視頻監(jiān)控以其直觀性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，被高速公路、城市道路及鐵路等交通行業(yè)廣泛應(yīng)用。高速公路運(yùn)營單位通過機(jī)電系統(tǒng)設(shè)置的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地進(jìn)行監(jiān)控，并對各種突發(fā)事件做出及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。

高速公路視頻監(jiān)控的特點(diǎn)和現(xiàn)狀
    高速公路視頻監(jiān)控主要分兩種，一種設(shè)置于高速公路沿線（含立交、隧道、橋梁等），對交通流進(jìn)行監(jiān)視；一種設(shè)置于收費(fèi)站，對收費(fèi)進(jìn)行監(jiān)視。根據(jù)各路的管理體制，視頻一般直接上傳至臨近的現(xiàn)場監(jiān)控站，然后通過現(xiàn)場監(jiān)控站的視頻矩陣切換一定路數(shù)視頻上傳到監(jiān)控中心，再通過監(jiān)控中心視頻矩陣切換一定路數(shù)視頻上傳到監(jiān)控總中心。一般省級(jí)高速公路監(jiān)控管理模式分3~4級(jí)，比如重慶市高速公路在中西部區(qū)域采用三級(jí)監(jiān)控管理模式。第一級(jí)為重慶市監(jiān)控總中心兼中西部區(qū)域監(jiān)控中心，第二級(jí)為各公司監(jiān)控中心，第三級(jí)為隧道監(jiān)控站和外場設(shè)備。

    目前，大多省份高速公路之間相對獨(dú)立，視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控尚未形成，視頻圖像多采用光端機(jī)進(jìn)行傳輸，通過視頻矩陣進(jìn)行切換顯示和錄像。各級(jí)視頻矩陣采用級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行視頻聯(lián)網(wǎng)控制。

傳統(tǒng)監(jiān)控和組播監(jiān)控
    傳統(tǒng)監(jiān)控模式在高速公路建設(shè)初期，路網(wǎng)尚未形成時(shí)，對高速公路運(yùn)營管理起到了積極作用。但隨著高速公路的不斷發(fā)展，路網(wǎng)管理中心建設(shè)的不斷加快，路網(wǎng)多級(jí)視頻監(jiān)控功能需求的不斷提升，傳統(tǒng)監(jiān)控模式逐漸暴露其缺點(diǎn)，如占用光纖資源較多、帶寬得不到有效利用、系統(tǒng)擴(kuò)建難度大、不同品牌視頻矩陣級(jí)聯(lián)兼容性差、與其它系統(tǒng)融合困難等。

    采用組播監(jiān)控模式，結(jié)合虛擬矩陣，上述問題可以得到很好的解決，并可以在系統(tǒng)中增加其它有用的功能模塊，也可以與其它系統(tǒng)無縫銜接。

    圖1為傳統(tǒng)監(jiān)控模式和組播監(jiān)控模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對比，可以明顯的看到，使用組播主要優(yōu)勢有。

    1、系統(tǒng)穩(wěn)定，投資少。實(shí)現(xiàn)相同的功能，組播監(jiān)控比傳統(tǒng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備少。從而系統(tǒng)穩(wěn)定性高，投資少，滿足管理和運(yùn)營對成本控制的需要。

    2、控制靈活，圖像質(zhì)量好。傳統(tǒng)監(jiān)控在實(shí)現(xiàn)多級(jí)監(jiān)控時(shí)，需要光端機(jī)將前端攝像機(jī)視頻傳輸給視頻矩陣，再利用光端機(jī)將視頻矩陣輸出視頻向上級(jí)傳輸。這種方式上級(jí)只能觀看下級(jí)視頻矩陣切換給上級(jí)的圖像，造成上級(jí)管理的不靈活；并且圖像需要通過光端機(jī)再編再解傳輸，造成圖像質(zhì)量的不斷下降。與此相反，組播監(jiān)控系統(tǒng)的編碼過程只有一次，無論幾級(jí)監(jiān)控，各級(jí)監(jiān)控的解碼器直接從網(wǎng)絡(luò)中接收IP組播信號(hào)，避免了再編再解的現(xiàn)象；并且在可管理性上有大幅度的提高，可以利用虛擬矩陣控制解碼器接收前端任意一路視頻，而不受下級(jí)監(jiān)控中心的影響。[nextpage]

