基于分布式的省域高速公路联网监控系统方案*

摘要： 分布式视频监控系统正广泛应用。在分析当前高速公路数据交互需要的基础上，结合高速公路业务平台的需求分析，提出建立基于分布式的省域高速公路联网监控系统。它是一种面向业务的，具有模块化、开放性和先进性的监控系统。通过联网监控系统能充分发挥交通监控的路径诱导、多路径交通流量调控的功能，并且能最大程度地发挥高速公路网络的通行能力。

关键词： 高速公路监控系统；IP通信网络；分布式监控单元；SDH；EOS

引言

随着经济建设的发展，省域高速公路网络已颇具规模。作为高速公路运行管理的必备现代化手段，监控系统的建设和管理就显得愈发重要，联网监控是整个高速公路监控系统发展的必然趋势。然而，当前路段独立的监控系统无法充分发挥交通监控的路径诱导、多路径交通流量调控的功能，更无法最大程度地发挥高速公路网络的通行能力，所以省域联网监控就显的尤其必要。

图1  协议通信的数据交互

联网监控系统是一个省域分布式的，涉及上千台计算机协同工作的系统工程，构造适于省域联网监控网络的技术实施方案，实现监控图像的数字化处理、数字化传输、数字化存储、以及数字化控制，从单条路的内部监控向路网环境的跨路段跨地域联网监控转变。其中关键在于宽带视频数据流的数字化处理、远程调用、远程控制、远程发布和数据共享、监控数据和指令格式的规范、权限管理、联邦数据库的实现，以及省域监控的网络管理系统等，以满足省域联网监控的需求，同时，拓展高速公路通信网的信息化支撑功能。
　　
联网的数据交互

省域监控数据的联网交互除了实现路段监控系统的监控图像联网之外，对于省域联网监控系统的成败也是至关重要的。实际应用中，对于往往需要交互调用跨路段、跨区域的监控数据，尤其是诸如关键路段、重点路段、互连互通等监控点数据。

对于各路段的数据采集监测设备而言，其种类繁多(如气象检测器，能见度监测器，车辆检测器等等)、数据接口不一(RS232、RS422、RS485和CAN等)、速率不一、通信协议不一、数据格式不一。因此，实现监控数据的交互必须考虑监控数据规范化，对外场设备的远程控制必须规范监控命令，进行兼容性转换处理。对于路段的监控数据库而言，考虑到高速公路的路段监控系统建设是相互独立的，表现为监控数据库的设计独立、通信独立和执行独立，各路段低速监控数据库结构不尽相同，处理方式和查询语言各异，缺乏联网制式，缺乏信息调用共享平台。

实现联网交通监控数据的交互存在两种方法：协议通信和联邦数据库。其中，协议通信指通过串行接口或网口、制定通信规约与路段监控中心的监控计算机通信，获取所需的监控数据。如图1所示，需在路段监控系统中监控计算机中添加通信模块，获取的监控数据采用规范的格式传送给授权用户。该方案结构简单，适合各路段中心的相对独立联网监控系统。

协议通信的关键工作是制定标准化的通信协议，协议目的在于不同制造厂的设备之间完全兼容和互操作性，规范上传的数据格式。其中，物理层采用ITU-T建议，在所要求的介质上提供了二进对称无记忆传输，以保证所定义链路层的组编码方法高的数据完整性。链路层采用明确的链路规约控制信息(LPCI)，此链路控制信息可将一些应用服务数据单元(ASDUs)当作链路用户数据，链路层采用帧格式的选集能保证所需的数据完整性、效率、以及方便传输。应用层包含一系列“应用功能”，它包含在源和目的之间传送的应用服务数据单元中。
　　
联网监控拓扑结构和功能管理

系统的拓扑结构

从网络的角度上看，省域高速公路联网监控系统拓扑结构如图2所示。在省域SDH主干网上，采用IP over SDH 技术和EOS(Ethernet over SDH)设备，建立统一的IP监控传输平台，省监控中心，以及各路段中心均作为传输网的节点，可通过该IP平台实现各类数据的交互。考虑到系统的安全性，设置了信息发布服务器，外界的访问需经过它认证、权限设定等，方可进行。路段中心节点带有接入网，与各收费站局域网相连；省监控中心带有数据统计、视频调看等计算机组成的局域网，省监控中心负责与公网的互联，及对非监控用户的安全管理。

