基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)方案*

摘要： 分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用。在分析當前高速公路數(shù)據(jù)交互需要的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速公路業(yè)務(wù)平臺的需求分析，提出建立基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。它是一種面向業(yè)務(wù)的，具有模塊化、開放性和先進性的監(jiān)控系統(tǒng)。通過聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能充分發(fā)揮交通監(jiān)控的路徑誘導(dǎo)、多路徑交通流量調(diào)控的功能，并且能最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力。

關(guān)鍵詞： 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)；IP通信網(wǎng)絡(luò)；分布式監(jiān)控單元；SDH；EOS

引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，省域高速公路網(wǎng)絡(luò)已頗具規(guī)模。作為高速公路運行管理的必備現(xiàn)代化手段，監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和管理就顯得愈發(fā)重要，聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控是整個高速公路監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。然而，當前路段獨立的監(jiān)控系統(tǒng)無法充分發(fā)揮交通監(jiān)控的路徑誘導(dǎo)、多路徑交通流量調(diào)控的功能，更無法最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力，所以省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控就顯的尤其必要。

圖1  協(xié)議通信的數(shù)據(jù)交互

聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個省域分布式的，涉及上千臺計算機協(xié)同工作的系統(tǒng)工程，構(gòu)造適于省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實施方案，實現(xiàn)監(jiān)控圖像的數(shù)字化處理、數(shù)字化傳輸、數(shù)字化存儲、以及數(shù)字化控制，從單條路的內(nèi)部監(jiān)控向路網(wǎng)環(huán)境的跨路段跨地域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控轉(zhuǎn)變。其中關(guān)鍵在于寬帶視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字化處理、遠程調(diào)用、遠程控制、遠程發(fā)布和數(shù)據(jù)共享、監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令格式的規(guī)范、權(quán)限管理、聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)，以及省域監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等，以滿足省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的需求，同時，拓展高速公路通信網(wǎng)的信息化支撐功能。
　　
聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互

省域監(jiān)控數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)交互除了實現(xiàn)路段監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控圖像聯(lián)網(wǎng)之外，對于省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的成敗也是至關(guān)重要的。實際應(yīng)用中，對于往往需要交互調(diào)用跨路段、跨區(qū)域的監(jiān)控數(shù)據(jù)，尤其是諸如關(guān)鍵路段、重點路段、互連互通等監(jiān)控點數(shù)據(jù)。

對于各路段的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測設(shè)備而言，其種類繁多(如氣象檢測器，能見度監(jiān)測器，車輛檢測器等等)、數(shù)據(jù)接口不一(RS232、RS422、RS485和CAN等)、速率不一、通信協(xié)議不一、數(shù)據(jù)格式不一。因此，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互必須考慮監(jiān)控數(shù)據(jù)規(guī)范化，對外場設(shè)備的遠程控制必須規(guī)范監(jiān)控命令，進行兼容性轉(zhuǎn)換處理。對于路段的監(jiān)控數(shù)據(jù)庫而言，考慮到高速公路的路段監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)是相互獨立的，表現(xiàn)為監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的設(shè)計獨立、通信獨立和執(zhí)行獨立，各路段低速監(jiān)控數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不盡相同，處理方式和查詢語言各異，缺乏聯(lián)網(wǎng)制式，缺乏信息調(diào)用共享平臺。

實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)交通監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互存在兩種方法：協(xié)議通信和聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫。其中，協(xié)議通信指通過串行接口或網(wǎng)口、制定通信規(guī)約與路段監(jiān)控中心的監(jiān)控計算機通信，獲取所需的監(jiān)控數(shù)據(jù)。如圖1所示，需在路段監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控計算機中添加通信模塊，獲取的監(jiān)控數(shù)據(jù)采用規(guī)范的格式傳送給授權(quán)用戶。該方案結(jié)構(gòu)簡單，適合各路段中心的相對獨立聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

協(xié)議通信的關(guān)鍵工作是制定標準化的通信協(xié)議，協(xié)議目的在于不同制造廠的設(shè)備之間完全兼容和互操作性，規(guī)范上傳的數(shù)據(jù)格式。其中，物理層采用ITU-T建議，在所要求的介質(zhì)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(shù)據(jù)完整性。鏈路層采用明確的鏈路規(guī)約控制信息(LPCI)，此鏈路控制信息可將一些應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDUs)當作鏈路用戶數(shù)據(jù)，鏈路層采用幀格式的選集能保證所需的數(shù)據(jù)完整性、效率、以及方便傳輸。應(yīng)用層包含一系列“應(yīng)用功能”，它包含在源和目的之間傳送的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中。
　　
聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控拓撲結(jié)構(gòu)和功能管理

