基于无损光网络的高速公路高清视频改造方案分析

胡晓刚

（福建省高速公路集团有限公司三明管理分公司，福建 三明 365000）

1 高速公路高清视频改造的背景

1.1 高清视频改造的目的及意义

根据《交通强国建设纲要》及《数字交通“十四五”发展规划》等关于交通基础设施建设及养护的要求，模拟标清视频在图像清晰度、智能化应用、可监测性等方面已极大制约了高速公路视频监控系统的深度应用，无法满足在视频上云、智慧高速等场景的视频应用需求，因此针对模拟标清视频系统的数字高清改造显得尤为迫切。

1.2 模拟视频系统的现状及存在问题

福建泉三高速三明段于2008年12月通车，早期模拟视频监控系统使用模拟摄像机、模拟视频光端机、视频分配器、字符叠加器、硬盘录像机、模拟矩阵、H.264 编解码器等设备实现图像采集、传输、后端控制、存储等功能。后期针对模拟视频系统的不足，利用混合型硬盘录像机具有的字符叠加、视频编码、录像存储、云台控制等功能，对原先的视频矩阵、字符叠加器等设备进行集成替代改造，优化并提升整体性能，但仍无法弥补相较于高清视频系统的差距[1]。

2 高清视频整体改造思路

以福建泉三高速三明段高速公路高清视频监控改造方案为例，提出山区高速公路视频监控系统数字化高清改造整体方案，包括前端视频设备、视频传输系统、后端视频系统的改造思路。

2.1 前端视频设备改造思路

前端摄像机采用高清网络摄像机，200 万像素、1080P 分辨率，IP 前端编码模式。云台及枪式摄像机采用星光级低照度机型，半球摄像机集成定向拾音功能。

2.2 视频传输系统改造思路

高清网络摄像机采用全IP 视频模式，对通信网络带宽、速率、稳定性的需求急剧增加。结合福建省高速公路实施的光传送网（OTN）建设，考虑到其具有低时延、超长距传输、超大容量、弹性带宽等优势，此次改造采用光网络星型组网，收费站作为局端数据点，远端数据在此汇聚后通过OTN ONU 设备接入OTN光域传输，使隧道、收费亭、收费站机房及汇聚中心的数据连接为一体，数据传输高效稳定。

2.3 后端视频系统改造思路

视频网交换机采用光口互联，取代原有“光纤收发器+电口”传输模式，并对核心交换机端口数量、数据处理及转发能力等方面进行性能提升，避免关键节点出现性能短板。

3 隧道视频高清改造方案

3.1 隧道视频系统现状

3.1.1 现状网络拓扑图

泉三高速三明段下渡隧道视频网络拓扑图如图1所示。

图1 隧道视频系统现状网络拓扑图

3.1.2 前端视频设备现状

前端设备采用标清模拟枪式摄像机，分辨率752×582，像素43.8 万，因分辨率有限，无法看清隧道内环境的细节情况。在低照度情况下，图像产生大量噪点。

3.1.3 视频传输系统现状

每3 台摄像机通过同轴电缆接入一台模拟视频节点光端机，每3 台光端机串联通信，与部署于机维站中心机房的接收光端机组成一条视频传输链路。因采用串联通信，设备单点故障会因干扰影响链路稳定。

3.1.4 后端视频系统现状

模拟视频图像接入中心机房内的混合硬盘录像机模拟通道，通过其实现视频字符叠加、视频编码、录像存储、前端摄像机控制等功能。

3.2 隧道视频高清改造方案

3.2.1 隧道视频高清改造后网络拓扑图

下渡隧道视频改造后的网络拓扑图如图2所示。

图2 隧道视频系统改造后网络拓扑图

3.2.2 前端视频设备改造

前端设备采用200 万像素星光级高清网络枪式摄像机，1920×1080 分辨率，夜间低照度环境下可实现隧道彩色清晰画面监控。

3.2.3 视频传输系统改造

前端传输系统由模拟视频光端机改为SFP 光纤收发器，并由级联传输方式改为点对点光传输方式，即每路摄像机通过双绞线接入一台SFP 光纤收发器发射端电口，光纤收发器独占一芯光纤传输至隧道口机房，使用SFP 光模块接入隧道口机房的全光视频以太网交换机光口。对于远端数据点的视频，以太网交换机通过光纤互联至就近局端的三层视频网交换机[2]。

