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摘要：随着新技术的发展，高速公路机电系统的智能化程度越来越高，视频监控系统也经历了模拟监控至数字监控的阶段发展。随着用户对视频监控的需求逐渐增加，数字视频监控系统具有更好的适用性。本文介绍了高速公路行业视频监控技术的发展，列举了目前常见的几种数字视频传输组网方式，并详细分析了每种方式的特点和适用条件。通过与模拟监控比较，阐述了数字监控的优势和特点。最后针对应用中的一些問题，提出了具体的措施和解决方法，并对高速公路视频监控系统的发展进行了展望。
关键词：高速公；监控系统；数字视频
一、研究背景
随着科学技术的飞速发展，高速公路机电系统的智能化程度也越来越高，目前我国大部分高速公路都设置有完善的道路监控系统。完善的监控系统在保障高速行车安全、道路畅通方面发挥着极其重要的作用。
闭路电视监控系统（CCTV）是高速公路监控系统的重要组成部分，一个完善的视频监控系统通常由前端摄像机、视频传输设备、视频处理设备以及后端显示设备等部分组成。高速公路视频监控技术经历了模拟至数字的几个阶段发展，随着数字视频压缩技术日益成熟，多媒体技术被广泛应用，数字化监控技术已经成为主流。所谓的数字化视频技术是指在视频的传输、控制、存储等方面均采用数字化处理，这样既提高了图像传输存储的可靠性和稳定性，也增强了网络管理和扩展性。
目前，各省市高速公路路网逐渐扩大，不断推进路段联网，各级管理部门对视频图像的需求显著增加，对图像的清晰度、传输距离、图像信息等方面提出了更高的要求。面对新的需求，基于模拟信号传输的CCTV系统难以满足行业内对于视频传输的应用需求，而数字化闭路电视监控系统具有更好的适用性。
二、数字视频传输方式
目前在高速公路行业采用数字化视频解决方案主要有以下几种方式：
1、数字非压缩光端机
数字非压缩光端机是高速公路机电系统中应用较多的一种模式。由于在光纤中传输的图像采用数字化方式传输，避免了受到非线性失真等因素的影响，并且可以采用复用技术，在一芯光纤中实现多路图像的传输，增加了光纤的利用效率。在以模拟视频矩阵为中心的监控系统中有较好的适用性。但是伴随近年来联网监控的加速发展，这种方式已很少使用了，主要是因为数字非压缩传输无法利用通信网，需要单独建设传输网，成本较高且无法大规模联网。
2、数字非压缩光平台
由于光端机和矩阵组建的松散式视频系统的整体性能不佳，且联网特性差，因此厂家逐步推出了光端机接入、非压缩数字视频交换的视频监控系统框架。通过信号PCM数字化处理，在已经形成的模拟视频传输信号上进行数字化包装，将模拟视频信号转化为数字信号，通过光纤接入至平台，通过时分复用技术进行时隙交换，减少信号失真。
数字非压缩光平台结合了光纤通信及高速数字总线交换技术，去除了分配器、矩阵、叠加器等设备，减少了噪声引入，保证了图像质量和延迟水平。但非压缩平台仅适用于模拟摄像机系统，不能无缝兼容高清业务。因为高清视频技术只能走压缩数字化的道路。非压缩方式的数字编码没有统一格式，不同厂家的设备无法对接。且光纤占用较多，1芯光纤通常最多传输16路非压缩数字视频，为了提供足够的视频通道，需要占用大量主干光纤。因此非压缩光平台具有一定的局限性。
3、H.264编码视频综合接入
随着联网监控的发展趋势，行业规范逐步强化，基于H.264压缩标准的视频综合接入解决方案技术也已成熟，成为视频传输的一个新方向。该方案使得数字视频协议标准化，图像的网络化传输更为灵活，组网也更为方便。由于高清数字视频是基于IP技术的，随着高清监控的普及，在高速公路机电系统中的应用也更为广泛。
三、数字视频监控组网方式
目前在高速公路行业针对数字监控的视频组网主要有以下几种方式：
1、利用通信系统进行组网
通信系统可以提供一个安全可靠的传输平台，具有多级保护能力，传输延时小，通信系统可以提供具备动态带宽分配的业务级保护，在图像被大量调用时，不会因为出现带宽峰值而影响图像传输。在组网时，前后端的编解码设备需先接入交换机，再接入通信系统，增加了故障点。通信系统带宽也是相对固定，STM-4等级的传输速率为622Mbps，实际可用带宽更小一些，以8M高清图像+2M存储码流计算，约可以传输40路左右的视频。
2、利用以太网交换机独立组网
以太网交换机组网时交换机吞吐容量大，有效带宽大，可满足高清图像传输需求，可同时接入多种业务，节约投资。因此在采用高清视频或视频路数较多的情况下，可以考虑采用千兆以太网或者万兆以太网方式独立组网。缺点是网管信息与业务数据混合传输，当网络发生拥堵时，网管信息也无法发送。安全性相对较差，需要组建专网，或有防火墙等保护。
四、数字监控的优势
