高速公路机电工程中小CCTV系统的设计与选型_高速公路选线设计

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高速公路机电工程中小CCTV系统的设计与选型

山西省自动化研究所

张国华

高速公路机电工程一般分为三大系统：收费系统、监控系统、通信系统。在收费系统和监控系统中，一个重要的组成部分便是闭路电视监控系统。习惯上，我们把收费系统中的闭路电视监控系统称为小CCTV系统。

小CCTV系统主要是应用一系列摄像、录像及控制设备，实现对收费亭内、收费车道、收费广场及收费站监控楼内一些重要场所进行实时监视、记录，帮助收费站工作人员进行日常的收费工作，并提供核查的依据，以辅助管理、杜绝舞弊。随着闭路电视监控技术的不断发展和在高速公路机电工程中使用的日益成熟，小CCTV系统不仅在监视、记录、核查收费交易情况等方面更加强大和完善，也逐渐成为辅助收费人员进行收费操作的工具。同时，不断提高的视频存储技术，也使得记录的视频数据不仅仅被用在高速公路核查方面，更为诸如公安等部门跟踪、稽查目标车辆提供了有力的帮助。

小CCTV系统的设计与选型合理与否，直接关系到高速公路收费系统的整体性能。小CCTV系统主要由前端设备、传输部分、监视记录及控制设备三大部分构成。

前端设备

前端设备主要包括：摄像机、镜头、云台、解码器、防护罩、辅助光源等。不同的位置、不同的功能需求，设备的使用情况也随之不同。

 亭内摄像

收费亭内安装摄像机是为了监视收费员的操作过程以及收费亭内的异常情况，确保收费秩序及收费员的安全。亭内摄像机一般选用半球形摄像机，它成本比枪机低，安装简便，体积小，多为直流供电，配以3.6mm或4mm左右的自动光圈镜头，摄像机的视角可覆盖收费员工作台、工作窗口及部分亭内空间等主要区域，完全可以满足亭内摄像的需要。如希望图像的清晰度更高，如470线以上，且对成本控制要求不高时，也可采用枪机，配以4mm自动光圈镜头。如特别要求对收费员手中现金或票据清晰可辨，镜头也可选用6mm左右的，但这样一来，视野范围会较小。具体情况可根据实际应用中不同要求配置。由于收费亭内光线虽然比较良好，但一天需24小时工作，光线明暗会有明显变化，故亭内摄像机的镜头均采用自动光圈型，但摄像机的照度可不过分要求。收费亭内一般配有空调，所以对摄像机的温度要求不高，使用枪机时加配普通防护罩以防尘即可，无需风扇或加热器件。亭内摄像机多采用彩色摄像机。

 车道摄像

车道摄像机在小CCTV系统的前端设备中，是较为重要的部分。这是由于它的视角覆盖收费车道的主要区域，是上级监控、记录的重要视频数据来源，也是进行车道图像抓拍、车牌自动识别、收费员辅助操作、交易数据保存等工作的重要设备。

车道摄像机的选择应结合其应用方案进行。根据功能要求的不同，车道摄像机安装的位置也不相同，大致分为两种。

一种情况下，车道摄像机安装在收费岛尾部距离收费亭较远的位置，约6m或更远，位于自动栏杆后方。摄像机安装高度也较高，约2m左右。这种安装方式，是为了使车道摄像机摄取的图像覆盖交易车辆的整个车头部分，同时兼顾自动栏杆的起落动作。这样可清晰辨别车型，不足之处在于难以看清车牌号。这种安装方式，常常在比较重视车型的情况下使用。相应地，抓拍的车道图片或记录的图像叠加收费数据（包括车型判别信息）后，核查人员可以方便地知道是否有车辆分类不符的操作，从而控制收费员利用分类不符进行作弊。此种方案采用的摄像机一般为1/2″或1/3″彩色或黑白枪机，配8mm-12mm自动光圈镜头。车道摄像机的参数要求较高，选择时着重考虑信噪比、清晰度、照度，特殊地域应考虑温湿度要求。信噪比一般应大于46dB，清晰度大于470线。照度应在1lux以下并尽量低，因为收费大棚夜晚的灯光亮度一般不足以满足摄像机的需要，所以夜晚时车道摄像机摄取的图像质量会受到很大影响。选择黑白摄像机、加装辅助光源、选择超低照度摄像机等措施可以使情况有所改善。

