高速公路视频联网监控平台的研究与设计

摘要：分析了现有高速公路视频监控系统建设与运行现状下各省对交通视频监控资源联网共享的迫切需求，在交通监控域的概念下对域内资源进行统一命名与授权，制定了城内外资源的访问与控制规则，并在此基础上整合交通领城的公共视频资源，构建省域范围内的多级交通视频联网监控平台，使得省内各相关营运管理部门能够共享交通视频资源，为道路运营和管理决策提供可靠的依据与保障，并为交通应急指挥与救援系统提供良好的业务支撑。
关键词：交通信息工程；视频联网监控；交通监控域；视频资源整合

0 引言
    随着全国高速公路建设的推进，视频监控系统在整个监控系统中所占比重和复杂程度日益增加，由于在高速公路建设初期全国各省基本上都没有全省高速公路视频资源联网监控的方案规划，已建成的高速公路采用的视频监控方案、技术指标、设备型号和接口标准等方面现实存在着不同程度的差异。随着高速路网的逐步形成，各条高速公路上相互独立的视频监控系统已逐渐不能满足管理的需要，省级管理部门也无法对整个运营路网的交通运行状况有一个全面的掌握，异常非富的视频监控资源不能在全省各职能管理部门之间联网共享，甚至出现同一重点监控区域重复建设的情况。对视频监控资源共享的迫切需求正推动着各省大力推进视频资源联网监控系统的建设，如何采用国际标准的视频编解码协议和开放的网络流媒体访问协议，对于现有的监控资源进行整合提升，使视频监控系统与其他各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，实现省内交通视频资源的联网共享并为交通应急指挥提供强有力的支撑已成为当前路网运营管理的当务之急。

1 系统联网模型
    省级高速公路交通监控网络结构复杂，不利于对整个监控网络的规划和系统资源的整合，也不利于全省范围内视频联网监控机制的实现。通过对交通管理层次和路网建设运营现状的分析，结合交通设施设备“属地管理”的原则，在现有高速公路视频监控系统之上抽象出“交通监控域”的概念，对省级交通视频监控联网监控平台进行统一的模块化设计，简化相应的控制和数据流程，以最为简洁的模块化方式对全省范围内的视频监控资源进行统一的整合。所谓交通监控域是指“处于一定的地域范围，拥有一定量的交通监控资源，处于相同的联网节点逻辑结构之内，可以按照相同的联网规则控制的交通监控资源极其相应的道路基础设施的集合”。
    有了交通监控域的概念，可分别按照全省视频资源联网监控规则的要求，对各个交通监控域内的监控资源和基础设施进行重新的整合。通过调研现行高速公路系统的建设与规划现状，根据路网运营管理中的行政隶属关系，将各高速路段公司划分为相对独立的监控域。监控域由视频监控资源和视频监控管理系统组成，通过视频监控管理系统操纵和控制域内所有的视频监控资源，如图1所示。每一个交通监控域就是一个独立的自治单元，可自行完成各自域内视频资源的管理与控制，并可在全省统一视频资源联网监控规则要求下与相关监控域联网组成更大的交通监控域，从而实现省内、省际乃至全国范围内的交通视频联网监控平台。

2 资源统一命名与标识
2．1 交通监控域的命名
    视频联网监控平台内的每一个交通监控域都会被赋予一个名称，参照Internet网络上的域名系统(DNS)，其域内的资源根据一定的规则来统一命名，由本域内的资源服务器进行域名的解析。当多个交通监控域之间根据其管理职能形成树型结构时，交通监控域的名称就可根据其树型结构以域名的形式来表示，各个交通监控域的名称之间以“．”符号连接。
2．2 监控资源的命名
    交通监控域内资源的命名采用资源名称加交通监控域名的方式，以“@”符号连接。资源名称建议采用英文字母和汉语拼音。采用此种命名方式可有效避免不同域内资源重名的问题，并且利于网络寻址的实现。
2．3 监控域的数字标识
    根据各级监控域的隶属关系，对监控域及其域内资源进行统一的分类编号，使用较为精简的数字ID来标识每一个监控域，以方便计算机信息系统的交换、识别、存储与处理。
    各级监控域使用固定长度的数字ID来识别，用9位10进制数字表示，由省级识别码、监控域识别码和资源预留三部分从高到低顺序构成。

2．4 监控资源的数字标识
    监控资源ID使用监控域ID的编码规则，使用监控域ID中的资源预留部分，定义资源的类型和识别码，与监控域ID一起构成完整的资源ID，编码规则可适用于所有的各级监控域、用户、编码器和摄像机等资源。

