都是各自独立招标开发的。这就造成了各路段的系统开发商都只以实现系统基本功能或按业主要求的系统功能来设计和建设机电系统的局面，尤其是在视频监控与信息发布系统的控制部分。设计时，开发商通常过度要求标段的硬件统一，或要求监控系统的开发商另外开发配合的软件。因此，高速公路中心监控系统的联网控制实施起来可谓困难重重。
下面，本人结合自身的工作，谈一下关于高速公路视频监控系统联网控制相关设计和功能实现的一些看法和观点。
二、视频监控联网控制系统的需求分析
根据实际工作的分析，管理部门在中心监控系统上的联网控制过程实际上包含三个部分：视频监控、信息发布与设备监控。而对于级联监控需求则主要分两种情况：第一是同一路段的联网控制需求，第二是多条路段的联网控制需求。
对于同一路段上多级监控中心之间，它们的联网控制需求是：
1.上级中心需要能对下级中心的视频信号进行切换，并能对下级中心所管辖的摄像机自由控制。
2.上级中心需要能随时掌握下级中心所管辖的发布信息的设备（一般情况下就是可变情报板与可变限速标志）的当前信息（主要是显示内容）。同时，上级中心需要能直接对这些设备进行控制，例如发布新的信息。
3.上级中心需要获取下级中心信息采集设备采集的设备数据，随时掌握整条路段上的信息（包括车流量、占有率、天气情况、路面状况等等）。
目前多数高速公路监控中心之间的联网控制过程是：监控中心通过数据通道来获取外场设备上传至下级分中心的数据和信息，以实现对数据的共享。同时，监控中心的管理人员直接以通知的形式来联系分中心监控员来实现对外场设备的控制。
对于同一路段来讲，业主单位通常会考虑到路段设备的数据通道和数据接口资源的统一和预留。因此，在同一路段上的监控中心之间的级联监控方案已经能比较方便地实现通过数据库进行数据共享，从而达到上述第2条需求。但是对于第1条需求，这种方式可以实现上级中心获取信息部分，但是设备控制部分则主要通过人工联系，即总中心监控员用电话通知分中心监控员，分中心监控员再按照上级指示对指定设备进行控制。对于第1条需求的操作过程也与第1条的操作过程一样，分中心监控员按上级指示切换信号，而上级中心对下级中心管辖的摄像机完全无法直接控制。
而对于不同路段之间的联网控制而言，其需求就简单了许多，因为不同路段上的监控中心，通常其上下级的控制并不是直接的（实际行政权利划分也不允许直接控制）。上级中心，例如一个省的监控总中心，它只需要能够得到当前各路段上信息发布设备的当前信息，并能对这些路段上传的视频信号做自由切换即可。不过，这种联网控制实现的难度却远大于同路段的联网控制。
无论是哪一种情况下，我们的中心监控系统都必须能适应其需求。对于同一路段的需求而言，联网控制通常是比较容易实现的。因为无论使用什么方案，协调工作比较容易，设备相对固定，但是对于不同路段的互联控制而言，由于设备不统一，软件系统不统一等原因，其实现起来则困难得多。
实际上，根据上述两种情况的需求分析，很容易看出，无论是同一路段的级联控制还是多条路段的联网控制，都要求的是实现视频监控系统与信息发布系统的联网控制。
在实际工作中，由于视频监控系统的重要性,监控中心的管理者通常会强调对该系统的直接控制。但因为该系统的设备多样且行业村规范不统一，联网控制的实现难度也更大。也就是说，实现视频监控系统的联网控制才是联网监控的重点和难点。
三、视频监控联网控制系统实现中存在的问题
视频监控系统是中心监控系统的重要组成部分。它以计算机为核心，结合多媒体技术、计算机网络技术，将监控信息（图像）从摄像机通过光纤网络、矩阵控制器等设备传输到桌面的计算机上，并可将各种控制命令通过桌面计算机进行传达，从而与信息管理系统融合在一起。视频监控系统是高速公路管理部门提高管理水平和效率，为过往司乘人员提供优质服务的功臣之一。
在实际生活中，视频监控系统应用广泛。目前在智能交通上常用的视频监控系统组成结构一般为：
