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编解码压缩技术与5G实时传输技术在ETC门架上的应用

2022-07-06

来源 : 赛文交通网

作者 : 张秉皓

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编者按:近日,在赛文交通网联合智慧高速精英俱乐部共同举办的“高速公路收费系统新姿态”线上研讨会上,贵州中交贵都高速公路建设有限公司总经理助理张秉皓作了《全自主知识产权编解码压缩技术与5G实时传输技术在ETC门架上的应用》报告。

张秉皓表示,随着高速公路全国联网收费的启动,高速公路收费运营管理模式进入变革时代,无论从监管还是操作,都有了全新的变化。原来以省为单位的区域化管理被打破,全国高速公路形成真正意义上的一张网,对高速公路运营管理体制带来深远影响。面对日益复杂的高速公路交通环境和安全规范管理的升级,高速公路业主经营单位应结合ETC门架系统图像抓拍系统,利用自主知识产权的编解码压缩技术减少存贮与传输流量,利用5G实时通讯技术提升数据交互效率,建设一套智慧、高效、主动、便捷的,关键是投入少的车辆动态监测和智能预警管理系统迫在眉睫。

一、行业现状

1. 联网收费难点

如今联网收费过程中一直存在几个难点问题困扰着行业发展:如何让计费更准确?如何拆分更精准?如何让计费和拆分更高效?

交通运输部取省技术方案选择了天线交易数据作为计费、拆分的依据,同时又将牌识抓拍图像数据作为辅助,用于提高计费精度。但由于数据存储、网络传输带宽以及算力(计算资源)的限制,高额的建设运维成本制约着ETC门架牌识抓拍图像数据大规模应用,使得牌识抓拍图像数据没有很好的用于辅助计费和拆分。

图片和视频的受众面非常广泛,可用于计费和拆分过程中车辆行驶轨迹的还原;“两客一危”“超限运输”等特殊车辆的监测;一旦数据传输效率提高以后,通行费稽核打逃工作在高效传输的图像证据前,改变现有的事后稽核工作模式,追缴前移,在车辆驶离高速公路前完成车辆异常行为的判定和拦截。

2. 工作痛点与目标

1) 工作痛点:天线交易数据与车牌抓拍数据融合分析能力不足;车辆行驶路程包含高速公路经营者的经营路段,但经营者无法获取拆分收益;危化品运输车辆预警与救援信息传递能力不足;通行情况统计依靠人工填报,遗漏和重复统计现象普遍,数据准确性、时效性不足;传输和存储成本过高,不能满足不了拆分取证时限要求。

2) 工作目标:减少人工巡检视频的工作量;快速发现异常行为车辆并有效拦截,提高收入;利用5G技术实时性和图视压缩技术低成本性,综合提升高速公路通行费计费准确性,图像证据有助于拆分精确性。

3. 面临的问题

1) 存储与传输:举个例子,以单个省1万路摄像机90天储存空间要求为例,需要44.5P的存储空间和传输要求。

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2) 算力与应用:如今的系统无法高效处理如此庞大的数据,若按照天线交易数据模式,将车牌抓拍系统的视频和图像数据集中上传到行业管理部门,将会造成系统崩溃。在万物互联时代,门架上的摄像头、车型识别设备及未来车路协同车端设备都在不断地生成数据,数以万计的智能终端会源源不断地产生海量数据,若将数据全部通过网络回传到数据中心再进行处理,将对数据中心的处理能力,乃至传输带宽、时延等提出根本无法达到的技术要求。  

2020年8月,贵都高速与省中心验证了放开门架抓拍图像数据上  传,仅仅四对8个门架的图像信息,就造成省中心网络崩溃,导致全省通行费流水数据积压。要解决问题,理想的解决方案之一就是将采集到的数据先经过筛查和处理,只把最核心的数据回传到数据中心。

在ETC门架上,增加各类智能传感器、智能摄像机、智能识别设备等终端,所有采集的数据先由小型的边缘计算设备进行处理再上传云端数据中心,不但减轻了云端数据中心的负担,还可以缩短设备响应时间,给用户带来良好体验。

4. 解决方法

目前ETC门架系统中80-90%的数据是图片和视频资源,数据处于闲置状态,没有大规模应用;

1) 传统解决方法:增加大额投资,购买存储、购买流量、建设光纤,使用更大容量的存储介质/使用更宽的网络(如:6G);购买小型机设备建立规模化机房,建立数据中心。但数据传输和存储远远赶不上数据爆炸性增长的需求,算力资源建设远远跟不上日益精细化管理的需求,耗时且不可组合的软件应用系统以及没有整合的应用功能模组,单一且各自为政的行业管理系统及没有统一的对外拓展平台,都使得传统的解决方法不再适用。

