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視頻監控在高速路作業調度系統上的應用

2015年電子技術應用第1期

陳嫻，彭宏，吳海巍

（浙江工業大學信息工程學院浙江省通信網技術應用研究重點實驗室，浙江杭州 310023）

摘要： 高速作業的管理是高速管理的重要方面。首先介紹了高速公路的發展現狀和高速作業管理上面臨的問題和挑戰，從遠程管理的角度出發，構建了高速作業調度系統。該文簡單介紹了系統總體設計框架并詳細闡述了客戶端上視頻模塊的設計與實現方法。最后對該客戶端進行測試，驗證其實際的效果，證明該設計在監控和調度領域有良好的應用和發展前景。

關鍵詞： 高速作業管理遠程監控指揮調度

Abstract：

Key words :

　　摘要：高速作業的管理是高速管理的重要方面。首先介紹了高速公路的發展現狀和高速作業管理上面臨的問題和挑戰，從遠程管理的角度出發，構建了高速作業調度系統。該文簡單介紹了系統總體設計框架并詳細闡述了客戶端上視頻模塊的設計與實現方法。最后對該客戶端進行測試，驗證其實際的效果，證明該設計在監控和調度領域有良好的應用和發展前景。

　　關鍵詞：高速作業管理；遠程監控；指揮調度

0 引言

　　近年來，我國的高速公路建設日新月異，建成通車里程逐年上升，路網更加稠密[1]，在經濟社會發展總體格局中的地位越來越重要。然而，隨著路網密集度的提高，高速公路上出現事故/故障的概率也越來越大，給事故/故障的快速反應和及時處理工作提出了更高的要求。同時，隨著道路承載量的劇增，道路設施的日常維護工作也變得越來越重要。傳統的高速路作業模式具有反應速度慢、統一管理調度能力弱等缺點。隨著計算機的普及和信息技術的發展，計算機化、網絡化和智能化日益成為人們生產生活的主要方式，同時隨著多媒體計算機性能的提高和網絡帶寬的增大，視頻監控也在各行各業得到了廣泛的應用。因此，為了提高高速路作業的管理調度能力，本文將視頻監控應用于高速路作業的管理調度中，實現在戶內對遠程高速路上的排障和養護工作的監控、調度和管理。

1 系統總體架構

　　高速作業調度系統由戶外作業設備端、服務器平臺和客戶端3部分組成。整個系統設計框架如圖1所示。

　　本系統設計中，服務器平臺由SIP[2]信令服務器、媒體轉發服務器和FTP服務器組成，信令服務器負責客戶端與終端、客戶端與服務器之間的信息交互，媒體轉發服務器負責H.264視頻流的轉發，FTP服務器負責圖像資料的管理、存儲和下載工作。戶外作業設備端由手機設備組成，在手機上裝一個協助高速作業完成的APP，其主要功能是實現戶外作業人員的登錄管理，對調度中心派發的任務的查看和完成情況的匯報，同時在執行任務時傳送實時視頻畫面到調度中心，讓調度中心隨時掌控戶外作業情況并做出及時的調度響應。此外還可以上傳圖像和數據資料到FTP服務器進行存檔。客戶端緊緊圍繞高速公路排障與養護工作進行設計，主要實現對遠程高速作業的實時監控和調度管理，以及對數據資料的統一管理和統計分析等。

2 客戶端功能模塊的設計

　　高速作業調度系統客戶端主要包括用戶管理、視頻監控、雙向語音、任務管理、軌跡查詢、視圖管理和報表管理等幾個模塊，如圖2所示。各模塊之間相互協調工作，實現對高速作業的遠程監控與調度。

　　用戶管理模塊由用戶登錄和密碼修改兩個子模塊組成，主要負責用戶的登錄驗證和密碼修改工作；任務管理模塊分為任務派發和任務查詢兩個子模塊，主要實現向遠程設備終端派發高速作業任務并對高速任務的詳細情況進行查詢顯示；視頻監控模塊包括設備列表獲取、視頻播放、本地錄像、圖像抓取、云臺控制、參數設置等功能，主要實現對事故/故障現場的具體情況進行動態了解，從而可以做出及時調度響應；雙向語音功能利用SIP電話機實現，客戶端可以呼叫終端設備，終端設備也可以呼叫客戶端，實現調度中心人員與戶外作業人員的通話，完成指揮調度；軌跡查詢模塊包括實時軌跡跟蹤和歷史軌跡查詢，主要實現對養護人員的巡邏情況進行實時跟蹤和養護的歷史軌跡記錄的查詢；視圖管理模塊主要實現對排障和養護作業中設備端上傳的圖像和視頻數據進行統一管理和保存；報表管理模塊主要實現對排障和養護的數據信息分時間段進行查詢預覽、統計分析和報表導出的工作。

3 視頻監控模塊的設計與實現

　　將視頻監控技術應用于高速作業調度管理中，可以實現在戶內對遠程高速路上的排障和養護作業進行實時監控管理。尤其在處理重大交通事故時，清障作業人員利用手機捕獲實時視頻畫面發送到調度中心，各級相關負責人不需親臨現場就可動態掌控事故現場的情況，做出正確的決策，完成靈活調度。