另一种方案，车道摄像机安装在收费岛尾部距离收费亭较近的位置，约3m左右，位于自动栏杆与收费亭之间，高度也降为1m左右或更低。这种安装方式，是为了清晰地摄取车牌，使得监控室值班人员能从监视器上清楚地辨认车牌号，录像核查时也可方便地核查车牌。目前，国内高速公路收费系统避免司机通过换IC卡或纸票作弊的一个常用办法，就是在IC卡内或纸票上记录车号。这种车道摄像机的安装方式，为记录并核查车号提供了有力的帮助。同时，在收费员显示器上开窗口显示车道摄像机信号，可以帮助收费员识别车牌号，而不必在恶劣的外部环境下将头探出窗外，既简单又安全。在车牌自动识别系统中，这种安装方式被广泛使用。这时的车道摄像机的选择，除CCD器件、照度、信噪比、清晰度等方面与前一种方案类似外，还应特别注意几点。一是镜头的选择，根据摄像机的安装位置，一般选择6mm-8mm左右的镜头。由于摄像机距离交易车辆较近，镜头焦距过大，会使视角范围太小，而交易车辆的车牌位置则因车型或车牌安装位 2 置的不同有一定差异，视角范围小将导致某些车辆的车牌处于视野以外。镜头焦距过小，视野范围大了，车牌却可能看不清。这是一对矛盾，在实际的工程安装调试中经常会遇到，合理的设计方案是解决问题的关键。一个简便有效的办法是选用变焦镜头，如3.5-8mm、4-10mm镜头，成本相对定焦镜头不会有太大提高，安装调试中却可以减少很多的麻烦。这种方案下，车道摄像机安装位置较低，摄像机与路面夹角较小，在太阳高度较低情况下，根据车道方向的不同，会出现不同程度的逆光影响，必要时可选择启动逆光补偿功能。

车道摄像机工作环境较亭内恶劣，易受室外自然环境的影响，所以车道摄像机应加装室外型防护罩，内配加热器件及风扇。车道摄像机的供电方式选择交直流均可。

 广场摄像

在收费广场的单侧或两侧，通常会安装广场摄像装置，用来对收费广场的总体情况进行监视或记录，并利用其云台、可变镜头对收费广场特殊情况进行跟踪。广场摄像机一般安装在距离收费车道50m左右，高度为6-12m的水泥杆或金属立杆上。广场摄像机一般选用两种设备，一是枪机+全天候室外防护罩+全方位云台+解码器，另一种是一体化球形摄像机。

对于前一种选择而言，成本控制方面较有优势，可根据需要及财力选用不同组件，但是在设备的选择上，要注意的方面较多。首先，每一组件的性能及参数都应有所考虑；其次，各组件之间的兼容性也十分重要。对于摄像机，选择上与车道摄像机类似，只是在供电方式上，建议选用220V AC供电。因为广场摄像机一般利用收费广场或边道的配电箱进行供电，距离较远，压降因素应该考虑。广场摄像机的镜头一般配8-80mm、10-200mm左右电动三可变镜头。由于不同变焦范围的镜头价格差异也较大，所以选择时应综合考虑功能要求及价格。广场摄像机的云台选择上主要考虑几个因素，一是水平、垂直转动范围，二是转速，三是控制电压。广场摄像机的云台要求是全方位的，即水平转动范围0-355º以上，垂直转动范围0-90º。一般情况下，普通转速的云台即可满足的工作需要。云台控制电压多为两种，一种是220V AC，一种是24V AC，选择时应注意与解码器的云台控制电压匹配。广场摄像机的工作环境最为恶劣，风吹、日晒、雨淋、雷电，所以广场摄像机不仅要有可靠的避雷措施，还应配有全天候室外防护罩。防护罩应装有加热器件、风扇及雨刷，以确保广场摄像机在各种条件下正常工作。防护罩的控制电压也应结合解码器进行选择。解码器是实现收费站监控室控制设备对广场摄像机、云台等进行控制的中间设备。它接收上级控制设备下传的控制指令，将它们转变为一系列的控制信号输出到云台、镜头等单元，实现各种预期动作，如云台转动、镜头变焦等。目前的解码器控制方式有两种，一种是专用线路控制，一种是同轴视控，具体选择应结合监控室控制设备进行，确保信号兼容。专用线 3 路控制需要在监控室控制设备与解码器间提供专门的线缆，通信协议多为RS485。同轴视控则利用广场摄像机视频信号上传使用的同轴电缆进行反向控制信号传输。在这种控制方式下，应注意中间设备的选择，如加装视频分配器时控制信号的反向传输就有可能受到影响。

对于一体化球形摄像机，目前国内高速公路机电项目中应用案例也非常多。一体化球形摄像机具有安装简便、转速快、维护量小等优点，且设计中兼容性方面主要只考虑与监控室控制设备的匹配，但是一体化球形摄像机价格相对较高。一体化球形摄像机自带全天候防护球罩，并多与解码设备集成在一起，安装时安装点少，各部分之间也无需再进行复杂的线缆连接。对于镜头而言，一体化球形摄像机镜头的变焦范围相对于上一种方案较小。然而，随着其技术的不断发展，成本的降低，一体化球形摄像机将会更多地应用在高速公路闭路电视监控领域。