系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)的角度上看，省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在省域SDH主干網(wǎng)上，采用IP over SDH 技術(shù)和EOS(Ethernet over SDH)設(shè)備，建立統(tǒng)一的IP監(jiān)控傳輸平臺，省監(jiān)控中心，以及各路段中心均作為傳輸網(wǎng)的節(jié)點，可通過該IP平臺實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的交互?？紤]到系統(tǒng)的安全性，設(shè)置了信息發(fā)布服務(wù)器，外界的訪問需經(jīng)過它認證、權(quán)限設(shè)定等，方可進行。路段中心節(jié)點帶有接入網(wǎng)，與各收費站局域網(wǎng)相連；省監(jiān)控中心帶有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、視頻調(diào)看等計算機組成的局域網(wǎng)，省監(jiān)控中心負責(zé)與公網(wǎng)的互聯(lián)，及對非監(jiān)控用戶的安全管理。

圖2 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控拓撲結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的功能管理

省域高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建在路段視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用戶數(shù)量、設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)的有效管理和有序控制尤為必要。在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中，各路段中心、省中心之間交換的信息分為監(jiān)控視頻信息、交通數(shù)據(jù)信息、管理控制信息。管理控制信息的實現(xiàn)機制對于省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)各節(jié)點之間能否高效的互聯(lián)互控至關(guān)重要。本項目給出的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的管理層次如圖3所示。
聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的管理層次化分為4層：應(yīng)用層、管理層、發(fā)布層和提供層。其中，應(yīng)用層按用戶的類型分為省高速公路信息專網(wǎng)用戶和公共外網(wǎng)用戶，前者通過資源發(fā)布管理服務(wù)器進行認證、授權(quán)后可進行全省監(jiān)控的調(diào)用和控制，后者通過省中心的Web發(fā)布服務(wù)器進行授權(quán)的調(diào)看操作。管理層包括網(wǎng)管服務(wù)器和資源發(fā)布服務(wù)器，負責(zé)管理整個聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)/性能/故障、監(jiān)控資源(視頻/數(shù)據(jù))、接入控制、身份認證、權(quán)限管理等等。發(fā)布層包括NW-DMDU、視頻信息發(fā)布服務(wù)器和Web發(fā)布服務(wù)器，負責(zé)各路段中心監(jiān)控圖像、監(jiān)控數(shù)據(jù)的接入發(fā)布，完成模擬圖像的壓縮編碼，監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互以及數(shù)字圖像的封裝上傳等，且接收授權(quán)用戶的指令進行圖像切換和控制。提供層包括模擬路段監(jiān)控中心和數(shù)字路段監(jiān)控中心，是聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控圖像和監(jiān)控數(shù)據(jù)的提供節(jié)點。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)管理層次

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)的所有資源，按需求進行動態(tài)分配和調(diào)度；(2)用戶管理，對用戶使用系統(tǒng)資源進行接入控制、身份認證、權(quán)限分配等；(3)過程控制管理，完成用戶使用系統(tǒng)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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)管理，主要負責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。前三種功能管理的實現(xiàn)是監(jiān)控系統(tǒng)能否高效控制的關(guān)鍵。為此，在省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的總體設(shè)計中，專門設(shè)置了資源發(fā)布管理服務(wù)器，負責(zé)管理聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)監(jiān)控資源(監(jiān)控圖像和監(jiān)控數(shù)據(jù))、用戶的授權(quán)和認證、圖像的切換和控制權(quán)限、圖像資源的重組等。資源發(fā)布管理服務(wù)器的設(shè)置布局不同，聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的實現(xiàn)機制也隨著發(fā)生變化。
　　
系統(tǒng)功能實現(xiàn)模塊

系統(tǒng)模塊劃分

整個省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，按拓撲、職能劃分可分為：省監(jiān)控中心模塊、路段監(jiān)控中心模塊，；按功能、技術(shù)實現(xiàn)可分為硬件平臺和軟件平臺兩大模塊。硬件平臺包括：聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)管服務(wù)器、資源發(fā)布管理服務(wù)器、監(jiān)控終端以及IP通信網(wǎng)絡(luò)等，如圖4所示。

圖4 省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能模塊示意圖

軟件功能模塊劃分

系統(tǒng)軟件的開發(fā)是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，系統(tǒng)軟件必須能夠可靠、穩(wěn)定地與各子系統(tǒng)中的各種設(shè)備交換數(shù)據(jù)，具有故障監(jiān)測和系統(tǒng)監(jiān)控功能。系統(tǒng)采用層次化軟件設(shè)計和實現(xiàn)，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(shù)據(jù)和算法，對外只提供由上層模塊調(diào)用的功能接口，面向目標的設(shè)計和實現(xiàn)帶來系統(tǒng)性能的高穩(wěn)定性和程序的高可靠性，系統(tǒng)性能問題也易于定位和解決。