1、摄像机采集视频信号，通过光纤网络传送到各级监控中心，并通过画面分隔器将视频信号显示于监视墙上；
2、多媒体计算机通过矩阵控制器对视频信号进行切换选取；
3、各类控制命令，如对云台的上下左右的转动以及配套的云台护罩的相应保护设备进行全方位的控制、对镜头进行光圈、焦距、景深的三可变控制、对摄像机预制点切换及设备警报处理等，都通过多媒体计算机串口发送到矩阵控制器（传输协议为RS232），矩阵控制器再将命令通过光纤网络发送到相应的云台解码器，从而达到对摄像机进行控制的目的。
在实际工作中，高速公路系统的视频控制系统联网工作存在的主要问题是：
1、不同路段设备的兼容性问题和控制模式不一致的问题。
高速公路建设基本上都是独立招标开发。由于建设时间不一样，技术水平相差很大。不但各系统集成商使用的硬件设备千差万别，就连系统控制的实现模式也有很大不同。
2、使用上的权限管理及多级锁定问题。
高速公路路网是分期建设的，基本上都是先建设各个路段的分中心，之后再建设上级总中心。虽然通常业主会考虑在系统上预留对上级控制接口，但实际上各系统都是针对自身建设项目系统集成的特点，即均是以实现路段分中心对摄像机的各种控制操作来设计和建设的。所以后期上级总中心在建成后，总会面临多级通道锁定以及权限管理的问题。
四、视频监控系统联网控制的设计思路及其实现
监控系统的联网控制是大的趋势。联网控制必须考虑到路段联网、省级联网甚至全国联网的要求。考虑到所有的高速公路并不是同一时间建成的，其监控系统不具有相同的硬件设备。所以联网控制的设计就必须强调能适应已有的以及将来的监控系统。
针对目前高速公路的现状，通过实现软件级联控制，可以很好地解决目前各分中心控制矩阵设备不统一的问题。由于是在软件层面上的级联，该思路基本没有对基础硬件的要求，只是利用现有设备、现有网络，是成本最小化的最优解决方案。以这种思路设计出的“级联控制”完全是人工操作。同时满足日益增长的信息化要求，从而自然就有了级联监控的需求。但我们也应该注意到，要使级联监控系统具有很强的适应能力，首先必须具有很强的扩展能力，能够适应不同的设备，方便部署于各个系统集成项目。
（一）设计思路
以目前河南省高速公路视频联网的工作需求为例，各分中心都已经建设完毕，拥有了统一的IP地址分配。为了利用原有系统设备并保证图像传输的质量，我们可以直接通过编解码器与外场摄像机来获取图像信息。基于这种设计思路，我们可以采用分布式的设计原则。而解决图像传输质量将是我们的主要目标。
对于视频监控系统而言，我们初步可抽象出六个划分：用户接口（UserInterface）、操作协议（OperationProtocol）、SocketClient、SocketServer、矩阵协议转换器（MatrixProcotol）、串口通讯（COMRS232）。其运行的基本过程是：管理人员通过用户接口进行各项操作，操作被解释为操作协议，经SocketClient通过TCP/IP协议发送到目的地的SocketServer上。在解释成操作后，调用矩阵协议转换器的相关接口，最后将该操作的实际矩阵协议通过串口经RS232协议传输到矩阵控制器。在实现过程中，为了避免软件工作量大和效率低的弊端，我们可以考虑把TCP/IP连接部分交由操作系统完成，已优化软件编程和系统运行。
该设计思路理论上能实现视频的联网监控。
（二）网络结构
从软件系统的角度来讲，该思路是可行的。但这种思路也有其硬件要求。
在高速公路监控系统中，视频监控系统的硬件配置通常为：摄像机、云台、光端机、矩阵控制器、电视墙、监视器阵列、数据库服务器、多媒体计算机。这些设备的不统一正是视频监控系统联网控制的最大难题。而我们的思路恰恰不依托于这些设备。
在实际工作中，各高速公路路段都有完善的通信、收费系统。也就是说，随着高速公路路网的形成，各路段分中心及收费站间大型完善的局域网络也已搭建好了。从软件部署上，软件的级联正是要依托于已建成的局域网络，而不再仅仅依赖于原有的矩阵控制器的联网。由各片区中心的多媒体计算机来统一管理各片区的矩阵控制器，从而达到本地网络的媒体控制目的。上级中心也正是通过对各路段的软件级联从而达到整体联网控制的目标。