3 资源访问权限
3．1 权限的定义
    交通监控域内的所有用户和资源均需要设置相应的权限，用以区分用户的访问级别，约束用户对资源的访问。权限的设置应尽可能方便灵活，便于验证与修改。通过对系统功能和用户级别的分析，可将权限分为诃看、控制、修改和网管4种权限。这四种权限之间是完全独立的，分别对应于不同的操作，定义如表3所示。

    根据每一种权限的作用范围，再细分出高级、中级和低级三个级别，如表4所示。
3．2 权限的分配
    监控域内的用户和资源可根据其具有的管理类型和访问级别来分配相应的权限。系统新加入的用户和资源不具有任何的权限，需要由授权用户对其分配权限后方可进入系统进行访问和操作。
    权限的分配应由具有授权权限的用户来完成，每一个监控域应设置少量具有授权权限的授权用户，可随时更改其作用范围内的用户与资源的注册信息，授予和收回用户与资源的系统权限。对于没有授权权限的用户，即使其为最高级的调看或者监管用户，仍无法对普通用户进行授权。
    平台的4种权限之间是完全独立的，不具有任何的交叉隐含关系，域内每一个用户和资源均可具有多种权限类别和级别，这些权限级别之间互相独立、互不干扰。权限分配时，可以分配和收回其中的一个或多个权限，对某一种权限的修改不会影响其他的权限。对于系统中的一般用户可授予其调看的权限，对于有资源控制需求的较高级用户，可授予其控制的权限；对于最高级别的用户可赋予其监管的权限，所有授予的权限仅在其作用范围内部起作用。
3．3 权限的验证
    权限的验证由域内的资源管理服务器来完成，用户登录系统和访问资源时坶需要向资源管理服务器发起权限验证请求，以获得访问该资源的权限。只有通过权限验证获得了访问许可的用户才可以进入系统使用资源。
    权限的验证包括访问类别验证和级别验证。用户在请求使用资源时，资源管理服务器根据用户请求操作的类型来决定验证哪一种权限类别。然后查看该资源所要求的权限级别，并与用户的权限级别进行比较，如果符合则赋予用户访问资源的权力，如果不符合则拒绝用户使用资源。
    对资源的控制权限通常只能赋予一个用户，当多个用户同时需要控制一个资源时，可根据用户控制权限级别的高低来决定哪个用户将获得资源的控制权力。在突发事件或者紧急情况下，高级别的用户可以“抢夺”低级别用户的控制权。

4 资源跨级访问
    在新的监控网络模型中，所有交通监控域在逻辑上都是独立和完整的，每个监控域负责本域内全部用户和资源的管理与维护，监控域与邻接域之间开辟数字化视频传输通道，形成与行政隶属关系相匹配的树型结构，完成与上级域以及其他监控域之间的视频联网共享。对于监控域内部的视频访问可按照原有系统的要求来操作，直接根据权限来访问，由视频资源所在的流媒体服务器向视频编码器获取媒体流，并进行媒体转发至用户调用计算机上回放再现；如果所访问的视频资源不是本域的资源，即用户需要跨域资源访问，调看外域视频信息时，则需要通过路由查找算法寻找到邻接域的流媒体服务器并向其发出访问请求，由邻接域的流媒体服务器来继续完成视频流的获取任务。通过这样的方式就可以设计出一种递归式的资源访问规则，流媒体发布服务器通过向其邻域服务器和本地用户提供一种统一的资源访问算法来对视频监控资源进行访问和寻址，其算法流程如图2所示。

    step1：客户向流媒体发布服务器发送“开始调看命令”。
    step2：流媒体发布服务器通过TCP／IP网络收到调用客户发出的“开始调看命令”
    step3：判断流媒体发布服务器到所请求调看的视频是否已有连接，若没有连接进入step4执行，否则进入step11执行。
    step4：根据所请求调看视频资源的域名，判断是否为本域内部视频资源，若是则连接前端编码器和摄像机并进入step5执行，否则不是本域内部资源进入step7执行。
    step5：连接本域内部视频编码器，准备接收视频流。
    step6：判断连接编码器成功与否，若连接成功进入step11执行，否则连接失败进入Step10执行。
    step7：通过路由表查找请求视频所属的外域流媒体发布服务器。
    step8：连接外域流媒体发布服务器，准备接收视频流。
    step9：判断连接外域流媒体发布服务器成功否，若连接成功，则进入step11执行，否则连接失败，进入step10执行。
    step10：连接失败，填写相关错误信息。
    step11：将命令信息记入调看表并更新发送表，准备发送视频流。
    step12：向客户发送开始调看命令响应，流程结束。
    通过以上的资源访问方式，用户就可以跨多级流媒体服务器访问监控系统中的视频监控资源。这种递归式的资源访问方法简单有效，而且在多个上级服务器访问同一个监控设备的时候还能节省带宽，这对于视频图像的传输来说是十分重要的。

