基于4G网络车载视频监控系统的设计与探讨

    杨艳秋　李仕伟　李宝林

    

    

    

    摘要：在城市执法中，对重定区域普遍采用固定网络监控，监控覆盖范围十分有限。文章结合无线网络技术的优势，根据城市执法部门现状，提出基于4G网络的车载视频监控系统，提高执法部门的管理水平和工作效率。

    关键词：4G网络；车载视频

    1现状分析

    近几年，全国各地发生的多起执法纠纷表明，现场执法遭遇的问题已越来越趋复杂化。执法部门执法的透明度和公正度越来越受到广大民众的关注，在应对各类流动性或突发性事件时，遇的到“取证难”、上级指挥信息沟通难等问题，其主要表现在以下几个方面。

    （1）网络覆盖不全面。城市治安监控点绝大多数是采用的有线监控，且存在很多监控盲区。（2）现场取证难。无法全程记录执法过程，容易引发执法纠纷等。（3）远程指挥调度难。远程指挥中心无法获取执法现场具体情况（如照片、视频信息），影响了重要事件的快速决策与指挥调度。

    2车载视频监控系统架构

    车载视频监控系统设计分为端移动取证设备、传输网络、后端中心管理平台和监控指挥中心4部分构成部分，车载视频监控系统结构如图1所示。

    2.1前端系统设计

    前端硬件子系统是系统的信息节点，主要由车载主机、摄像机、GPS模块、4G天线、驾驶员报警按钮组成等设备组成。在车顶安装车载云台，作为目标摄像机，用于跟踪拍摄事件关键点和采集目标特征信息；在车内安装一个高清摄像机，作为前景摄像机，用于记录事件发生的整体行为过程。音视频信息通过车载主机进行编码存储，同时可通过4G网络，将信息传输至中心管理平台，实现前后台的互动。

    2.2视频传输网络

    传输网络是系统的纽带，包含4G无线通信传输链路和IP固网传输链路两部分，4G网络将不同的固定和无线平台及跨越不同频带的无线网络连接起来，并支持高速移动环境下高速数据传输能力，将前端采集的信息等，由4G无线通信模块经网关送入固网传输到监控中心，实现前后台实时信息交互。

    2.2.1 4G在无线视频监控领域的优势

    在无线车载监控应用中，车辆收集的数据信息必须依赖无线通信技术，当前无线监控采用WIFI、微波、3G等无线接入方式，其传输距离小，灵活性差，广阔区域覆盖成本高，带宽有限等局限性，不具备大规模广域视频监控覆盖能力；4G网络采用了OFDM（正交频分复用技术）、MIMO（多输入多输出）、AMC（自适应编码调制）、SDR（软件无线电）、IPv6等关键技术，使得4G网络可以提供更快的接入速率、更低的时延，这对提高无线视频监控系统的可靠性及视频质量非常重要，其主要优势如下：

    （1）通信速度更快：传输速率是3G网络的10倍，下行峰值可达100Mbps、上行峰值可达50Mbps，比现有的3G网络更加快速、更加稳定，该速率可以满足多监控终端的数据传输需求，解决无线视频传输速率的瓶颈。（2）全IP核心网：支持有线及无线接入，采用的无线接入方式和协议与核心网协议、链路层是分离独立的。在高速运动情况下可提供2～100Mbit/s的数据传输速率，利于保证无线视频监控数据的实时性。（3）覆盖区域广：在高速移动时，提供大于100kbps的接入服务，满足车载视频的监控应用需求。（4）更好的兼容性：4G应该接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G平稳过渡等特点，以完成对多种用户的融合。在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

    2.2.2流量控制

    虽然4G的带宽有了很大的提高，但是总体的网络资源还是比较有限，且资费还比较昂贵，为了节约4G资费，节省网络资源，更好的使用4G网络。系统采用流媒体技术解决多路并发访问的问题，降低多路并发访问给前端4G传输造成重复流量和计费，确保每路视频在任何时候均只输出1路码流。

    每路视频需消耗的流量与视频的分辨率和帧率密切相关，设每路图像占用x Mb码流，每天有td，时上传图像计算。则每天需要4G流量（上行）Y=xMb/s/8*3600秒*t小时*1天/1024，每路图像所需4G流量对比如表l所示。

    2.2.3网络安全

    4G网络无线传播的优势及开放性的特征，无线传播的数据很可能被截取，给一些敏感视频数据带来一定风险，因此，要保证视频数据在链路上的安全性传输，主要方法如下：（1）视频信息加密。对网络传输信息，采用加密措施，包括视频信号的加密、控制信令的加密，保障信息安全。（2）专网传输。监控系统通过专网传输，与外网物理隔离，避免传输网络遭受攻击和破坏。（3）防火墙隔离。对监控中心服务器平台网络接入进行防火墙隔离，只允许指定端口、指定地址访问指定的服务，防止非法入侵。

