陳柯 CHEN Ke；呂若丹 LU Ruo-dan；王世法 WANG Shi-fa；陳靜 CHEN Jing；何杰 HE Jie；鄺靖 KUANG Jing

（①四川成綿蒼巴高速公路有限責(zé)任公司成都分公司，成都 641400；②四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司，成都 610047；③四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041）

0 引言

四川省山區(qū)地震斷裂帶眾多，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，這對(duì)野外公路的監(jiān)控和維護(hù)提出了極高的要求。當(dāng)前用于野外公路工程（如橋梁、邊坡、隧道）現(xiàn)場(chǎng)視頻設(shè)備的接入主要有兩種方式：一是在局域網(wǎng)內(nèi)，使用攝像頭與NVR（Network Video Recorder 網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)）組網(wǎng)，完成視頻接入，通過(guò)局域網(wǎng)內(nèi)客戶端或者瀏覽器直接從NVR 上查看實(shí)時(shí)視頻或者獲取歷史視頻。二是在廣域網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)內(nèi)，在機(jī)房搭建廠商視頻服務(wù)器，在現(xiàn)場(chǎng)使用攝像頭與NVR組網(wǎng)，通過(guò)NVR 主動(dòng)注冊(cè)的方式接入視頻到視頻服務(wù)器，通過(guò)客戶端或?yàn)g覽器從中心服務(wù)器查看實(shí)時(shí)視頻或者歷史視頻。但這兩種常用方式在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸方式方面均存在一定程度的缺陷。方式一的缺陷在于現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)在局域網(wǎng)內(nèi)，屬于封閉的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，僅限于現(xiàn)場(chǎng)辦公人員使用，無(wú)法接入其他平臺(tái)，共享視頻相關(guān)數(shù)據(jù)。方式二的缺陷在于雖能夠接入專網(wǎng)或公網(wǎng)的視頻服務(wù)器，但用戶只能從視頻服務(wù)器獲取視頻流，因此負(fù)責(zé)視頻接入的視頻服務(wù)器對(duì)帶寬有極高的要求；視頻流延時(shí)也較大，大約在5-15 秒左右[1]，不利于獲取實(shí)時(shí)反饋；此外，服務(wù)器有視頻路數(shù)限制，擴(kuò)容會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，且不支持設(shè)備的遠(yuǎn)端維護(hù)，維護(hù)設(shè)備需要到現(xiàn)場(chǎng)操作。

1 相關(guān)研究

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是公路工程運(yùn)維管理的重要組成部分，已有不少學(xué)者開展了視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入或運(yùn)維方案的研究。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)2022 年發(fā)布了《高速公路智慧視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》（征求意見(jiàn)稿）[2]，旨在規(guī)范我國(guó)高速公路智慧視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，有利于部署和應(yīng)用視頻相關(guān)產(chǎn)品。該指南從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成、監(jiān)測(cè)功能、外場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、平臺(tái)功能和通信網(wǎng)絡(luò)要求方面都做出了規(guī)定。但該標(biāo)準(zhǔn)在各項(xiàng)規(guī)定上并未區(qū)分一般高速公路和野外高速公路，難以實(shí)際指導(dǎo)野外公路工程環(huán)境下的視頻監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

許續(xù)等人[3]引入無(wú)線影音收發(fā)系統(tǒng)，提出了一種使用數(shù)碼攝像機(jī)遠(yuǎn)程接入便攜式計(jì)算機(jī)的方法。王一竹[4]基于組播通信的分布式信道接入方法進(jìn)行了研究，通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)高效信道接入。魏振宇[5]提出了一種基于TePA 的面向安全的視頻監(jiān)控系統(tǒng)密鑰管理解決方案。朱予辰[6]提出了一種基于EPA 的網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)分配的靜態(tài)復(fù)合調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了充分利用帶寬為目標(biāo)規(guī)劃各設(shè)備周期時(shí)間片，解決控制網(wǎng)絡(luò)與多媒體數(shù)據(jù)的傳輸需求沖突。萬(wàn)明華[7]提出了一種井下無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，絞車司機(jī)可遠(yuǎn)程掌握梭車運(yùn)行工況及所在區(qū)域環(huán)境情況，提升了無(wú)極繩絞車運(yùn)行安全性。趙振宇[8]探討了石油化工企業(yè)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑。周婧榮[9]介紹某變電站工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)典型應(yīng)用配置及功能。葉海波[10]構(gòu)建了鐵路站段綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的頂層架構(gòu)，以及設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度和綜合分析等功能。類似地，馬占中[11]結(jié)合視頻圖像質(zhì)量診斷、Zabbix 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等技術(shù)，研究了攝像機(jī)圖像質(zhì)量、系統(tǒng)軟硬件設(shè)施運(yùn)行狀況和網(wǎng)絡(luò)狀況等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一體化全方位管控。綜上，上述方法多適合網(wǎng)絡(luò)良好的環(huán)境或面向特定作業(yè)環(huán)境，鮮有針對(duì)野外公路工程現(xiàn)場(chǎng)的視頻接入方法的研究。針對(duì)以上業(yè)界痛點(diǎn)和學(xué)界尚未解決的問(wèn)題，本文提出一種能應(yīng)用于野外公路工程設(shè)施（包括橋梁、邊坡、隧道）現(xiàn)場(chǎng)視頻設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)于傳輸?shù)慕鉀Q方法。該方法的創(chuàng)新點(diǎn)有二。其一，能夠在野外公路現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有固定公網(wǎng)IP 的情況下，方便第三方平臺(tái)獲取低延時(shí)視頻數(shù)據(jù)；其二，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)端維護(hù)，以滿足野外公路工程設(shè)施視頻監(jiān)控的需求。