　　視頻監控模塊中視頻數據采用H264格式，打包成RTP/UDP包在網絡中傳輸。客戶端先進行實時視頻的請求，在請求成功后，開啟線程接收流媒體服務器轉發的RTP包，并對接收到的視頻RTP包進行處理，獲取H264數據，再利用DirectShow視頻處理機制[3]設計視頻播放鏈路來實現實時視頻數據的解碼和播放，整個流程如圖3所示。

　　3.1 實時視頻請求

　　實時視頻請求采用SIP信令完成客戶端與設備端的通信。客戶端先發送INVITE消息到SIP信令服務器，SIP信令服務器查詢被請求的設備的地址，將INVITE消息轉發給終端手機設備，手機設備接到請求后試圖開啟視頻，在完成視頻開啟后發送確認信息和媒體信息到SIP信令服務器，SIP信令服務器轉發確認信息和媒體信息給客戶端，客戶端再對信息進行確認，完成視頻請求的過程，整個流程如圖4所示。

　　3.2 RTP包的處理

　　視頻請求成功后，客戶端開啟RTP接收線程進行RTP包的接收。其中收到的RTP包的結構如圖5所示，RTP包由RTP包頭和RTP負載組成，其中RTP負載為NALU數據，而NALU數據又由一個字節的NALU數據頭和一個較長的NALU數據域組成[4]。

　　客戶端調用JRTPLIB庫對RTP包進行處理。首先對接收到的RTP包進行解包，取出RTP的負載數據。由于本系統的RTP包是基于UDP傳輸的，UDP是無連接的傳輸，客戶端上接收到的RTP包可能存在亂序等問題，故將取出的負載數據按其序列號進行重新排序存入一級緩存中。其關鍵代碼如下：

　　pack=GetNextPacket（）//獲取RTP包

　　packetoder=pack->GetSequenceNumber（）；

　　//獲取接收到的RTP包的序列號

　　StreamBufNode*pRtpFrameNode=new StreamBufNode

　　（（char*）pack->GetPayloadData（），

　　pack->GetPayloadLength（），（int）packetoder，0）；

　　//利用獲取的RTP包信息組裝數據節點

　　m_pVFragmentBuffer->AddToBufBySeq（pRtpFrameNode）；

　　//按序列號排序，暫存一級緩存中

　　ProcessNalu（）；

　　//對一級緩存中的數據進行重組，推送到二級緩存中

　　在一級緩存中將不斷對RTP數據包進行存儲和移除操作，為了提高運行效率，一級緩存采用鏈式存儲結構。

　　當緩存到一定量后，將一級緩存中的數據取出進行進一步的處理。由于RTP包有一個MTU值，當NALU數據長度過大時需要對其進行分片傳輸，因此接收到的RTP包中的負載數據可能是一個NALU幀，也有可能是一個NALU分片數據，利用第一個字節的TYPE值來判斷負載數據是一個完整的NALU數據幀還是一個NALU分片。若為完整的NALU數據幀，則直接將其存入二級緩存中，為后續的視頻播放提供數據源；若為NALU分片，則利用FU頭中的S、E、R值來判定NALU分片是頭分片還是尾分片還是中間分片，對NALU分片進行重組，還原為一個NALU數據幀后存入二級緩存等待后續播放。關鍵代碼如下：

　　pPayloadData=（unsigned char*）pStreamBufNode->GetData（）；//獲取一級緩存中的RTP負載

　　//利用分片FU指示字節和FU頭區分不同的NALU數據

　　if（m_pH264RTPReceive->ProcessHeader（pPayloadData，length，nFragment）==true）{

　　//完整的NALU幀

　　if（nFragment==FRAGMENT_NO）{加上00 00 00 01分隔符直接推向二級緩存；}

　　//NALU分片幀的頭分片

　　else if（nFragment==FRAGMENT_START）{加上00 00 00 01分隔符；}

　　//NALU分片幀的中間分片

　　else if（nFragment==FRAGMENT_MIDDLE）{將中間分片加在頭分片后面；}

　　//NALU分片幀的尾分片

　　else if（nFragment==FRAGMENT_END）{加入尾分片，將重組的NALU幀推向二級緩存}

　　}

　　一級緩存和二級緩存的大小設置也很重要，若將緩存設置得過大，會造成很大的實時視頻播放時延；若將緩存設得過小，由于沒有對足夠的RTP負載數據進行排序，會造成視頻畫面回退的現象。考慮到網絡壞境和幀率等綜合因素的影響，本軟件將一級緩存大小設置為幀率的0.7倍，二級緩存的大小設置為幀率的0.8倍。

　　3.3 實時視頻播放鏈路的搭建

　　本系統的實時視頻播放鏈路采用DirectShow機制進行搭建，鏈路由Source Filter、Transform Filter和Render Filter組成，如圖6所示。該鏈路的Source Filter繼承自CSource類，內部包含一個處理RTP包的類和一個PIN接口類，主要完成RTP包的處理以及將獲取的H264數據幀推送到Transform Filter中。Transform Filter調用ffdshow解碼器[5]控件，它能幫助實現H264視頻數據的解碼工作，并將解碼后的源數據傳遞到Render Filter。Render Filter調用系統默認的播放設備進行實時視頻播放。

　　4 客戶端測試

　　本文設計的高速作業調度系統如圖7所示。在網絡情況正常條件下，對系統進行性能測試，軟件各模塊運行正常。對視頻模塊進行測試，測試結果如表1所示。