基于车载终端的城市道路辅助监控系统研究

《物联网技术》杂志
2021-10-14 17:25
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引 言

伴随着汽车数量的不断增长和普及,交通事故频发。对于交通事故发生后的责任划分常由于事故发生时没有视频录像而导致责任不清晰,甚至出现车主被 碰瓷 的现象。而车载终端可以记录事故现场录像,还原事故场景,避免了责任不清的问题,成为了很多车主保护自身权益的利器[1]。因此,车载终端逐渐成为汽车标配[2]。

车载终端总量的大幅增加,相当于公共道路上多了众多移动的摄像头。但这些移动摄像头并未联网,因此,其视频监控数据只限于本地使用,无法用于公共安全领域。与此同时, 随着高清消费电子市场的繁荣以及 4G 等无线通信技术的发展,高清视频监控日渐成为公共安全领域众多监控技术发展的重点之一[3]。由此就形成了一个矛盾:一方面,公共安全领域需要越来越多的摄像头,但由于公共资源投入的限制不可能无限制增多;另一方面,道路上行驶汽车的车载终端就是一个移动的摄像头,其视频监控数据无法用于公共安全领域。本文提出的基于车载终端的城市道路辅助监控系统很好地解决了这一矛盾。

1 车载视频监控系统简介

受益于 4G、WiMAX 等无线通信技术的发展,车载视频监控系统获得了快速发展,无线高清车载监控应用模式将成为主流 [4]。虽然 4G 的带宽相比 3G 得到了很大提高,传输速率是 3G 网络的 10 倍,但总体的网络资源有限,且目前阶段4G 的资费比较昂贵[5]。

文献 [5] 提出了一种基于 4G 的车载视频监控系统,由前端移动取证设备、传输网络、后端中心管理平台和监控指挥中心组成。文献 [6]分析了基于 4G网络车载视频监控系统的关键技术,而实现实时车载视频监控系统的难点在于高清实时视频需要大量高速传输的数据。文献 [7] 提出,高清视频监控系统给存储系统带来了巨大挑战。文献 [8] 提出了一种基于Android的车载视频智能监控系统,完成了单路 640480图像质量的实时传输测试。文献 [9] 提出的基于Android的车载视频监控完成了4路实时高清视频监控测试,由测试可知,一台中心服务器最多支持 1 800 路视频同时请求。

若按照 720 P(25 帧 /s,4 Mb/s)的图像质量要求,每路图像每天的监控时间为 8 小时,则需要 14 GB 流量[5],即使采用H.265/MPEG-HEVC 编码(相对于 H.264/MPEG/AVC 可节省 40% ~50% 的码流 [6]),每路图像也需要约 4 GB 流量。本文提出,将道路上行驶的汽车所装载的车载终端联网,形成一个城市道路辅助监控系统,但若将这些视频数据全部实时传输到后台数据库,必然需要大量数据服务器及传输带宽, 技术实现难度大,成本上亦不可行。即使对于三四线城市而言, 每天至少有 10 万辆装载有车载终端的汽车在道路上行驶,按每辆车每天 8 小时计算,所需流量已达到 400 TB,以目前的4G 资费来说难以承受,同时对存储要求也非常高。

为解决基于车载终端的海量数据共享与存储成本之间的矛盾,本文提出将车载终端的记录视频分时段存储在本地。车载终端只需将其移动轨迹信息实时上传至云端服务器,云端服务器响应应用端视频数据请求,根据车载终端上传的轨迹信息查找符合要求的车载终端数据点,请求相应的车载终端上传视频数据至云端服务器,再由云端服务器转发至应用端播放。即车载终端的视频监控数据平时存储在本地,只需把轨迹信息实时上传,相对而言,所需传输的数据量大大减少,只有当后台服务器根据需求匹配相应的轨迹信息时,才需要车载终端上传相应的视频监控数据。

2 城市道路辅助监控系统架构设计

2.1 城市道路辅助监控系统的系统框架

本文提出了一种基于车载终端的城市道路辅助监控系统, 该系统包括若干移动视频源。移动视频源包括车载终端,拥有与云端互联通讯的无线通讯模块。云端建立有数据库服务器、数据接入服务器、应用服务器及数据处理中心,各服务器分别连接数据处理中心及应用端,用于发出视频数据请求及由数据处理中心获取视频数据。数据库服务器用于存储车载终端的移动轨迹数据以及暂存由车载终端上传的视频数据。数据接入服务器用于与车载终端通讯,为其提供接入数据链路。应用服务器用于建立与开发视频数据共享系统及该系统上的各类应用。系统框架如图 1所示。