2 基于NVR-VGW 網(wǎng)絡(luò)穿透的野外公路工程視頻接入方法

圖1 展示了本文提出的基于NVR-VGW 的公路工程視頻接入方法，分為五個(gè)大的步驟。

圖1 基于NVR-VGW 網(wǎng)絡(luò)穿透的野外公路工程視頻接入方法流程圖

步驟一，將野外公路工程現(xiàn)場(chǎng)的至少一個(gè)視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備NVR 接入視頻網(wǎng)關(guān)VGW 中，以使視頻網(wǎng)關(guān)VGW采集視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備NVR 上的視頻數(shù)據(jù)。步驟二，建立視頻網(wǎng)關(guān)VGW 與中心服務(wù)器之間的連接，并在中心服務(wù)器上添加各個(gè)視頻網(wǎng)關(guān)VGW 對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)下每個(gè)視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備NVR 采集的視頻信息。視頻信息用于表征視頻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)信息，不包含視頻流。步驟三，根據(jù)節(jié)點(diǎn)下每個(gè)視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備NVR 采集的視頻信息，通過(guò)中心服務(wù)器為用戶對(duì)應(yīng)的用戶終端提供視頻記錄查詢功能，并確定用戶在使用視頻記錄查詢功能過(guò)程中的視頻播放指令，得到視頻播放指令對(duì)應(yīng)的目標(biāo)制視頻信息。步驟四，當(dāng)?shù)玫侥繕?biāo)視頻信息之后，建立所述用戶終端與視頻網(wǎng)關(guān)VGW 之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，得到連接結(jié)果。步驟五，若連接結(jié)果成功，則根據(jù)視頻播放指令對(duì)應(yīng)的目標(biāo)視頻信息，直接從視頻網(wǎng)關(guān)VGW 拉取對(duì)應(yīng)的目標(biāo)視頻；若連接結(jié)果失敗，則啟用視頻中繼服務(wù)，并通過(guò)視頻中繼服務(wù)間接從視頻網(wǎng)關(guān)VGW拉取對(duì)應(yīng)的目標(biāo)視頻。最后，將目標(biāo)視頻傳輸至用戶終端進(jìn)行播放，完成視頻的接入。

此方法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)穿透的方式優(yōu)先建立用戶終端與視頻網(wǎng)關(guān)VGW 之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，穿透成功的情況下，視頻流會(huì)從野外現(xiàn)場(chǎng)視頻網(wǎng)關(guān)直達(dá)用戶瀏覽器，而不再經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，從而節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬；在無(wú)法穿透的情況下，會(huì)經(jīng)過(guò)中繼服務(wù)器建立連接，轉(zhuǎn)發(fā)視頻流，此情況會(huì)消耗一定網(wǎng)絡(luò)帶寬，但延時(shí)會(huì)大幅降低。在軟硬件資源充足的情況下，系統(tǒng)能接入的視頻路數(shù)沒(méi)有限制且可以通過(guò)SDK 抓取到關(guān)注的攝像機(jī)時(shí)間。中心服務(wù)器支持對(duì)視頻內(nèi)網(wǎng)關(guān)階段的遠(yuǎn)端維護(hù)，維護(hù)人員不必再奔赴野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端維護(hù)設(shè)備。