 楼道摄像及其它重要场所摄像

有的高速公路机电项目中，为确保收费站监控楼内的安全和正常工作秩序，要求在楼内监控室门口、票证室门口等重要场所安装摄像机，以监视这些区域的情况。这些摄像机的选择与亭内摄像机或车道摄像机的选择方法类似，结合具体安装位置和功能要求进行即可。

传输部分

高速公路机电工程小CCTV系统的传输按照区间，可划分为两部分：一部分是收费站内信号传输部分，另一部分是收费站向收费中心/收费分中心等上级管理系统的信号传输。每一部分的传输都包括视频信号的传输和控制信号的传输。

 收费站内信号传输

收费站内信号传输又分为收费广场至收费站监控室信号传输、收费广场范围内信号传输、收费站监控楼内信号传输几部分。

收费广场至收费站监控室信号传输主要是指收费广场内的摄像机（亭内、车道、广场）向监控室传输视频信号，以及监控室向广场摄像机的解码器传输控制信号。在收费广场距离监控室较近的情况下，如500m以内，信号传输大多使用电缆传输。视频信号选用SYV-75-5室外型同轴电缆，控制信号选用屏蔽双绞线（根据不同距离，可选择线径为0.5-1mm的线缆）。如控制方式为同轴视控，则 4 不需专门的控制电缆。在距离较远时或对信号传输质量有更高要求时，信号传输可采用光缆进行。此时，应根据情况选择不同规格的光端设备，如只传输视频信

号，则只需视频光端机即可。为节省光缆资源，一般选用多路视频复用型光端机，它可将多路视频信号通过一芯光纤进行传输。在传输视频信号和反向控制信号时，可选用视频+反向数据光端机，如4路视频+1路反向数据光端机，它可在一芯光纤上传输4路视频信号及1路反向控制信号。收费广场的光端设备与监控室的光端设备是一一对应的。利用视频+音频光端机，我们也常常将收费亭内的监听信号同时上传收费站监控室，以节省线缆。对于同轴视控型解码设备，选择光端机等设备时，应注意信号是否可以双向传输。

收费广场范围内的信号传输包括各摄像机向车道控制器或光端机传输视频信号、光端机向解码器传输控制信号几类。对于需要叠加收费数据的视频信号（如亭内、车道），视频信号从摄像机首先传至车道控制器的字符叠加单元，叠加后再上传。对于需要在车道进行实时显示或捕捉的车道摄像机图像，应通过视频分配设备引入相应单元。车道摄像机、广场摄像机的视频信号，向亭内相应设备传输时，选择SYV-75-5室外型同轴电缆；而收费亭内视频信号的传输，则可使用SYV-75-3室内型同轴电缆，因为亭内环境较外部良好且距离很短，采用这种线缆既降低成本，又由于其较为柔软而便于施工。

收费站监控楼内信号传输主要包括楼道摄像机向监控室的视频信号传输、监控室内或监控室至通讯室的视频信号及控制信号传输。楼道内的视频传输、传至监控室的图像（包括楼道、亭内、车道、广场）在各设备间的连接及向通讯室的传输建议使用SYV-75-3室内型同轴电缆。

 收费站向收费中心/收费分中心等上级管理系统的信号传输

高速公路的管理体系大多为收费中心/收费分中心、收费站模式。根据需要，收费站的部分图像应实时上传收费中心/收费分中心，供收费中心/收费分中心监视及记录。对于各站的广场摄像设备的控制，有时也不仅在收费站一级进行，相应的收费中心/收费分中心也要进行控制且具有较高控制权限。所以，在收费站与收费中心/收费分中心之间，存在视频信号及控制信号的传输。这种传输一般是通过高速公路机电工程中的通信系统进行的，如使用光端机直接利用其敷设的光缆，或使用编码设备利用其通讯接口（如E1接口）。不同的方案是根据不同的传输要求、不同的通信系统条件进行选择的。

如果需要上传的信号数较多，而通信系统的光缆芯数有一定余量的话，可选择使用光端机。多路视频复用+反向数据传输光端机可以满足多路视频信号及控制信号在一芯光纤上传输的需要。为了节省光纤资源，在两个以上收费站都向同 5 一上级系统传输且两站拓朴结构上构成链路的话，也可选用级联型光端机。远端收费站的信号先通过光端机传至下一收费站，再利用下一站的级联光端机在同一芯上传输两站的信号，以此类推。这种方式可以有效地节省光纤，但设备成本较高。采用这种方式传输时，应注意并不是一根光纤上可以传输无限制数量的信号。