高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺主要由監(jiān)控圖像處理模塊、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理模塊、流媒體實時發(fā)布模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊和發(fā)布資源管理模塊組成，如圖5所示。其中，監(jiān)控圖像處理模塊包括模擬系統(tǒng)的視頻編碼模塊和數(shù)字系統(tǒng)的視頻流轉(zhuǎn)發(fā)模塊；數(shù)據(jù)處理模塊包括監(jiān)控數(shù)的據(jù)協(xié)議通信、專家系統(tǒng)分析、聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫模塊等；流媒體發(fā)布模塊負責(zé)省監(jiān)控中心向公共外網(wǎng)發(fā)布實時交通視頻流；網(wǎng)管模塊負責(zé)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中各設(shè)備的故障、配置、性能以及安全的管理；發(fā)布資源管理模塊負責(zé)網(wǎng)絡(luò)上可用監(jiān)控視頻和數(shù)據(jù)資源的管理，用戶訪問、控制權(quán)限的認證等。

圖5 軟件模塊構(gòu)成圖

聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控總體構(gòu)成

省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的組織構(gòu)成圖，如圖6所示，體現(xiàn)了系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)實現(xiàn)主要內(nèi)容，可分為：基于W-DMDU以太接入網(wǎng)的數(shù)字化路段監(jiān)控系統(tǒng)，省監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)，IP通信平臺。

圖6 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控總體構(gòu)成圖

在數(shù)字化路段監(jiān)控系統(tǒng)中，以寬帶分布式監(jiān)控單元WDMDU為基礎(chǔ)，與各種終端、服務(wù)器，以及三層交換機組成以太方式路段接入網(wǎng)。由位于各收費站的WDMDU實現(xiàn)了沿路各外場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、匯集，包括各類圖像的編碼、IP包傳輸?shù)?。位于該路段監(jiān)控網(wǎng)的終端，遵循TCP/IP協(xié)議，與各類外場設(shè)備數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)路段監(jiān)控的各項功能。非本路段的終端要訪問，須經(jīng)本路段中心的視頻信息發(fā)布服務(wù)器和資源發(fā)布管理，進行認證、授權(quán)。省監(jiān)控中心根據(jù)需要設(shè)置工作站、視頻發(fā)布服務(wù)器等組成本地的計算機局域網(wǎng)，通過交通專網(wǎng)與各路段交互，也可根據(jù)需要與公網(wǎng)相連。

IP地址規(guī)劃

省域高速公路專用通信網(wǎng)，作為一個龐大的分布專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為保證其正常運行和方便管理，必須對其依據(jù)地理位置、職能職責(zé)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等進行IP地址規(guī)劃分配。IP地址的規(guī)劃原則如下。

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

* 唯一性：在整個省域高速公路專用通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)IP地址應(yīng)該保持其唯一性。

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

* 連續(xù)性：根據(jù)地域、設(shè)備分布及區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量來進行子網(wǎng)規(guī)劃時，充分考慮網(wǎng)絡(luò)層次和路由協(xié)議的規(guī)劃，為同一個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分配連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)地址，通過聚合網(wǎng)絡(luò)減少網(wǎng)絡(luò)中路由的數(shù)目和地址維護的數(shù)量，便于縮減路由表表項，提高路由器的處理效率，充分體現(xiàn)分層管理的思想。

* 可擴充性：隨著高速公路通信專網(wǎng)要承載的業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)種類越來越多，為同一個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分配的網(wǎng)絡(luò)地址應(yīng)該具有一定的容量，便于主機數(shù)量增加時仍然能夠保持地址的連續(xù)性，保證網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。

* 靈活性：IP地址的規(guī)劃應(yīng)考慮不同的路由協(xié)議和不同的通信鏈路技術(shù)，合理使用VLSM(可變長子網(wǎng)掩碼)技術(shù)，能較好的適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)特點，節(jié)約IP地址空間。

在聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，全網(wǎng)可采用私有保留地址。主干網(wǎng)絡(luò)采用基于IP OVER SDH千兆光纖以太網(wǎng)絡(luò)互連，各中心、收費站、辦公網(wǎng)等以百兆帶寬以太網(wǎng)接入，收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、辦公局域網(wǎng)等采用VLAN 技術(shù)分別劃分虛網(wǎng)，VLAN之間通過訪問控制限定權(quán)限和可訪問服務(wù)，保證各系統(tǒng)之間的安全。
　　
結(jié)語

聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控是整個高速公路監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，基于分布式的省域高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是一種面向業(yè)務(wù)的，具有模塊化、開放性和先進性的監(jiān)控系統(tǒng)。通過聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能充分發(fā)揮交通監(jiān)控的路徑誘導(dǎo)、多路徑交通流量調(diào)控的功能，并且能最大程度地發(fā)揮高速公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力。省域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具體功能有：

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

* 綜合各類提取數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，以把握路網(wǎng)的交通狀況，進而制定路網(wǎng)交通流控制方案，充分運用交通控制系統(tǒng)的技術(shù)手段來提高路網(wǎng)整體的通行能力；

* 在路網(wǎng)樞紐區(qū)域出現(xiàn)擁塞、或路段發(fā)生重大事故時，能迅速采取措施，發(fā)布路況信息，調(diào)動迂回，排除交通故障，組織緊急救援，恢復(fù)正常運行，以提高高速公路的整體服務(wù)水平，強化管理質(zhì)量，充分發(fā)揮其安全、高效、舒適的特點。

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