王一屹，陶國信，趙 聰

(1.貴州省交通信息與應急指揮中心，貴州 貴陽 550000；2.貴州道坦坦科技股份有限公司，貴州 貴陽 550000;3.貴州中南交通科技有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

2019年，國務院發(fā)布《交通強國建設綱要》，要求大力發(fā)展智慧交通,推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術與交通行業(yè)深度融合,推進數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎設施網(wǎng)、運輸服務網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡融合發(fā)展，構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的現(xiàn)代化綜合交通體系，打造一流設施、一流技術、一流管理、一流服務，建成人民滿意、保障有力、世界前列的交通強國，為全面建設社會主義現(xiàn)代化強國、實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢提供堅強支撐[1-2]。

為了推動交通強國建設，交通運輸部發(fā)布《關于印發(fā)<全國高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測工作實施方案>和<全國高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)技術要求>的通知》《省級綜合交通運輸調(diào)度和應急指揮系統(tǒng)定位、主要功能和技術保障要求的通知》，要求貴州作為全國試點全面建設交通領域“可視、可測、可控、可服務”的運行監(jiān)測體系，不斷提升綜合交通服務能力和監(jiān)管水平，更好地滿足人民群眾高品質(zhì)出行需求[3]。同時，推進部省共建、聯(lián)網(wǎng)運行的“省級綜合交通運輸調(diào)度和應急指揮系統(tǒng)”，確保省級調(diào)度和應急指揮系統(tǒng)能有效滿足與國家綜合交通運輸信息平臺之間信息互聯(lián)互通以及部省之間、部門之間綜合交通運輸調(diào)度和應急指揮業(yè)務協(xié)調(diào)聯(lián)動。

1 研究目標

高速公路AI視頻上云智慧網(wǎng)關是全省設備上云的關鍵設備，是全省視頻聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)采集設備，網(wǎng)關通過標準協(xié)議接入高速各路段的視頻資源，實現(xiàn)該路段內(nèi)所有高速監(jiān)控視頻的匯聚，設備實現(xiàn)目標如下：

(1)網(wǎng)關應支持數(shù)據(jù)鏈路管理，可以根據(jù)上傳網(wǎng)絡帶寬預設置上傳視頻路數(shù)，當上級設備/平臺訪問路數(shù)超過設置路數(shù)時，不再提供視頻訪問，保證已上傳的視頻傳輸質(zhì)量。通過權(quán)限控制，高優(yōu)先級用戶可以搶占低優(yōu)先級用戶，優(yōu)先瀏覽視頻，滿足用戶正常的使用[4]。

(2)網(wǎng)關應集成業(yè)界先進的視頻質(zhì)量診斷算法，可以實現(xiàn)對視頻清晰度、亮度、色彩、對比度、噪聲、條紋、無視頻信號、畫面凍結(jié)、畫面抖動、視頻遮擋等18項內(nèi)容的檢測，實現(xiàn)視頻質(zhì)量的智能化檢測，有效提高社會視頻接入質(zhì)量。

(3)網(wǎng)關應集成設備在線監(jiān)測、通信鏈路帶寬檢測等功能，為系統(tǒng)正常運行提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)的高可用性。

(4)網(wǎng)關應集成最新的高速智能分析算法，對高速擁堵進行實時在線監(jiān)測，并在第一時間提供預警，及時調(diào)度，為公眾提供更好的高速服務。

(5)網(wǎng)關支持采用VPN隧道技術與省級平臺連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

2 高速公路AI視頻上云智慧網(wǎng)關設計

根據(jù)交通運輸部下發(fā)的《全國高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)技術要求》，結(jié)合本省視頻監(jiān)控系統(tǒng)實際情況，視頻聯(lián)網(wǎng)云平臺采用“路段—省級云平臺—部級云平臺”的架構(gòu)，對路段匯聚點的視頻系統(tǒng)進行上云接入，經(jīng)省級云平臺統(tǒng)一匯聚后與部級云平臺對接[5]。省級云平臺應滿足本省高速公路視頻資源100%匯聚和分發(fā)要求，并向部級云平臺提供視頻調(diào)用服務。部省兩級視頻云平臺問控制信令通過云端VPN隧道傳輸[6]。具體架構(gòu)如圖1所示。通過在路段監(jiān)控中心、部署視頻上云網(wǎng)關，通過視頻上云網(wǎng)關與原有監(jiān)控中心平臺進行對接，獲取路段各場景的視頻資源，實現(xiàn)前端卡口、流量檢測設備、高點云臺、普通監(jiān)控等視頻的接入及匯聚。

