基于高清卡口的高速公路综合监控系统应用研究
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[摘要]先进科学技术建立完善的监控系统已成为高速公路营运管理重要的课题。通过综合监控系统等技术手段，提取到的包括交通量、事故、路况、实时断面车速等现场资料的实时传送，既为高速公路的应急指挥决策提供方便，又可为高速公路业主提取违法车辆活动取得证据。
[关键词]：高速公路 监控系统 3G传输 高清卡口 路径识别
中图分类号： X734 文献标识码： A
1引言
截至2011年底,广东省高速公路通车里程已超过5000公里，但仍处于划分四个网区的状况，即粤东、粤西、粤北、中片区（其中，原广州区和中片区于2012年6月合并成大中片区）。
随着各片区内路段运营时间的推移和路段联网范围的逐渐扩大,路网内利用通行卡等手段作弊逃费产生的非法收益也越来越有诱惑,随着联网收费系统的漏洞不断显示，换卡、偷卡逃费形成愈演愈烈之势，司机采取换卡作弊等种种手段逃避通行费已经产业化。
本文所论述的中江高速就属于路网较复杂的中片区。中片区的路网状况十分复杂，呈现三大特点，一是以连接广州和周边省份的放射线，二是围绕广州的环线，三是围绕深圳等发达地区的小环线。对于行驶车辆的行驶线路稽查存在一定的难度。
2监控系统总体设计
高速公路收费从原先各路段独立收费，到后来的相邻路段联网收费，发展到现在的粤东、粤西、粤北、中片区4 个联网区域，根据交通厅的统一部署，全省联网工作正在积极推进。
目前，广东省省内的高速公路收费根据IC 卡和粤通卡中记录的入出口信息来判断行驶里程，从而计算收费额。联网收费以后，车辆通行的距离越来越长，单次收费的金额也越来越大，对作弊逃费的诱惑也越来越大，通过“倒卡”、“换卡”等手段来进行逃费的现象也日益严重，对于联网收费的危害也越来越大。
一是打击冲卡逃费的功能。系统应能够实时记录一些违法车辆暴力冲关异常事件信息,并能够传送后台存档，并一车一档形成提告证据。
二是打击倒卡、偷卡逃费功能。系统必须能对超时车进行路径还原，形成档案，增加追逃证据链。
三是能够预警黑名单车辆，并预先联动路面移动视频，增强追踪能力。
2.2功能子系统设计
2.2.1路面自由流高清卡口子系统、站级出入口高清卡口子系统
路面自由流高清卡口子系统是在高速公路的主线上设置高清卡口识别点，通过车牌自动识别设备辨识并记录车辆在路网中行驶的路由，确定车辆在主线的实际行驶路径，并提供抓拍的照片等作为不可抵赖的证据。站级出入口高清卡口子系统是为了加强对出口车道的冲卡行为进行跟踪控制，通常司机的换卡、倒卡行为被发现以后，往往会通过冲卡的方式逃缴高速公路通行费，是作为路面高清卡口形成证据链的有效补充。
1)、采集部分
前端车牌识别设备支持连续视频采集与抓拍工作模式，并且两种模式的成像参数独立控制。数据格式：支持输出JPEG（1600*1200）图像格式与H.264（1080P）流媒体两种格式。本次试点以图片要求为准。
系统自动对抓拍的车辆照片进行分类存储，对判别冲卡的车辆照片存储在单独的文件夹或数据库中。设备方提供的后台浏览软件应可以对此进行分类统计和浏览。
按照H.264（1080P，1600*1080）标准输出高清录像视频，速率≥15帧/秒，应可以看清车牌号码，应可按时间段自定义参数进行分段存储，支持windows xp 附带的Windows Media Player播放器直接播放。
2)、传输部分
传输部份由两部份组成，第一是采集终端所采集的数据通过自建光纤传输通道，通过光端机直接传送回中心机房存储；第二是手持终端通过WIFI无线网络查询信息。有线传输和无线传输互相结合，解除查询与采集的地点限制。
3)、存储部分
高清卡口摄像机采集的原始视频数据和地感线圈的触发数据，经过前端采集终端压缩后传输至监控中心，并经数据后台管理系统进行车牌识别和数据分析，并将结果存储在服务器中，在存储的同时又通过集团监控网络，上传到集团监控中心。
4)、数据分析部份
通过采集终端传送回的原始数据，实时解析和分析，并把分析后的结果分成几个类别，车牌、车身颜色、车速、断面交通量，并以图片方式保存原始数据，供各种终端实时查询系统的分析结果。
2.2.2车载无线视频子系统
通过利用运营商的通信基站，移动车载采集编码器的采集的视频图像数据通过3G网络实时上传到监控系统管理中心的数据服务器，在管理中心，再按需求调用需要的视频图像，通过解码器进行解码，输出适合的图像到监控矩阵控制器，通过控制器的调用，达到与现有监控系统完全整合的目的；而其它有需求的网络客户端用户则是通过网络访问的方式连接到监控服务器，调取图像数据，进行资料收集并合并到证据链中去。系统拓扑如图1-1所示：