图2 联网监控拓扑结构图

系统的功能管理

省域高速公路视频监控系统构建在路段视频监控系统基础上，其结构复杂，用户数量、设备种类繁多，系统的有效管理和有序控制尤为必要。在系统总体结构中，各路段中心、省中心之间交换的信息分为监控视频信息、交通数据信息、管理控制信息。管理控制信息的实现机制对于省域联网监控系统各节点之间能否高效的互联互控至关重要。本项目给出的联网监控系统的管理层次如图3所示。
联网监控系统的管理层次化分为4层：应用层、管理层、发布层和提供层。其中，应用层按用户的类型分为省高速公路信息专网用户和公共外网用户，前者通过资源发布管理服务器进行认证、授权后可进行全省监控的调用和控制，后者通过省中心的Web发布服务器进行授权的调看操作。管理层包括网管服务器和资源发布服务器，负责管理整个联网监控系统的设备状态/性能/故障、监控资源(视频/数据)、接入控制、身份认证、权限管理等等。发布层包括NW-DMDU、视频信息发布服务器和Web发布服务器，负责各路段中心监控图像、监控数据的接入发布，完成模拟图像的压缩编码，监控数据的交互以及数字图像的封装上传等，且接收授权用户的指令进行图像切换和控制。提供层包括模拟路段监控中心和数字路段监控中心，是联网监控系统的监控图像和监控数据的提供节点。

图3 监控系统管理层次

根据联网监控系统的管理控制信息的不同，具体功能管理又可分为：(1)资源管理，管理视频信息系统内的所有资源，按需求进行动态分配和调度；(2)用户管理，对用户使用系统资源进行接入控制、身份认证、权限分配等；(3)过程控制管理，完成用户使用系统资源过程中的实时操作，包括图像切换、摄像球机控制等；(4)监控网络管理，主要负责监控网络设备的管理。前三种功能管理的实现是监控系统能否高效控制的关键。为此，在省域联网监控的总体设计中，专门设置了资源发布管理服务器，负责管理联网监控系统内的相关监控资源(监控图像和监控数据)、用户的授权和认证、图像的切换和控制权限、图像资源的重组等。资源发布管理服务器的设置布局不同，联网监控的实现机制也随着发生变化。
　　
系统功能实现模块

系统模块划分

整个省域高速公路联网监控系统，按拓扑、职能划分可分为：省监控中心模块、路段监控中心模块，；按功能、技术实现可分为硬件平台和软件平台两大模块。硬件平台包括：联网监控设备、网管服务器、资源发布管理服务器、监控终端以及IP通信网络等，如图4所示。

图4 省域联网监控功能模块示意图

软件功能模块划分

系统软件的开发是整个系统成败的关键，系统软件必须能够可靠、稳定地与各子系统中的各种设备交换数据，具有故障监测和系统监控功能。系统采用层次化软件设计和实现，按功能和目标划分为不同层次的功能和目标模块，每个功能或目标模块定义自己的数据和算法，对外只提供由上层模块调用的功能接口，面向目标的设计和实现带来系统性能的高稳定性和程序的高可靠性，系统性能问题也易于定位和解决。

高速公路联网监控系统软件平台主要由监控图像处理模块、监控数据处理模块、流媒体实时发布模块、网络管理模块和发布资源管理模块组成，如图5所示。其中，监控图像处理模块包括模拟系统的视频编码模块和数字系统的视频流转发模块；数据处理模块包括监控数的据协议通信、专家系统分析、联邦数据库模块等；流媒体发布模块负责省监控中心向公共外网发布实时交通视频流；网管模块负责联网监控系统中各设备的故障、配置、性能以及安全的管理；发布资源管理模块负责网络上可用监控视频和数据资源的管理，用户访问、控制权限的认证等。

图5 软件模块构成图

联网监控系统实现

联网监控总体构成

省域联网监控系统的组织构成图，如图6所示，体现了系统构成的技术实现主要内容，可分为：基于W-DMDU以太接入网的数字化路段监控系统，省监控中心监控系统，IP通信平台。