    由于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控模式的弊端，且系統(tǒng)的建設(shè)要考慮到今后幾年甚至幾十年業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)狀，重慶市高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)采用IP組播技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)監(jiān)控，無須再編再解，并且具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省設(shè)備投資，升級(jí)擴(kuò)容方便等優(yōu)點(diǎn)。

視頻組播監(jiān)控系統(tǒng)
    視頻組播監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)圖（見圖2）

    對于視頻圖像，重慶市高速公路視頻系統(tǒng)采用監(jiān)控圖像與收費(fèi)圖像共同傳輸方式，采用彈性分組環(huán)（RPR）技術(shù)與多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)（MSTP）技術(shù)相結(jié)合的方式。所有圖像均為數(shù)字化，由各級(jí)監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng)中的虛擬矩陣通過編解碼器實(shí)現(xiàn)控制和切換調(diào)用。

    系統(tǒng)按工作流程分為圖像及信號(hào)采集系統(tǒng)、圖像組播系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、虛擬矩陣系統(tǒng)、電視墻監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟解碼系統(tǒng)。

圖像及信號(hào)采集系統(tǒng)
    該系統(tǒng)處于最前端，主要負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的采集以及圖像控制信號(hào)的傳輸。對于距編碼器安置地點(diǎn)較遠(yuǎn)的攝像機(jī)，視頻信號(hào)通過光端機(jī)傳輸給編碼器編碼后發(fā)送。對于距編碼器較近的攝像機(jī)可以直接通過視頻線接入編碼器。對于帶云臺(tái)的攝像機(jī)和球機(jī)除了要傳送視頻信號(hào)外，還要傳送控制信號(hào)，編碼器應(yīng)提供RS232接口和傳輸通道。

圖像組播系統(tǒng)
1、組播
    IP組播是利用協(xié)議將IP數(shù)據(jù)包從一個(gè)源傳送到多個(gè)目的地，將信息的拷貝發(fā)送到一組地址，到達(dá)所有想要接收它的接收者處，是一對多的關(guān)系。IP組播是將IP數(shù)據(jù)包“盡最大努力”傳輸?shù)揭粋€(gè)構(gòu)成組播群組的主機(jī)集合，群組的各個(gè)成員可以分布于各個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上。IP組播群組中成員的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，主機(jī)可以隨時(shí)加入和退出群組，群組的成員關(guān)系決定了主機(jī)是否接收送給該群組的組播數(shù)據(jù)包，不是某群組的成員主機(jī)也能向該群組發(fā)送組播數(shù)據(jù)包。

    組播效率非常高，因?yàn)槿魏谓o定的鏈路最多用一次，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源。舉一個(gè)例子來說明，建立一個(gè)主機(jī)發(fā)送者和遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)的通信，網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)用戶。對于視頻監(jiān)控圖像，一個(gè)視頻信息流如果占用4Mbit/s的帶寬，在一個(gè)組播環(huán)境里，不論網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)目有多少，設(shè)備發(fā)出的一個(gè)視頻流，由網(wǎng)絡(luò)中的路由器或交換機(jī)同時(shí)復(fù)制出N個(gè)視頻流，組播到每個(gè)特定的用戶，僅需4Mbit/s的帶寬。因此，在系統(tǒng)環(huán)境中主干網(wǎng)是暢通的。圖3為組播示意圖。