图1-1 系统拓扑
车载无线视频的信息处理的过程可分为三部份，一是现场采集压缩；二是3G无线数据传输；三是监控管理三个部分。如图1-2所示：
3.2系统模块设计
图1-2 视频信号处理流程
采集、传输、控制和显示记录是无线监控系统四个功能部件。控制和显示记录部分分别在本地和远程进行，在巡查车辆本地设置相关存储和车内的触摸显示屏实时观看监控图像，完成本地存储及显示；同时现场图像通过3G网络WCDMA实时传输至监控中心，进行显示和存储。各部分之间的关系如图1-3所示：
图1-3 系统功能
2.2.3 视频分发及综合管理
本子系统设置在路段监控中心，主要负责处理所有的视频信号的调看申请。。系统应用架构图如图1-4所示：
图1-4 视频分发及综合管理子系统应用
视频分发及综合管理子系统的信息处理的过程可分为三部份，一是身份认证；二是3G无线数据传输；三是客户端查询三个部分。如图1-5所示：
3.2系统模块设计
图1-5 信号处理流程
2.3 系统拓扑组成
2.3.1 路面及站级车道高清卡口子系统设计
由图1-6中可见，高清卡口外场设备采集到的数据通过光纤网络进入到路段中心的采集服务器，在高清卡口服务器上对进入服务器的数据进行处理，处理后的数据可提供给多种终端设备查询访问。
图1-6 路面及站级车道高清卡口子系统拓朴图
2.3.2 车载无线视频巡查子系统设计
图1-7 车载无线视频巡查系统拓朴图
由图1-7中可见，车载移动监控采集终端把由车顶摄像机采集的监控模拟视频信号通过数字化编码并压缩处理后，通过3G网络（这里采用的是联通基站的WCDMA链路）传送到监控中心的采集服务器；同时，外场固定的视频信号（含路面监控视频和高清卡口图像信号）也传送到监控中心的采集服务器，通过采集服务器把无线巡查视频和固定路面视频图像进行整合分析处理，然后交由分发服务器进行数据的分发。
在拓扑图（图3-11的系统）中我们可以看到，视频查询客户端一般由PC客户端和手持机终端组成，分别由不同身份的职员（也可以说是不同职责的人）使用。两种客户端的基本功能和操作菜单基本上一致，除了一些特殊事件功能。两种客户端最大的不同是在表现方式上。另外，两种客户端都能够实时监控外场的所有设备，包括移动的和固定的设备。
3系统评估与测试
在高清卡口系统中，要求系统应准确识别冲卡车辆牌照、车型外貌和人脸特征。
通过高清视频卡口摄像枪、存储设备以及为保证有效抓拍的附属设施（如补光灯、室外机箱等）的选点安装，同时在巡查车辆上按装无线视频采集端，通过调试传输设备和管理中心的数据接收与存储设备。存储设备的容量按要求配置。同时在测试期间，至少要满足存储≥300000车辆照片和连续7天的视频数据，供系统测试的原始数据。
抓拍照片采用JPEG格式存储，分辨率为1600*1200，并叠加车辆通行数据，如时间、地点、方向、车道数、车型、车身颜色、速度、车牌颜色及车牌号等信息；已识别车牌照片与未识别车牌照片应分类存储和浏览；视频数据采用H.264格式传输，要求传输回来的视频能够较清晰供取证使用。
4 总结
4.1、选择了国际上较流行的3G技术（WCDMA）作为移动视频的传输通道。同时，合理选择压缩编码效率和网络适应性优于其它编码标准的 H.264 视频压缩编码标准作为监控系统的压缩编码技术。
4.2、详细分析了车牌识别技术，介绍了车牌识别的基本原理和算法流程。
4.3、重点解决了新增系统与原系统融合设计的主要问题。使新旧系统无缝衔接。并通过综合系统的功能，为高速公路营运管理的路政和稽查人员打击各类机动车冲卡行为提供重要线索，进而在舆论媒体上广为宣传，震慑图谋冲卡的司乘人员。进而提高高速公路收费稽查的管理水平，保障安全、畅通。随着综合监控系统在高速公路机电系统应用，为将来越来越大的联网收费操作中，许多不可预知的突发事件的管理提供一些直观性的数据。
在主持本项工程建设过程当中，本人也得到了极大的提高，对于综合监控系统的探索得到了重大的突破。为全省联网的多义性路径解决提供了重要的备份。
参考文献
1、主要参考文献
[1]广东省交通集团有限公司高速公路监控系统设计案例2012.51
[2]刘忠党，交通监控系统在高速公路的应用，北方交通，2006(7)：91~94
[3]《广东省高速公路联网收费系统》（DB44/127-2003）