此方案传输距离由原有长距离传输至中心机房改为就近传输至附近收费站机房，传输距离缩短，避免长距离传输光功率损耗过大，在传输的安全性、保护性及稳定性上得到进一步保障。全光视频以太网交换机作为接收端，不采用独立的光纤收发器接收端，将安装空间由42U 机柜优化至2U，极大节省空间紧凑的隧道机房内的空间；采用SFP 标准型光模块，避免了不同品牌设备的匹配问题，后期不受制于单一品牌，便于维护[3]。

3.2.4 后端视频系统改造

前端视频数据传输至就近局端收费站视频网三层交换机后，通过OTN ONU 设备由干线传输至后端机维站中心机房OTN OLT 设备，光纤互连至中心级汇聚视频网三层交换机，实现数据互通。

数字硬盘录像机将隧道高清摄像机添加进IP 通道进行管理，视频图像数据通过IP 组播流获取，实现视频图像存储、调取、预览、控制等功能。

4 收费站视频系统高清改造方案

4.1 收费站视频系统现状

4.1.1 现状网络拓扑图

泉三高速三明段永安北收费站视频系统拓扑图如图3所示。

图3 收费站视频系统现状网络拓扑图

4.1.2 前端视频设备现状

广场云台采用720 TVL 模拟标清球机，57 万像素，12 倍光学变焦。模拟图像质量较差，尤其在夜间低照度环境下因图像噪点导致收费广场图像模糊，夜间使用较为不便。收费车道采用模拟标清车牌识别系统，票亭内反监控图像采用模拟半球摄像机。

4.1.3 视频传输系统现状

广场云台通过点对点模拟视频光端机传输至收费站通信机房。收费车道采用同轴电缆将音、视频信号汇总至岛总机柜，再通过点对点模拟视频光端机上传至通信机房。

4.1.4 后端视频系统现状

硬盘录像机安装于收费站机房，模拟视频图像接入混合硬盘录像机模拟通道实现字符叠加、视频编码、录像存储、前端控制等功能。

4.2 收费站视频高清改造方案

4.2.1 收费站视频高清改造后网络拓扑图

永安收费站改造后的视频网络拓扑图如图4所示。

4.2.2 前端视频设备改造

广场云台采用200 万像素星光级网络高清球机，1920×1080 分辨率，32 倍电子变焦，实现物体局部细节捕捉，低照度下画质提升。车道车牌识别系统采用300 万像素高清车牌识别摄像机。票亭反监控视频设备采用200 万像素高清半球摄像机，并集成定向拾音功能，实现音、视频同步数字化传输。字符叠加器采用数字字符叠加器，可通过web 页面进行管理及配置。

4.2.3 视频传输系统改造

广场云台图像传输仍利用原有光缆路由，将模拟视频光端机改为光纤收发器上传。车道及票亭视频设备通过双绞线接入票亭内的新增视频网二层以太网交换机，再通过双绞线汇聚至岛总机柜的车道级视频网三层交换机，光纤上联至收费站通信机房内局端三层视频网交换机，实现收费站视频图像上传[4-5]。

4.2.4 后端视频系统改造

收费站三层视频网交换机作为局端汇聚点，汇聚附近隧道及本站的视频数据后，通过OTN ONU 设备由干线传输至后端机维站中心机房OTN OLT 设备，光纤互连至中心级汇聚视频网三层交换机，实现数据互通。

数字硬盘录像机安装于本站机房，数字硬盘录像机将隧道高清摄像机添加进IP 通道进行管理，视频图像数据通过IP 组播流获取，实现视频图像存储、调取、预览、控制等功能。

4.2.5 中心级视频系统改造

局端视频数据通过OTN 传输至中心机房，光纤互联至中心级视频网三层交换机。中心级视频网交换机采用核心汇聚级交换机硬件配置，以满足高清视频系统的各种业务需求。

5 结语

基于无损光网络的高速公路高清视频改造，升级前端设备性能，提升图像质量的同时，对视频传输系统及后端视频系统也进行了设备改造、网络拓扑结构优化，并结合OTN 技术，采用无损光信号传输技术，就近传输，使整体高清视频监控系统更加安全、稳定。

数字化高清视频监控系统既是完善高速公路可视化、智慧化管理的硬件保障，也是提升高速公路服务水平的重要方面，既是做好高速公路“一张网”运行与服务保障的迫切需要，也是加快推进“可视、可测、可控、可服务”的高速公路运行监测体系建设的重要组成部分，更是满足人民群众出行需求的必要路径。全面提升高速公路信息化、智能化水平，提高出行服务保障能力，切实增强人民群众的获得感、幸福感和安全感。