传统模式在应用中存在以下问题：占用大量的光纤资源；系统复杂度高，故障点多；光端机产品本身网管能力较差。因此造成高速公路视频监控系统的构成复杂，增加了后期运营维护管理的难度。尤其是对于高清视频，由于高清信号频率很高，模拟传输距离十分受限。数字视频技术解决了这些问题，具有以下优点：
1、数字视频设备的输入输出信号稳定可靠，能够避免模拟系统中非线性失真的影响。数字信号在传输过程中不会逐步积累噪声，保持信噪比基本不变，收端图像质量基本与发端一致，适合多环节和长距离的传输。符合高速公路联网的特征需求。
2、数字技术与计算机配合，可以实现数字监控设备的自动控制和操作，符合高速公路智能化发展的需求。数字视频更方便进行视频处理，可实现大量图像处理功能。且数字信息易于存贮和检索，可以高效的检索到所需信息，极大的提高了工作效率。
3、利用数字编码技术使视频传输带宽明显减少，通常为模拟视频所占带宽的1/4左右。而且利用数字编码的方法，更有利于视频的保密。系统具有良好的扩展性，改造及扩容投资小。
五、应用中的一些问题
1、数字视频所需的传输带宽
传输带宽计算：码率×摄像机的路数=最低网络带宽。如果要在有限的带宽传输更多的视频，控制码率是直接的解决方法。但码率直接和图像质量相关，要根据显示和存储需求合理的设置分辨率、帧率。确定了所需的传输带宽，还需要考虑到交换机的处理能力和存储设备的I/O性能，才能保证视频图像的流畅。
2、H.264编解码设备的互编互解互控
H.264的数据压缩算法虽然具有很高的压缩比，但实现复杂度高。由于标准的复杂性以及标准本身存在的可选项，各个厂家根据自己对标准的理解进行系统设计，导致H.264编码算法的不同厂家芯片存在兼容性的问题。如果要各个厂家真正做到互编、互解、互控，还需要业主方进行协议的统一制定和规范。
当前的H.264编解码芯片能力都局限在MainProfile@Level 3的SD标清解码层次上，目前在高速公路行业还是以标准清晰度的H.264方案为主，但随着需求的提高和技术的发展，将会过渡到H.264高清标准。
六、总结
高速公路行业的发展日新月异，新技术的应用层出不穷。从模拟图像到数字图像，从复杂的系统构架到简洁的网络拓扑。数字化图像技术的应用为高速公路机电系统提供了更便捷的解决方案，成为行业视频监控技术发展新的方向。
数字视频监控从标清到高清，再到全高清，用户的需求也越来越高。高清视频技术在网络时代的飞速发展，也大大提升了视频监控的应用价值，推动着基于视频图像的应用技术的不断创新，为监控系统带来了更广阔的发展空间。
作者简介：李鸣珏（1985.8.26），男，北京， 本科，系统工程师，工程师，研究方向：智能交通.
关键词：高速公；监控系统；数字视频
一、研究背景
随着科学技术的飞速发展，高速公路机电系统的智能化程度也越来越高，目前我国大部分高速公路都设置有完善的道路监控系统。完善的监控系统在保障高速行车安全、道路畅通方面发挥着极其重要的作用。
闭路电视监控系统（CCTV）是高速公路监控系统的重要组成部分，一个完善的视频监控系统通常由前端摄像机、视频传输设备、视频处理设备以及后端显示设备等部分组成。高速公路视频监控技术经历了模拟至数字的几个阶段发展，随着数字视频压缩技术日益成熟，多媒体技术被广泛应用，数字化监控技术已经成为主流。所谓的数字化视频技术是指在视频的传输、控制、存储等方面均采用数字化处理，这样既提高了图像传输存储的可靠性和稳定性，也增强了网络管理和扩展性。
目前，各省市高速公路路网逐渐扩大，不断推进路段联网，各级管理部门对视频图像的需求显著增加，对图像的清晰度、传输距离、图像信息等方面提出了更高的要求。面对新的需求，基于模拟信号传输的CCTV系统难以满足行业内对于视频传输的应用需求，而数字化闭路电视监控系统具有更好的适用性。
二、数字视频传输方式
目前在高速公路行业采用数字化视频解决方案主要有以下几种方式：
1、数字非压缩光端机
数字非压缩光端机是高速公路机电系统中应用较多的一种模式。由于在光纤中传输的图像采用数字化方式传输，避免了受到非线性失真等因素的影响，并且可以采用复用技术，在一芯光纤中实现多路图像的传输，增加了光纤的利用效率。在以模拟视频矩阵为中心的监控系统中有较好的适用性。但是伴随近年来联网监控的加速发展，这种方式已很少使用了，主要是因为数字非压缩传输无法利用通信网，需要单独建设传输网，成本较高且无法大规模联网。
2、数字非压缩光平台
由于光端机和矩阵组建的松散式视频系统的整体性能不佳，且联网特性差，因此厂家逐步推出了光端机接入、非压缩数字视频交换的视频监控系统框架。通过信号PCM数字化处理，在已经形成的模拟视频传输信号上进行数字化包装，将模拟视频信号转化为数字信号，通过光纤接入至平台，通过时分复用技术进行时隙交换，减少信号失真。