2 车载终端的原理框架

车载终端包括 GPS/ 北斗定位模块、WiFi 通信模块、GPRS/3G/4G 通信模块、SD 卡模块、高清摄像头、麦克风、音视频协处理器、NAND Flash、CPU 和电源管理模块。

车载终端还可以通过WiFi 直连的方式将视频数据传输给手机,再经由手机与云端建立连接。因为手机大多时候都实时在线,所以系统具有更高的实时性,同时也可以减少车载终端中GPRS/3G/4G 通信模块的使用数量。车载终端的原理框架如图 2 所示。


2.3 海量数据共享方法的流程 

基于车载终端的海量数据共享方法流程包含以下步骤 : 

(1)由车载终端实时记录道路上的状况,分时间段存储; 

(2)该车载终端将其移动轨迹信息实时上传至云端服务 器,其中每个车载终端由唯一的地址编码识别 ; 

(3)云端服务器响应应用端的视频数据请求,列出符合 请求条件的若干车载终端数据点,该视频数据请求包括某一 特定时间或时间段、某一特定位置或位置范围; 

(4)选择对应的车载终端和数据点,云端服务器向该数 据点对应的车载终端发出上传视频数据请求,该上传视频数 据请求中包括车载终端的地址编码和时间点 ; 

(5)云端服务器将视频数据传输至应用端播放。 

车载终端启动后,以固定的时间间隔向云端服务器发送 在线信号,云端服务器由该在线信号判断车载终端的状态(在 线状态或离线状态)。应用端按特定时间与位置筛选出匹配的 车载终端轨迹信息记录,获取对应的视频数据。当车载终端 处于在线状态时,车载终端直接响应云端服务器的上传视频 数据请求;当车载终端处于离线状态时,云端服务器向车载终 端对应的备案用户手机发送信息,提醒用户开启车载终端。其 流程如图 3 所示。


车载终端实时上传的仅是移动轨迹信息,数据量很小, 不会超出云端服务器的处理能力范围,也不会造成网络数据拥堵。因为只在有需要时才获取视频数据,相当于将原本应存于云端服务器的视频数据分散保存于车载终端上,而这本就是车载终端具有的功能,所以能够很好地优化数据结构,极大地降低技术难度和数据传输成本。

视频数据通过移动运营网络上传至云端服务器,优先采用基于手机卡的GPRS/3G/4G 网络传输,解决了无线实时传输与唯一地址编码的问题,且技术成熟,无需额外增加太多成本。

3 应用场景及实现问题

本文提出的城市道路辅助监控系统可以更灵活、更及时地获知路面情况,对处理突发事件、环保违法、交通违章、 道路路障清理、失踪人口定位、犯罪现场处理及犯罪嫌疑人行踪查录等有关问题具有重要参考意义。例如,各地城市几 乎每天都有老人及妇女儿童走失或被拐卖的案例报道,此类 事件的发生往往是由于现有的公共安全摄像头不足,无法快 速追踪定位。若有了基于车载终端的城市道路辅助监控系统, 则可以根据事发道路时间、地点,查找相应经过的车载终端 的视频监控来帮助相关部门更快找到失踪人口。 

本系统的实现难度在于需要政府前期投入一定的资源, 吸引车主更换专用的带联网功能的车载终端(如由政府补贴), 并且采取一定的奖励措施鼓励车主使用专用车载终端(若使用 视频监控数据则给予相应奖励)。只有越来越多的车载终端加 入到城市道路辅助监控系统中,其覆盖范围才能越发宽广,发 挥的作用才会越大。 

4 结 语

本文提出了一种基于车载终端的城市道路辅助监控系统, 其关键点在于将海量车载终端的监控数据存储在本地,车载 终端只需上传移动轨迹信息,云端服务器根据应用需求匹配相 应的轨迹信息,再请求车载终端上传视频监控数据,将其传 送至应用端播放,满足应用需求。该系统可以形成一个强大 的移动电子眼网络,为城市公共安全服务。

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