另一种传输方案是采用视频编解码器，将视频信号编码后通过通信系统提供的2M口进行传输。这样，视频传输可以利用通信系统提供的通道进行，并不需要额外使用光纤。但是，由于带宽的限制，通常一对视频编解码器和一个2M通道只能传输一路视频信号。此外，视频编解码器的价格目前也比较高。由于控制信号的路数通常并不多，控制信号的传输也可利用通信系统的音频接口进行。

监视记录及控制设备

监视、记录及控制设备主要包括收费站监控室部分和收费中心/分中心监控室部分。

 收费站监控室设备

收费站监控室的监视设备主要是彩色或黑白监视器，多为15″-21″。根据不同的功能要求和成本控制，可选择一对一、一对多方式或两种方式相结合。一对一是指一路视频信号对应一台监视器，一对多是指一台监视器通过画面分割器或视频切换设备同时或轮流显示多路视频信号。切换可以定时也可外部触发。

记录设备主要是对视频信号进行录像、存储。较多使用的记录设备是长延时录像机，但是记录的方式却有多种。利用视频控制矩阵，可以方便地将多路视频信号进行切换控制输出，记录时可以轮流录制每一路图像，也可通过人工干预或外部触发选择某一路图像进行录像。这样做的缺点在于，图像路数较多时，每一路图像的记录帧数会减少，图像丢帧现象较为严重。画面分割器在录像时使用也不是一个很好的选择，尽管一台录像机可同时录制多个画面，但录制的效果却不能满足核查的需要，主要原因仍然是丢帧严重，动画效果明显，实时性差。国内有的高速公路采用多个录像机进行记录，如一台录像机针对一个车道及亭内，通过外部触发信号切换录制。这样确保了录像的质量，但设备要求较多，录像带使用也较多。场切换器相对于普通的画面分割器价格较高，但性能较好，四路图像同时录制时，效果比较理想，不失为一种选择。目前，硬盘录像机作为一种新型的记录手段在市场占有越来越多的份额，它利用不断发展更新的计算机技术作为记录的技术依托，产品日益成熟，16路视频同时进行录像，每路基本可以作到实时记录。不过，硬盘录像机的记录载体是硬盘，6 尽管海量硬盘的容量已达到每块120G以上，但对于多路信号同时实时记录而言，还略显不足，在记录要求保留较长时间时，需及时将记录移至其它存储设备保存。

为了节约硬盘空间，许多硬盘录像机应用软件都具有视频检测功能：当某路图像处于静止状态时，该路停止录像，当画面出现变化（如车道摄像机前有车辆进入视野）时，再启动录像操作。这样，可以在一定程度上有效节省硬盘空间，避免无实际意义的图像占用资源。各种录像方案各有优势，设计时可根据情况进行灵活选择，需要考虑的因素有需记录的视频信号数、录像质量要求、价格因素、录像保留时间等。

收费站监控室的控制设备主要功能是对广场摄像机的云台、镜头进行控制，对上传的视频信号进行切换等，主要有视频控制矩阵、云台镜头控制器、硬盘录像机等。视频控制矩阵有切换、控制输出功能，云台镜头控制器只是控制设备，硬盘录像机也可进行控制及切换，不过切换结果是在显示器上显示。几种设备可根据具体情况进行选择，而不必重复使用。控制设备的选择上主要应注意与广场摄像机解码器的信号兼容。

记录设备和控制设备在选择时应充分考虑今后扩充及升级的可能，如视频控制矩阵的输入输出路数、硬盘录像机的输入路数等，均应在满足现有设备需要的基础上适当留有余地。

 收费中心/分中心监控室设备

收费中心/收费分中心主要是对下属各收费站上传的视频图像进行监视和记录，并对收费站广场摄像机进行控制。监控室的监视、记录、控制设备与收费站类似，设计与选型时可根据实际需要进行。应注意的一点是，在多级控制方式下，收费中心/收费分中心的控制设备应与收费站的相应设备兼容且都具有多级控制功能。

高速公路机电工程小CCTV系统的设计与选型，主要包括上述三个大的部分。随着各项相关技术的不断发展和更新，新的思路、新的设备也必将被广泛应用于高速公路机电工程当中。同时，工程中的实际情况如功能要求、成本控制、现场环境等各不相同，具体的方案也千差万别，应尽可能全面细致考虑各种因素，进行设计和选型。设计和选型时，应遵循价格合理、功能完备、性能可靠、易于维护、易于扩充升级的原则进行。