    可見，IP組播能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源，大大減少網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)的負(fù)荷，從而高性能地發(fā)送信息。另外，組播傳送的信息能同時(shí)到達(dá)用戶端，時(shí)延小，且網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器不需要知道每個(gè)客戶機(jī)的地址。所有的接收者使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組播地址，可實(shí)現(xiàn)匿名服務(wù)。[nextpage]

2、視頻組播
    在高速公路視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)中，前端對圖像進(jìn)行壓縮編碼的編碼器可以對后端所有的解碼器實(shí)施組播功能，只要對解碼器的接收參數(shù)稍做更改，所有解碼器便可以同時(shí)接收到圖像的數(shù)字視頻信息數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)1臺(tái)編碼器發(fā)送，多臺(tái)解碼器接收的視頻組播傳輸機(jī)制。因此，有了這種視頻組播傳輸機(jī)制，后端的任意一臺(tái)解碼器就可以接收到前端任意一臺(tái)編碼器所發(fā)送的數(shù)字視頻信息數(shù)據(jù)。

    高速公路所承載各種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)主要為IP網(wǎng)絡(luò)，IP網(wǎng)絡(luò)具有多方面的優(yōu)勢，除了有較好的靈活性，穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性，傳輸容量大，承載業(yè)務(wù)種類多等各種優(yōu)點(diǎn)外，在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中還特別適用于和編解碼器相配合，共同實(shí)現(xiàn)對數(shù)字視頻信號(hào)、控制信號(hào)和報(bào)警信號(hào)的傳輸。由于IP網(wǎng)絡(luò)能對數(shù)字視頻信息傳輸進(jìn)行優(yōu)化并能增進(jìn)監(jiān)控的可管理性，且IP組播具有可升級(jí)性，與新的IP業(yè)務(wù)能相兼容，因此IP 組播技術(shù)逐步成為當(dāng)今高速公路視頻監(jiān)控的一個(gè)發(fā)展趨勢。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
    無論通信鏈路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，對于視頻傳輸系統(tǒng)都視為一個(gè)透明的傳輸鏈路，前端的各個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)和各個(gè)中心都可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊接入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，如圖2的視頻組播監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)圖所示。采用這種方案對于新建的道路前端節(jié)點(diǎn)或各級(jí)中心而言都可以無縫的直接接入網(wǎng)絡(luò)，無論對于擴(kuò)容、擴(kuò)建、還是升級(jí)而言都非常的方便，而且不會(huì)對原系統(tǒng)造成任何影響，不會(huì)產(chǎn)生任何額外浪費(fèi)。

    由于視頻傳輸需要通過組播功能實(shí)現(xiàn)，因此通信鏈路必須支持組播功能，交換機(jī)必須支持有關(guān)的組播協(xié)議。在沒有解碼器接收信號(hào)的時(shí)候，編碼器信號(hào)不在通信鏈路上傳輸，交換機(jī)直接將信號(hào)攔斷。

虛擬矩陣系統(tǒng)
1、虛擬矩陣原理
    傳統(tǒng)組網(wǎng)方式要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)控切換調(diào)度功能，需要使用視頻矩陣，并且必須將前端所有圖像輸入到視頻矩陣進(jìn)行切換。若中心需要輪流監(jiān)控200路圖像中的20路，則需要200對光端機(jī)進(jìn)行圖像傳輸，在中心通過支持200路圖像輸入的視頻矩陣切換20路圖像到電視墻。

    所謂虛擬矩陣就是不通過視頻矩陣而是通過計(jì)算機(jī)操作來實(shí)現(xiàn)視頻矩陣功能的軟件系統(tǒng)。它不但具備視頻矩陣所具備的功能而且操作簡單，功能強(qiáng)大，節(jié)省成本，是專門針對IP鏈路設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。上述視頻傳輸例子若采用虛擬矩陣只要20臺(tái)解碼器，且不需購買視頻矩陣。虛擬矩陣通過修改解碼器的接收組播IP地址可以對前端任意一路圖像進(jìn)行解碼觀看。每臺(tái)解碼器可以解碼輸出相同的圖像也可以輸出不同的圖像，然后接入監(jiān)視墻。當(dāng)需要切換圖像的時(shí)候，直接修改解碼器的接收組播IP地址。