数字非压缩光平台结合了光纤通信及高速数字总线交换技术，去除了分配器、矩阵、叠加器等设备，减少了噪声引入，保证了图像质量和延迟水平。但非压缩平台仅适用于模拟摄像机系统，不能无缝兼容高清业务。因为高清视频技术只能走压缩数字化的道路。非压缩方式的数字编码没有统一格式，不同厂家的设备无法对接。且光纤占用较多，1芯光纤通常最多传输16路非压缩数字视频，为了提供足够的视频通道，需要占用大量主干光纤。因此非压缩光平台具有一定的局限性。
3、H.264编码视频综合接入
随着联网监控的发展趋势，行业规范逐步强化，基于H.264压缩标准的视频综合接入解决方案技术也已成熟，成为视频传输的一个新方向。该方案使得数字视频协议标准化，图像的网络化传输更为灵活，组网也更为方便。由于高清数字视频是基于IP技术的，随着高清监控的普及，在高速公路机电系统中的应用也更为广泛。
三、数字视频监控组网方式
目前在高速公路行业针对数字监控的视频组网主要有以下几种方式：
1、利用通信系统进行组网
通信系统可以提供一个安全可靠的传输平台，具有多级保护能力，传输延时小，通信系统可以提供具备动态带宽分配的业务级保护，在图像被大量调用时，不会因为出现带宽峰值而影响图像传输。在组网时，前后端的编解码设备需先接入交换机，再接入通信系统，增加了故障点。通信系统带宽也是相对固定，STM-4等级的传输速率为622Mbps，实际可用带宽更小一些，以8M高清图像+2M存储码流计算，约可以传输40路左右的视频。
2、利用以太网交换机独立组网
以太网交换机组网时交换机吞吐容量大，有效带宽大，可满足高清图像传输需求，可同时接入多种业务，节约投资。因此在采用高清视频或视频路数较多的情况下，可以考虑采用千兆以太网或者万兆以太网方式独立组网。缺点是网管信息与业务数据混合传输，当网络发生拥堵时，网管信息也无法发送。安全性相对较差，需要组建专网，或有防火墙等保护。
四、数字监控的优势
传统模式在应用中存在以下问题：占用大量的光纤资源；系统复杂度高，故障点多；光端机产品本身网管能力较差。因此造成高速公路视频监控系统的构成复杂，增加了后期运营维护管理的难度。尤其是对于高清视频，由于高清信号频率很高，模拟传输距离十分受限。数字视频技术解决了这些问题，具有以下优点：
1、数字视频设备的输入输出信号稳定可靠，能够避免模拟系统中非线性失真的影响。数字信号在传输过程中不会逐步积累噪声，保持信噪比基本不变，收端图像质量基本与发端一致，适合多环节和长距离的传输。符合高速公路联网的特征需求。
2、数字技术与计算机配合，可以实现数字监控设备的自动控制和操作，符合高速公路智能化发展的需求。数字视频更方便进行视频处理，可实现大量图像处理功能。且数字信息易于存贮和检索，可以高效的检索到所需信息，极大的提高了工作效率。
3、利用数字编码技术使视频传输带宽明显减少，通常为模拟视频所占带宽的1/4左右。而且利用数字编码的方法，更有利于视频的保密。系统具有良好的扩展性，改造及扩容投资小。
五、应用中的一些问题
1、数字视频所需的传输带宽
传输带宽计算：码率×摄像机的路数=最低网络带宽。如果要在有限的带宽传输更多的视频，控制码率是直接的解决方法。但码率直接和图像质量相关，要根据显示和存储需求合理的设置分辨率、帧率。确定了所需的传输带宽，还需要考虑到交换机的处理能力和存储设备的I/O性能，才能保证视频图像的流畅。
2、H.264编解码设备的互编互解互控
H.264的数据压缩算法虽然具有很高的压缩比，但实现复杂度高。由于标准的复杂性以及标准本身存在的可选项，各个厂家根据自己对标准的理解进行系统设计，导致H.264编码算法的不同厂家芯片存在兼容性的问题。如果要各个厂家真正做到互编、互解、互控，还需要业主方进行协议的统一制定和规范。
当前的H.264编解码芯片能力都局限在MainProfile@Level 3的SD标清解码层次上，目前在高速公路行业还是以标准清晰度的H.264方案为主，但随着需求的提高和技术的发展，将会过渡到H.264高清标准。
六、总结
高速公路行业的发展日新月异，新技术的应用层出不穷。从模拟图像到数字图像，从复杂的系统构架到简洁的网络拓扑。数字化图像技术的应用为高速公路机电系统提供了更便捷的解决方案，成为行业视频监控技术发展新的方向。
数字视频监控从标清到高清，再到全高清，用户的需求也越来越高。高清视频技术在网络时代的飞速发展，也大大提升了视频监控的应用价值，推动着基于视频图像的应用技术的不断创新，为监控系统带来了更广阔的发展空间。
作者简介：李鸣珏（1985.8.26），男，北京， 本科，系统工程师，工程师，研究方向：智能交通.