因此，从网络结构的角度讲，该设计思路也是可行的。
（三）功能实现
该设计思路可实现以下功能：
1、权限管理
权限管理是视频监控系统联网控制设计的需要也是重要功能之一。软件系统可提供基于角色授权的权限平台，权限系统包括用户管理、资源管理、角色管理等。
2、图像通道管理
对图像通道的管理是通过设计通用通道管理模块实现的。用户请求某一路图像后，系统根据选择的图像计算出此图像首先进入的矩阵、矩阵对应的编号、对应控制矩阵的计算机；根据矩阵的信息计算出此矩阵上否上传到其它矩阵，如果有就计算出上传矩阵的编号等信息、上传矩阵对应的控制计算机信息，以上递归，以集合或数组形式完成，最后求出对应的视频编码器信息，发送图像给用户，同时向各个控制计算机发出控制指令，根据各个计算机对应的矩阵运行各种协议，合矩阵正常实现控制。
3、多级视频控制
系统采用集中管理的方法来控制视频，并分级分步分散实现控制业务。系统可以通过软件来控制各个矩阵，集中控制的系统发出控制指令，分散在各个矩阵旁和矩阵相联计算上的软件系统接收到控制信息后对指令进行解析，找出对应的协议通过通讯通道来控制矩阵，从而实现对图像的控制。
五、结束语
通过以上论述，我们看到通过“软件级联控制”的设计思路可以很巧妙的解决现实中困绕高速公路视频监控系统联网控制工作的诸多难题，并可以按照需要设计功能模块，很好的满足联网控制的各种需要。从一定方面来讲，该思路是完全可行的。
关键词：高速公路，视频监控，联网控制，设计思路，软件级联
一、前言
近年来，在国家加强基础设施建设的导向下，我国的高速公路建设迅猛发展，高速公路网已基本形成。与之配套的收费、监控、通信三大系统不断发展，功能也日趋完善，并已成为高速公路运营管理的核心系统。随着高速公路的运营管理要求不断提高，三大系统区域联网的要求日趋紧迫。
目前，国内高速公路中心监控系统尚无一套完整、可行的技术规范和开发方案，而机电系统基本都是各自独立招标开发的。这就造成了各路段的系统开发商都只以实现系统基本功能或按业主要求的系统功能来设计和建设机电系统的局面，尤其是在视频监控与信息发布系统的控制部分。设计时，开发商通常过度要求标段的硬件统一，或要求监控系统的开发商另外开发配合的软件。因此，高速公路中心监控系统的联网控制实施起来可谓困难重重。
下面，本人结合自身的工作，谈一下关于高速公路视频监控系统联网控制相关设计和功能实现的一些看法和观点。
二、视频监控联网控制系统的需求分析
根据实际工作的分析，管理部门在中心监控系统上的联网控制过程实际上包含三个部分：视频监控、信息发布与设备监控。而对于级联监控需求则主要分两种情况：第一是同一路段的联网控制需求，第二是多条路段的联网控制需求。
对于同一路段上多级监控中心之间，它们的联网控制需求是：
1.上级中心需要能对下级中心的视频信号进行切换，并能对下级中心所管辖的摄像机自由控制。
2.上级中心需要能随时掌握下级中心所管辖的发布信息的设备（一般情况下就是可变情报板与可变限速标志）的当前信息（主要是显示内容）。同时，上级中心需要能直接对这些设备进行控制，例如发布新的信息。
3.上级中心需要获取下级中心信息采集设备采集的设备数据，随时掌握整条路段上的信息（包括车流量、占有率、天气情况、路面状况等等）。
目前多数高速公路监控中心之间的联网控制过程是：监控中心通过数据通道来获取外场设备上传至下级分中心的数据和信息，以实现对数据的共享。同时，监控中心的管理人员直接以通知的形式来联系分中心监控员来实现对外场设备的控制。