5 系统联网的原则与要求
    交通视频联网监控平台构建于现有视频监控系统的基础之上，各区段高速公路的设计建设时间不同，视频监控采用技术标准不同，系统预留接口不统一，对视频联网监控的统一管理带来困难，结合目前路网建设运营现状，交通视频联网监控平台的联网建设应遵循“保持现状、提供接口、向下兼容、政策指导”的原则。所谓保持现状，是指现有的监控网络上的所有系统，尽量不去进行改动，保护原有功能与投资；提供接口是指对于需要用到的原有系统，要为其提供必要的数据传输接口，方便数据的传输与交换；向下兼容是指尽量采用国际标准的成熟的技术与方案，为后续的系统维护与改造提供便利条件；政策指导是指对于现有的监控系统应提出其联网监控的指导性意见，各参与联网的部门在此意见的指导下，根据自身实际情况来具体实施。
    视频联网监控平台功能特点与系统联网要求如下：
    (1)视频多级联网监控。各级联网监控平台自成一体，可在本域内部完成全部的监控工作，同时也可与相邻域、上级域组成更大的联网监控域，通过对域内资源的统一域名标识，随时随地定位使用域内资源。
    (2)网内资源统一标识。结合省级联网监控主体的行政级别与业务归属关系，在交通监控域的概念下对域内资源进行统一命名与授权，包括用户标识、角色标识、机构标识等，方便各个信息系统之间用户信息共享与交换，实现资源管理的本地化和资源访问的全局化，提高省域范围内的视频资源管理的统一性和一致性。
    (3)网内资源统一访问。省级高速公路视频资源联网监控平台中，建立起统一命名规则的认证管理规范，制定域内外资源权限控制规则与授权访问流程，构建统一身份认证与管理体系，实现统一入口、统一认证和统一访问控制的目标。
    (4)用户授权全网漫游。多级联网监控中，使用基于用户、用户组、业务和角色相结合的身份控制系统，授权用户只要在其注册域内完成授权认证就可访问域内任一处资源，而无需关心此资源处于哪一级子域之中；可对特定用户和摄像机的权限进行提升或下降修改，甚至回收其权限(紧急情况时)；对用户权限和资源权限的升降修改漫游通知全网并立即生效。
    (5)网络资源合理使用。位于各个子域中的媒体发布服务器之间使用最短路径连接，实时监测评估各个连接之间的网络连接情况，动态调整合并各个连接之间的网络连接数量，尽可能的在本域内部使用组播技术，最大限度避免媒体流的重复传送，以最优化的媒体转发方式使用子域之间宝贵的网络资源。
    (6)兼容多种编码格式。省级高速公路视频资源联网监控平台可有效的将建设于不同时期、使用不同监控技术的相对分散独立的道路视频监控资源整合集中于省级平台，支持MPEG-4，H．264等多种视频编码格式，支持多个厂家的视频编解码器，支持KALATEI，AB，AD等多种矩阵控制协议，系统配置灵活多样。

6 结语
    高速公路视频监控资源非常丰富，需要对其进行综合管理与利用。通过使用交通监控域的概念简化省内庞大复杂的监控系统联网模型，制定统一的联网规则与访问流程，在更高的层次上整合交通领域的公共视频资源，提升了各级交通运营管理部门联网共享视频资源的能力。构建省域范围内的多级交通视频联网监控平台，使得省内各相关营运管理部门能够联网共享交通视频资源，并为交通应急指挥与救援系统提供良好的业务支撑。在整个省域交通路网内为交通运输状况进行统一的协调、指挥、调度、救援等作业提供了可靠的保障，提高了交通路网的运营能力和服务水平，并为路网的运营管理和进一步建设提供依据。在省域范围内通过统一的视频联网监控平台，更可以将视频资源联网监控的范围延伸至内河、海洋、铁路、航空、运输等各个交通领域，从而实现省内、省际乃至全国范围的交通视频联网监控平台。