3 案例分析

為了驗(yàn)證方法的可行性和性能，筆者進(jìn)行了應(yīng)用場(chǎng)景的案例分析。如圖2 所示，案例為野外公路現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有固定公網(wǎng)IP 的兩座橋梁橋A 和橋B（還可以接入多座橋梁或其他公路設(shè)施），現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備包含有多個(gè)設(shè)置于野外公路工程交通工程現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭、多個(gè)攝像頭連接的NVR、多個(gè)NVR 連接的VGW（圖3）、VGW 連接的中心服務(wù)器、信令服務(wù)器以及中繼服務(wù)器，還包括用戶使用的瀏覽器。用戶通過(guò)瀏覽器登錄中心服務(wù)器查看各種視頻信息，當(dāng)需要進(jìn)行識(shí)別播放時(shí)，則通過(guò)信令服務(wù)器將用戶標(biāo)識(shí)以及用戶終端與信息服務(wù)器之間的連接保存至各個(gè)信令通道中，以使VGW 通過(guò)信令服務(wù)器與用戶終端進(jìn)行信令交互，建立用戶終端與VGW 之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，即穿透成功。穿透成功則進(jìn)行視頻直傳，視頻流會(huì)從VGW 直達(dá)用戶瀏覽器，不再經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，從而節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。在無(wú)法穿透的情況下，會(huì)經(jīng)過(guò)中繼服務(wù)器建立連接，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)并消耗一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

圖2 應(yīng)用案例示意圖

圖3 視頻網(wǎng)關(guān)VGW

啟動(dòng)中心服務(wù)器上的WebSocket 服務(wù)，通過(guò)VGW 向中心服務(wù)器發(fā)送接入請(qǐng)求。中心服務(wù)器對(duì)接入請(qǐng)求進(jìn)行解析，若判斷該VGW 信息存在于中心服務(wù)器的連接池中，則視頻網(wǎng)關(guān)的接入連接池，連接創(chuàng)建。隨后VGW 為中心服務(wù)器啟用第一讀寫服務(wù)，再通過(guò)中心服務(wù)器為VGW 啟用第二讀寫服務(wù)，如此進(jìn)行VGW 與中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。

首先通過(guò)中心服務(wù)器對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)，獲取用戶鑒權(quán)結(jié)果，成功鑒權(quán)后，通過(guò)中心服務(wù)器為用戶對(duì)應(yīng)的用戶端提供視頻記錄查詢功能。將野外公路設(shè)施橋A 和橋B 現(xiàn)場(chǎng)的所有攝像頭接入到NVR 中，通過(guò)視頻網(wǎng)關(guān)VGW 調(diào)度SDK 接口進(jìn)行設(shè)備搜索，在管理界面（圖4）中添加搜索出來(lái)的同網(wǎng)段或跨網(wǎng)段NVR，并添加NVR 的設(shè)備信息和VGW 下每個(gè)視頻采集通道對(duì)應(yīng)的通道信息。VGW 通過(guò)SDK 接口連接所有NVR，將視頻網(wǎng)關(guān)VGW 的全局唯一ID 以及名稱轉(zhuǎn)換為Json 字符串，再用base64 編碼工具對(duì)該Json 字符串進(jìn)行編碼，以將Json 字符串轉(zhuǎn)化為URL 查詢參數(shù)，得到視頻網(wǎng)關(guān)VGW 的唯一標(biāo)識(shí)信息。中心服務(wù)器根據(jù)通道唯一編碼解析出所屬的視頻網(wǎng)關(guān)VGW 全局唯一ID，以此在連接池中查找對(duì)應(yīng)連接，通過(guò)該連接完成與VGW 的交互，并通過(guò)SDK 接口執(zhí)行如通道預(yù)置點(diǎn)查詢、預(yù)置點(diǎn)跳躍、倍速播放、錄像記錄查詢等操作。視頻回放（圖5）提供歷史視頻的檢索、下載、播放、跳轉(zhuǎn)、倍速等功能。云臺(tái)控制（圖6）提供攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、標(biāo)膠、光圈、預(yù)置點(diǎn)等控制功能。

圖4 接入網(wǎng)關(guān)VGW 管理界面

圖5 視頻回放

經(jīng)過(guò)多次應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)穿透的成功率達(dá)48.5%±2%，即節(jié)約了近一半的帶寬，并實(shí)現(xiàn)從VGW 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接拉取野外現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)視頻的目的，視頻流延時(shí)約1秒；在網(wǎng)絡(luò)穿透未成功的情況下，消耗的網(wǎng)絡(luò)帶寬為一路高清視頻2M 帶寬，不受視頻路數(shù)限制，而延時(shí)同樣會(huì)降低到1 秒。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于NVRVGW 網(wǎng)絡(luò)穿透的野外公路工程視頻接入的方法，有效解決了在野外網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差、低寬帶的條件下，視頻難以傳輸共享且難以進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)端維護(hù)等問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)穿透成功率為48.5%±2%，在此情況下，該方法可直接從VGW 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拉取野外現(xiàn)場(chǎng)視頻，減少近一半帶寬消耗，且視頻流延時(shí)僅為1 秒；在網(wǎng)絡(luò)未穿透的情況下，該方法仍可在消耗帶寬的情況下大幅降低延時(shí)至1 秒。