对于同一路段来讲，业主单位通常会考虑到路段设备的数据通道和数据接口资源的统一和预留。因此，在同一路段上的监控中心之间的级联监控方案已经能比较方便地实现通过数据库进行数据共享，从而达到上述第2条需求。但是对于第1条需求，这种方式可以实现上级中心获取信息部分，但是设备控制部分则主要通过人工联系，即总中心监控员用电话通知分中心监控员，分中心监控员再按照上级指示对指定设备进行控制。对于第1条需求的操作过程也与第1条的操作过程一样，分中心监控员按上级指示切换信号，而上级中心对下级中心管辖的摄像机完全无法直接控制。
而对于不同路段之间的联网控制而言，其需求就简单了许多，因为不同路段上的监控中心，通常其上下级的控制并不是直接的（实际行政权利划分也不允许直接控制）。上级中心，例如一个省的监控总中心，它只需要能够得到当前各路段上信息发布设备的当前信息，并能对这些路段上传的视频信号做自由切换即可。不过，这种联网控制实现的难度却远大于同路段的联网控制。
无论是哪一种情况下，我们的中心监控系统都必须能适应其需求。对于同一路段的需求而言，联网控制通常是比较容易实现的。因为无论使用什么方案，协调工作比较容易，设备相对固定，但是对于不同路段的互联控制而言，由于设备不统一，软件系统不统一等原因，其实现起来则困难得多。
实际上，根据上述两种情况的需求分析，很容易看出，无论是同一路段的级联控制还是多条路段的联网控制，都要求的是实现视频监控系统与信息发布系统的联网控制。
在实际工作中，由于视频监控系统的重要性,监控中心的管理者通常会强调对该系统的直接控制。但因为该系统的设备多样且行业村规范不统一，联网控制的实现难度也更大。也就是说，实现视频监控系统的联网控制才是联网监控的重点和难点。
三、视频监控联网控制系统实现中存在的问题
视频监控系统是中心监控系统的重要组成部分。它以计算机为核心，结合多媒体技术、计算机网络技术，将监控信息（图像）从摄像机通过光纤网络、矩阵控制器等设备传输到桌面的计算机上，并可将各种控制命令通过桌面计算机进行传达，从而与信息管理系统融合在一起。视频监控系统是高速公路管理部门提高管理水平和效率，为过往司乘人员提供优质服务的功臣之一。
在实际生活中，视频监控系统应用广泛。目前在智能交通上常用的视频监控系统组成结构一般为：
1、摄像机采集视频信号，通过光纤网络传送到各级监控中心，并通过画面分隔器将视频信号显示于监视墙上；
2、多媒体计算机通过矩阵控制器对视频信号进行切换选取；
3、各类控制命令，如对云台的上下左右的转动以及配套的云台护罩的相应保护设备进行全方位的控制、对镜头进行光圈、焦距、景深的三可变控制、对摄像机预制点切换及设备警报处理等，都通过多媒体计算机串口发送到矩阵控制器（传输协议为RS232），矩阵控制器再将命令通过光纤网络发送到相应的云台解码器，从而达到对摄像机进行控制的目的。
在实际工作中，高速公路系统的视频控制系统联网工作存在的主要问题是：
1、不同路段设备的兼容性问题和控制模式不一致的问题。
高速公路建设基本上都是独立招标开发。由于建设时间不一样，技术水平相差很大。不但各系统集成商使用的硬件设备千差万别，就连系统控制的实现模式也有很大不同。
2、使用上的权限管理及多级锁定问题。
高速公路路网是分期建设的，基本上都是先建设各个路段的分中心，之后再建设上级总中心。虽然通常业主会考虑在系统上预留对上级控制接口，但实际上各系统都是针对自身建设项目系统集成的特点，即均是以实现路段分中心对摄像机的各种控制操作来设计和建设的。所以后期上级总中心在建成后，总会面临多级通道锁定以及权限管理的问题。
四、视频监控系统联网控制的设计思路及其实现
监控系统的联网控制是大的趋势。联网控制必须考虑到路段联网、省级联网甚至全国联网的要求。考虑到所有的高速公路并不是同一时间建成的，其监控系统不具有相同的硬件设备。所以联网控制的设计就必须强调能适应已有的以及将来的监控系统。