圖1 視頻聯(lián)網(wǎng)云平臺架構(gòu)

2.1 高速公路AI視頻上云智慧網(wǎng)關架構(gòu)設計

上云網(wǎng)關是高速公路視頻數(shù)據(jù)匯聚的關鍵設備，是監(jiān)控設備和平臺之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，針對視頻數(shù)據(jù)的匯聚需要，本文結(jié)合交通運輸部《全國高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)技術要求》設計一種AI視頻上云網(wǎng)關(AI-VGW)，該設備不僅能實現(xiàn)高速公路上不同廠家、不同型號的攝像機設備接入，還可將獲取的視頻以統(tǒng)一、標準的視頻壓縮格式和加密傳輸，并推送至省級云平臺或部級云平臺[7]。

AI視頻上云網(wǎng)關(AI-VGW)主要由3部分構(gòu)成，分別是網(wǎng)絡安全模塊、視頻匯聚模塊、AI智能分析模塊，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 AI視頻上云智慧網(wǎng)關設備架構(gòu)

(1)網(wǎng)絡安全模塊：該模塊主要由VPN路由器組成，為路段中心與省級平臺之間提供可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸通道。

(2)視頻匯聚模塊：該部分是高速視頻上云網(wǎng)關的核心，包括視頻設備接入、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、視頻/圖片存儲、視頻轉(zhuǎn)碼、視頻質(zhì)量診斷、設備運維、鏈路運維等功能模塊。

(3)AI智能分析模塊：結(jié)合邊緣計算技術，在邊緣端實現(xiàn)視頻的智能化分析，完成對擁堵事件、交通事件、平均速度、公路流量、公路氣象等開展監(jiān)測分析，并提供視頻結(jié)構(gòu)化分析工作。

AI視頻上云網(wǎng)關搭載業(yè)界領先的AI硬件服務器，提供統(tǒng)一的“在線調(diào)取、共享分發(fā)、智能分析”等服務，既適用于超大規(guī)模的部、省級視頻云聯(lián)網(wǎng)，又能靈活地部署在片區(qū)中心、路段分中心、收費站、隧道所、服務區(qū)等。同時，能靈活配置視頻接入、視頻轉(zhuǎn)碼、視頻智能分析、視頻結(jié)構(gòu)化解析所需的計算資源，應對復雜場景下多樣化的視頻上云和邊緣分析需求[8]。

2.2 網(wǎng)關功能設計

2.2.1 視頻接入

采用實時視頻流從IPC接入、錄像視頻流從存儲設備接入的方案，確保省部級平臺可以獲取高速監(jiān)控視頻。

2.2.2 視頻/圖片存儲

視頻本地存儲，可以作為重要監(jiān)控視頻的備份，也可以根據(jù)報警聯(lián)動規(guī)則，對異常情況的監(jiān)控視頻進行報警聯(lián)動錄像。對所有接入的高速監(jiān)控視頻每隔5分鐘截圖，并上傳省級平臺。

2.2.3 流媒體轉(zhuǎn)發(fā)

流媒體轉(zhuǎn)發(fā)作為高速視頻上云網(wǎng)關中最主要的視頻資源管理服務，用于多客戶端復用相同現(xiàn)場圖像的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)管理和支持多級流媒體轉(zhuǎn)發(fā)管理和調(diào)度，支持網(wǎng)關管理，降低網(wǎng)絡帶寬和設備負荷。

2.2.4 視頻瀏覽

用戶可通過用戶權(quán)限進行視頻瀏覽。

2.2.5 視頻轉(zhuǎn)碼

2.1 隊列人群基線特征 基線時用MS診斷標準將隊列人群分成兩組，MS組467人，非MS組867人。基本體格特征和實驗室特征比較，除年齡、總膽固醇（TC）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）外，MS組的體質(zhì)指數(shù)（BMI）、腰圍（WC）、收縮壓（SBP）、舒張壓（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C測量均值均高于非MS組，兩組之間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。見表1。

AI視頻上云網(wǎng)關可將接入的全部視頻資源轉(zhuǎn)換為不低于32 Kbps低碼流(25幀、CIF分辨率)和不低于1 Mbps高碼流(25幀)兩種符合H.264標準的碼流。

2.2.6 視頻監(jiān)測

通過對視頻流進行智能分析，實現(xiàn)各類視頻故障智能診斷，包括圖像清晰度異常、圖像暗度異常、圖像偏色、視頻干擾、雪花、畫面凍結(jié)、視頻丟失等，并將分析后狀態(tài)和報警數(shù)據(jù)發(fā)送到省級視頻云平臺，省級視頻云平臺收到邊緣節(jié)點的視頻質(zhì)量檢測結(jié)果后，匯總成視頻質(zhì)量報告，上報給部級云平臺[9]。