    虛擬矩陣能夠按照用戶預(yù)先的設(shè)定，方便的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)切換功能。可以充分的節(jié)省帶寬，傳輸通道中不必傳輸200個(gè)視頻流，只需傳輸20個(gè)視頻流即可。虛擬矩陣可以讓前端編碼器只編碼不發(fā)送，當(dāng)虛擬矩陣設(shè)定解碼器接收圖像時(shí)再通知前端的編碼器輸出，這樣就可以保證需要觀看的圖像才會(huì)在鏈路中傳輸。

2、虛擬矩陣與其它系統(tǒng)
    虛擬矩陣作為高速公路機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，既要完成自身的功能，又要與其它系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。[nextpage]

    監(jiān)控系統(tǒng)軟件作為虛擬矩陣的上層軟件，用來完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能之一就是完成各類報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警警號(hào)搜集和處理，制定相應(yīng)的預(yù)案，依照預(yù)案向虛擬矩陣發(fā)送指令，虛擬矩陣按照指令將一路或幾路圖像切換到相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行觀看、錄像、分析等，并返回相應(yīng)的執(zhí)行情況。

其它系統(tǒng)
    電視墻監(jiān)視系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)圖像的直觀、實(shí)時(shí)顯示；數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)主要功能是對特定的圖像在特定的時(shí)間段進(jìn)行錄像以備事后查看、分析；報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制；計(jì)算機(jī)軟解碼系統(tǒng)是在各級(jí)監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上對圖像進(jìn)行選擇性的觀看和控制。

編解碼器配置原則
    為了滿足建設(shè)和管理的需要，降低建設(shè)和管理的費(fèi)用，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)情況，編解碼器配置采用多編少解的原則。編碼器根據(jù)各路段攝像機(jī)的數(shù)量，按攝像機(jī)和編碼器1:1比例配置；解碼器根據(jù)中心顯示設(shè)備的數(shù)量，按顯示設(shè)備和解碼器1:1比例配置。

系統(tǒng)功能
·對系統(tǒng)中的所有圖像進(jìn)行集中控制，集中管理。各級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有技術(shù)方案統(tǒng)一性，與其他系統(tǒng)協(xié)作工作時(shí)具備結(jié)構(gòu)開放性；
·系統(tǒng)中各級(jí)中心可以依照權(quán)限調(diào)用圖像，各中心相互獨(dú)立，互不干擾，依照權(quán)限判定對圖像進(jìn)行操作；
·系統(tǒng)可以直接調(diào)用任意編碼器的視頻圖像到監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控；可以調(diào)用任意編碼器的視頻圖像到指定的數(shù)字視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)；
·系統(tǒng)具備報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，當(dāng)有報(bào)警事件發(fā)生時(shí)，能夠按照預(yù)案自動(dòng)切換和調(diào)度圖像，存儲(chǔ)圖像。系統(tǒng)支持對各種事件設(shè)置處理預(yù)案，提高對各類事件的處理速度；
·系統(tǒng)中一個(gè)中心發(fā)生故障時(shí)，不對其它中心造成任何影響，同時(shí)可以通過其它中心實(shí)現(xiàn)應(yīng)急中心的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)中心的功能；
·系統(tǒng)提供多種控制優(yōu)先級(jí)供用戶選擇和定義，滿足各種情況下各中心對攝像機(jī)的獨(dú)立和并發(fā)控制要求；
·支持圖像軟解碼，支持在計(jì)算機(jī)上顯示和控制監(jiān)控圖像；
·支持對攝像機(jī)和云臺(tái)的控制；
·采用C/S架構(gòu)，通過SNMP協(xié)議對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置和管理，支持日志記錄和查詢，支持用戶管理與權(quán)限配置等功能。