图6 联网监控总体构成图

在数字化路段监控系统中，以宽带分布式监控单元WDMDU为基础，与各种终端、服务器，以及三层交换机组成以太方式路段接入网。由位于各收费站的WDMDU实现了沿路各外场设备的数据采集、汇集，包括各类图像的编码、IP包传输等。位于该路段监控网的终端，遵循TCP/IP协议，与各类外场设备数据交互，实现路段监控的各项功能。非本路段的终端要访问，须经本路段中心的视频信息发布服务器和资源发布管理，进行认证、授权。省监控中心根据需要设置工作站、视频发布服务器等组成本地的计算机局域网，通过交通专网与各路段交互，也可根据需要与公网相连。

IP地址规划

省域高速公路专用通信网，作为一个庞大的分布专用网络系统，为保证其正常运行和方便管理，必须对其依据地理位置、职能职责、网络架构、网络规模等进行IP地址规划分配。IP地址的规划原则如下。

* 自治性：根据高速公路管理体制，将庞大的整个网络分切成小块的网络，每个小块的网络管理与网络其他部分相对独立，如每个路段中心为一个子网，便于管理。

* 唯一性：在整个省域高速公路专用通信网网络内IP地址应该保持其唯一性。

* 简单性：IP地址的分配应该简单易管理，避免在主干上采用复杂的掩码方式，虽然IP协议允许子网掩码的“0”和“1”不连续，如掩码为11111111. 11111111. 00110011. 11001100，但这会给路由寻径带来困难，影响网络处理效率，所以应该采用连续的子网掩码，如：11111111. 11111111. 11110000. 00000000。

* 连续性：根据地域、设备分布及区域内用户数量来进行子网规划时，充分考虑网络层次和路由协议的规划，为同一个网络区域分配连续的网络地址，通过聚合网络减少网络中路由的数目和地址维护的数量，便于缩减路由表表项，提高路由器的处理效率，充分体现分层管理的思想。

* 可扩充性：随着高速公路通信专网要承载的业务量和业务种类越来越多，为同一个网络区域分配的网络地址应该具有一定的容量，便于主机数量增加时仍然能够保持地址的连续性，保证网络的可持续发展。

* 灵活性：IP地址的规划应考虑不同的路由协议和不同的通信链路技术，合理使用VLSM(可变长子网掩码)技术，能较好的适应不同的网络特点，节约IP地址空间。

在联网监控系统中，全网可采用私有保留地址。主干网络采用基于IP OVER SDH千兆光纤以太网络互连，各中心、收费站、办公网等以百兆带宽以太网接入，收费系统、监控系统、办公局域网等采用VLAN 技术分别划分虚网，VLAN之间通过访问控制限定权限和可访问服务，保证各系统之间的安全。
　　
结语

联网监控是整个高速公路监控系统发展的必然趋势，基于分布式的省域高速公路联网监控系统是一种面向业务的，具有模块化、开放性和先进性的监控系统。通过联网监控系统能充分发挥交通监控的路径诱导、多路径交通流量调控的功能，并且能最大程度地发挥高速公路网络的通行能力。省域联网监控系统具体功能有：

* 通过省域高速公路专网，从各路段中心，提取与路网性能息息相关的各种重要图像、数据，在必要时直接操作控制信息源；

* 综合各类提取数据进行挖掘和分析，以把握路网的交通状况，进而制定路网交通流控制方案，充分运用交通控制系统的技术手段来提高路网整体的通行能力；

* 在路网枢纽区域出现拥塞、或路段发生重大事故时，能迅速采取措施，发布路况信息，调动迂回，排除交通故障，组织紧急救援，恢复正常运行，以提高高速公路的整体服务水平，强化管理质量，充分发挥其安全、高效、舒适的特点。

参考文献：

1. 丁传锁，陈启美，章德，基于IP网络分布式高速公路监控系统［J］,数据通信，2002.，(1)51-53.
2. 孙培元，陈启美，高速公路监控网络管理系统的研究与实现［J］，公路交通科技，2004年第10期
3. 杨卫东、陈启美，高速公路中的集中监控系统设计［J］，东南大学学报，2000年第4期，刊号ISSN 1001-0505
4.  H.T. El-Khatib, MH. Williams, L.M. MacKinnon, D.H. Marwick，A framework and test-suite for assessing approaches to resolving heterogeneity in distributed databases[J], Information and Software Technology 42 200