2.2.7 錄像監(jiān)測

AI視頻上云網(wǎng)關支持多種攝像機設備接入的錄像診斷，對錄像結(jié)果進行精準的分析和直觀呈現(xiàn)，進而達到高效監(jiān)測的效果。可將錄像診斷結(jié)果以時間軸方式展現(xiàn)，用不同顏色區(qū)分有/無錄像；支持錄像完整性、連續(xù)性監(jiān)測。

2.2.8 設備運維

對該路段轄區(qū)下的所有攝像頭、存儲設備等進行在線監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果推送至省級平臺，實時掌握設備在線信息，提高運維效率。

對該路段的互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬進行流量帶寬統(tǒng)計，為下一步系統(tǒng)優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)。

2.2.10 AI視頻智能分析

AI視頻上云網(wǎng)關內(nèi)置異常事件智能分析模型，對擁堵事件、交通事件、平均速度、公路流量、公路氣象等進行實時分析，并生成智能分析報告，并上傳至省、部級云平臺。

2.2.11 AI視頻結(jié)構(gòu)化解析

AI視頻上云網(wǎng)關可對視頻數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化分析，解析車信息包括：車牌號碼、號牌種類、車輛品牌、子品牌、年限、車身顏色等，并支持在本地輪巡緩存結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化圖片。可根據(jù)項目需求，進行靈活配置解析的路數(shù)以及根據(jù)接入能力預留擴展接口[10]。

2.3 網(wǎng)關接口設計

(1)設備具備對接主流廠商的攝像機或平臺的視頻碼流，且優(yōu)先按GB/T 28181-2016或GB/T 28059方式對接。

(2)網(wǎng)關提供支持https協(xié)議的視頻推送接口，視頻云平臺通知網(wǎng)關設備開始/結(jié)束指定攝像機視頻推送，網(wǎng)關設備處理后，向平臺返回處理結(jié)果，接口需滿足部級“視頻推送開始接口”和“視頻推送停止接口”要求。

(3)網(wǎng)關提供支持https協(xié)議的云臺控制接口，通過此接口對攝像機進行云臺控制，接口滿足部級“云臺控制接口”要求。

(4)網(wǎng)關支持將視頻質(zhì)量檢測結(jié)果推送至視頻云平臺，接口滿足部級“上報圖像質(zhì)量檢測接口”要求。

(5)網(wǎng)關支持將智能分析結(jié)果上傳至省/部級云平臺，接口滿足部級“智能分析上報接口”要求。

3 高速公路AI視頻上云智慧網(wǎng)關實現(xiàn)

根據(jù)高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)的需求，設計根據(jù)接入視頻數(shù)的不同共設計兩種規(guī)格的AI視頻上云智慧網(wǎng)關，兩種網(wǎng)關性能如下：

(1)AI-VGW-Ⅰ(支持50～100路視頻上云)。整機支持最多100路高清視頻編解碼；整機支持最多100路交通事件分析；整機支持96路視頻結(jié)構(gòu)化解析；支持同時推送50～100路32 Kbps低碼流(25幀、CIF分辨率)視頻或1 Mbps(25幀)碼流視頻；視頻編碼格式：H.264 / H.265(見圖3)。

圖3 AI視頻上云網(wǎng)關 AI-VGW-Ⅰ

(2)AI-VGW-Ⅱ(最大支持20路視頻上云)。整機支持不小于20路高清視頻編解碼；支持同時推送不低于20路32 Kbps低碼流(25幀、CIF分辨率)或不低于1 Mbps(25幀)碼流視頻；視頻編碼格式：H.264/H.265(見圖4)。

圖4 AI視頻上云網(wǎng)關 AI-VGW-Ⅱ

4 結(jié)語

本文設計的AI視頻上云網(wǎng)關是一款支持集不同規(guī)格監(jiān)控設備視頻接入、視頻存儲轉(zhuǎn)發(fā)、視頻瀏覽、視頻轉(zhuǎn)碼、質(zhì)量檢測、智能分析和結(jié)構(gòu)化解析于一體的高性能智能化視頻處理設備。該設備以支撐交通運輸部《全國高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測工作實施方案》為出發(fā)點，在最大程度地降低方案成本的基礎上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術進行功能拓展，在助力視頻聯(lián)網(wǎng)及智慧監(jiān)測管控體系建設的同時為推動智慧交通、車路協(xié)同的發(fā)展提供支撐。