针对目前高速公路的现状，通过实现软件级联控制，可以很好地解决目前各分中心控制矩阵设备不统一的问题。由于是在软件层面上的级联，该思路基本没有对基础硬件的要求，只是利用现有设备、现有网络，是成本最小化的最优解决方案。以这种思路设计出的“级联控制”完全是人工操作。同时满足日益增长的信息化要求，从而自然就有了级联监控的需求。但我们也应该注意到，要使级联监控系统具有很强的适应能力，首先必须具有很强的扩展能力，能够适应不同的设备，方便部署于各个系统集成项目。
（一）设计思路
以目前河南省高速公路视频联网的工作需求为例，各分中心都已经建设完毕，拥有了统一的IP地址分配。为了利用原有系统设备并保证图像传输的质量，我们可以直接通过编解码器与外场摄像机来获取图像信息。基于这种设计思路，我们可以采用分布式的设计原则。而解决图像传输质量将是我们的主要目标。
对于视频监控系统而言，我们初步可抽象出六个划分：用户接口（UserInterface）、操作协议（OperationProtocol）、SocketClient、SocketServer、矩阵协议转换器（MatrixProcotol）、串口通讯（COMRS232）。其运行的基本过程是：管理人员通过用户接口进行各项操作，操作被解释为操作协议，经SocketClient通过TCP/IP协议发送到目的地的SocketServer上。在解释成操作后，调用矩阵协议转换器的相关接口，最后将该操作的实际矩阵协议通过串口经RS232协议传输到矩阵控制器。在实现过程中，为了避免软件工作量大和效率低的弊端，我们可以考虑把TCP/IP连接部分交由操作系统完成，已优化软件编程和系统运行。
该设计思路理论上能实现视频的联网监控。
（二）网络结构
从软件系统的角度来讲，该思路是可行的。但这种思路也有其硬件要求。
在高速公路监控系统中，视频监控系统的硬件配置通常为：摄像机、云台、光端机、矩阵控制器、电视墙、监视器阵列、数据库服务器、多媒体计算机。这些设备的不统一正是视频监控系统联网控制的最大难题。而我们的思路恰恰不依托于这些设备。
在实际工作中，各高速公路路段都有完善的通信、收费系统。也就是说，随着高速公路路网的形成，各路段分中心及收费站间大型完善的局域网络也已搭建好了。从软件部署上，软件的级联正是要依托于已建成的局域网络，而不再仅仅依赖于原有的矩阵控制器的联网。由各片区中心的多媒体计算机来统一管理各片区的矩阵控制器，从而达到本地网络的媒体控制目的。上级中心也正是通过对各路段的软件级联从而达到整体联网控制的目标。
因此，从网络结构的角度讲，该设计思路也是可行的。
（三）功能实现
该设计思路可实现以下功能：
1、权限管理
权限管理是视频监控系统联网控制设计的需要也是重要功能之一。软件系统可提供基于角色授权的权限平台，权限系统包括用户管理、资源管理、角色管理等。
2、图像通道管理
对图像通道的管理是通过设计通用通道管理模块实现的。用户请求某一路图像后，系统根据选择的图像计算出此图像首先进入的矩阵、矩阵对应的编号、对应控制矩阵的计算机；根据矩阵的信息计算出此矩阵上否上传到其它矩阵，如果有就计算出上传矩阵的编号等信息、上传矩阵对应的控制计算机信息，以上递归，以集合或数组形式完成，最后求出对应的视频编码器信息，发送图像给用户，同时向各个控制计算机发出控制指令，根据各个计算机对应的矩阵运行各种协议，合矩阵正常实现控制。
3、多级视频控制
系统采用集中管理的方法来控制视频，并分级分步分散实现控制业务。系统可以通过软件来控制各个矩阵，集中控制的系统发出控制指令，分散在各个矩阵旁和矩阵相联计算上的软件系统接收到控制信息后对指令进行解析，找出对应的协议通过通讯通道来控制矩阵，从而实现对图像的控制。
五、结束语
通过以上论述，我们看到通过“软件级联控制”的设计思路可以很巧妙的解决现实中困绕高速公路视频监控系统联网控制工作的诸多难题，并可以按照需要设计功能模块，很好的满足联网控制的各种需要。从一定方面来讲，该思路是完全可行的。
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