    2.3后端中心管理平台

    后端中心管理平台是系统核心所在，其相关设备安装在监控中心机房，主要包括流媒体分发子系统、集中存储子系统等构成，它们共同形成数据运算处理中心，主要完成各种数据信息的交互，集管理、交换、处理、存储和转发于一体，实现视频实时浏览、存储与视频转发如图2所示。

    2.3.1流媒体分发子系统

    流媒体服务器作为视频监控联网系统中最主要的视频资源管理服务器，用于多客户端复用相同现场图像的流媒体转发管理，缓解网络带宽紧张的区域。

    流媒体服务器负责汇聚视频监控前端、显示设备、用户终端调用图像的流媒体转发任务。视频图像调用均从流媒体服务器上获取实时图像视频流，流媒体服务器直接访问前端图像采集设备，单节点内部采用流媒体进行视频转发给存储服务器进行存储；同时转发给客户端和解码器，实现视频流的实时浏览。同级别节点可直接从对方流媒体服务器中获取图像，也可以从上级节点的流媒体服务器转发获取。

    2.3.2集中存储子系统

    存储视频信息由流媒体服务器转发存储，为确保应急指挥等紧急情况下有效资料的长期保存及统一管理，考虑系统容量、安全性、稳定性，流媒体服务器转发给存储服务器的视频信息，采用磁盘阵列集中存储方式，并通过磁盘冗余的方式对数据提供安全保障。

    2.4监控指挥中心

    2.4.1显示子系统

    显示子系统主要由解码器、大屏控制器、大屏显示器应用软件平台等组成，实现对高清视频及GIS系统图形的显示、切换和控制。系统可根据图像监控的需要设置显示策略、报警联动策略，根据时间、各种触发命令设定各种显示方式和轮询方式，以达到对执勤车辆的分布情况和事发现场全面掌握，实现远程现场指挥调度、快速高效处理各类突发事件等一系列管理、控制功能。

    2.4.2语音对讲子系统

    语音对讲系统是调度指挥系统对于突发事件进行协调处理、信息分析以及指令下达的重要工具，实现指挥中心与执法人员的直接交流，成为最有效的信息发布，协调指挥的手段之一如图3所示。

    在一些突发情况下，指挥中心需要第一时间对现场人员下达指令。领导和中心工作人员可通过麦克风采集语音信息，经过调音台传输至用户Pc，用户Pc通过客户端软件，将语音信息通过服务器转发至现场车载设备上，现场人员通过车载设备内置扬声器获取指挥中心发布的语音指令。

    通过拾音器将现场人员的语音信息传输至无线车载设备中，经过数字编码后，通过4G无线网络传输至中心管理平台的服务器，监控指挥中心用户PC客户端通过服务器获取现场语音信息，通过声卡输出后至调音台，调音台语音信息通过音响进行播放。实现对讲的同时，可配合GPS定位和电子地图，指挥中心可向最近的执法人员和车辆下达指令，实施调度，进行远程指挥和交流。

    3系统的主要功能设计

    （1）图像实时传输预览：在执法过程中，通过移动4G网络，车载系统拍摄的画面可实时上传监控指挥中心，且随时可远程调取每前端移动取证终端的实时图像在大屏或电脑上显示，能保证现场情况第一时间传回监控中心；能够在监控中心远程布防、设防、调控前端摄像机角度，监控画面可单/多画面任意切换预览。

    （2）实时语音对讲功能：车载设备内置麦克风及扬声器，通过平台与现场人员实现语音对讲，进行远程指挥和交流。

    （3）电子地图与GPS定位功能：在执法工作中，对执法车辆的位置掌控是不可或缺的。车载监控设备内置GPS模块，在依靠4G无线网络向中心传输视频的同时，可以将GPS信息直接上传到平台数据库中，加上中心平台的电子地图功能，可以在电子地图上看到车辆所在具体位置及车速信息，极大的提高了车辆运行的安全性和调度的便捷性。

    （4）实时监控执行车辆：为了加强执行车辆的管理，可限定车辆的行驶路线、区域范围、执法过程中不能随意停车。监控中心可能预先设定限制的路线及行驶区域范围，一旦车辆辆驶出限定的范围或违规停放，监控中心将自动发出相应报警信息。

    （5）手机监控：手机监控主要是利用手机终端的移动性，用户可以随时在手机或者PAD上调阅感兴趣的视频资源，来解决视频监控以往只能在监控中心或者办公室浏览视频的问题，及时发现问题解决问题。

    （6）报警联动功能：对于执法车辆，一旦遇到特殊情况，执法人员只要按下报警开关，平台监控中心就能同时收到报警信息，这样，就能及时地调看前端实时图像，实现远程指挥决策。

    （7）平台分级管理：系统采用多级权限控制管理，按实际的管理架构对每个用户赋予不同的权限和级别，用户的权限主要分为功能操作权限和设备操作权限两部分，只有被授权的用户方可进行操作，权限可以被赋予，也可以被收回。

    4结语

    随着4G无线通信技术的发展，4G车载视频监控将广泛应用于城管、公安、校车、公交、长运、物流等行业。