2) 新解决方法:对现有数据进行高质量、高保真、高倍率压缩,在门架端尝试进行移动边缘计算 MEC,将数据在云端整合,搭建AI应用拓展平台。如今利用跨界的移动通行运营商的技术赋能ETC门架建设云融合发展事半功倍,中国联通贵州省分公司与我司合作在ETC门架上进行基础设施数字化试点,以期利用5G应用的特性实现ETC门架数据传输高效灵活调配、利用边缘计算为ETC门架前端设备增加计算算力,分担算力增长压力,为今后对车路协同发展探索提供基础保障。利用贵州黔龙图视科技有限公司ZCC/ZCV图视压缩技术,实现了海量数据的低成本存储、小宽带传输、高效率处理及应用。在两项技术保障下,在云端建立综合管控车辆动态监测和智能预警管理系统,辅助提高通行费计费、拆分准确性,实现真正意义上的实际路径计费、实际路径拆分;并为智慧路网管理搭建可快速复制、低成本投入的拓展业务平台。

二、试点项目创新与应用技术介绍

1. 贵州省省界ETC门架车型车种图视压缩辅助系统试点项目

该系统通过安装在省界门架上的高清摄像头和车型车种识别设备采集车辆照片、音视频等信息,利用前端边缘计算设备处理成标准格式数据后,经过5G网络传输至边缘云,最后经公有云上传至平台进行应用。(可经私有云将视频信息进行压缩达到扩容目的)系统技术流程如下图所示。

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2. 项目创新点

1) 视频流截取识别:从视频流中截取一帧照片应用于车牌、人脸、车辆特征AI识别。正在申请专利

2) 正面、侧面、尾部抓拍图视与车型、轴型信息融合:使门架获得处理结构化数据的前端计算技术。正在申请软著

3) ZCV/ZCC图视压缩技术应用:不需要对原有ETC门架网络拓扑做任何修改或变更与原有ETC网络隔离,节省约70%的数据存储空间和传输消耗。

4) 5G技术应用:低时延、大带宽、多连接,实现数据实时传输在车辆驶离高速公路前,快速获取车辆信息完成稽查。

3. 技术介绍

1) 图文压缩技术:ZCC(zero-loss compression and retrieval of colordocument technology):零损耗高压缩可检索的文档技术。是一种图文文档技术,它是集文件图像压缩、OCR识别、文件安全、图像解析、传输、检索、浏览等先进技术为一体的归档文件技术。基于ZCC技术,通过高质量高倍率压缩,建立图文智能识别引擎,把海量图文信息放到云计算平台进行管理和检索。可解决海量彩色图像或文件占用存储空间大,传输速度慢,管理和利用等难题,提升整体性能和效率,节省软硬件资源,为用户带来明显的社会和经济效益。

2) 视频压缩技术:ZCV(zero-loss compression code video technology):零损耗高压缩视频编码技术。在保证视频和图像质量的前提下进行实时编码压缩:在现有H.264视频流基础上再压缩,节省85%左右;在现有H.265视频流基础上再压缩,节省70%左右。实时压缩控制在150毫秒以内,实现硬件与现有其他配套软硬件的无缝集成,为客户节省了大量项目资金。

3) 技术成果:原内存大小为792KB的图片经压缩处理后内存仅为96KB;原监控球机1分钟内存为30M的视频经压缩处理后内存仅为4M。

4) 5G技术特点:大带宽1G以上的传输、低时延10Ms以内的快速响应、多连接100万个设备同时连接;网络切片构建智慧交通专属网络:5G网络切片技术构建安全隔离隧道,预留网络资源,保障智慧交通的高质量可靠通信。

首先交通控制网与民用网逻辑隔离通信可靠性达99.999%,其切片资源预留、QoS高优先级保障紧急情况可自动调整通信资源配比,占用公众资源实现应急通信,并且通过网络切片为智慧交通提供通信管道,减少专网建设投资,具有更好的灵活性与可扩展能力。

边缘计算MEC节约中央云(数据中心)计算资源:在ETC门架位置处,前置编解码器,提供信息技术服务和云计算能力 ,形成云端(客户需要)标准化内容,并推送到用户侧最近基站,通过5G网络将数据传输到云端,完成数据上传闭环;使应用、服务和内容部署在高度分布的环境中,从而更友好地支持5G网络中低时延和高带宽业务要求。同时MEC技术能够降低对核心网络及骨干传输网络的占用,可以大幅度提升用户业务或视频体验,节约网络传输成本。

三、省界ETC门架车型车种图视压缩辅助系统

1. 大规模视频汇聚     

高清摄像头大规模应用带来海量视频传输和存储巨大压力。目前的单个省ETC门架图像抓拍系统的接入量都在万路以上,但当前一根万兆光纤传输1080P高清视频只有2千路左右,为了满足视频的及时性,只能采用降帧降分辨率的方式传输或者按需调用,视频质量无法达到后端应用要求。

同时,按照取省技术方案采集的视频图像信息要保存九十天。以一万路高清1080P监控为例,视频实时汇聚需要近4万兆带宽,视频存储九十天需要近45PB存储;网络及存储扩容难度投入资金大、施工周期长、存储要求高、新建机房要求高。

采用新型压缩技术,一万路高清1080P监控视频实时汇聚只需要一根1万兆光纤、视频存储九十天减少到只需8PB存储;通过合理规划,改造工期短,见效快,节省大量资金。同时还降低了平台视频调用压力,实现了视频的实时汇聚和监控扁平化管理,从事后调取变成事前预警,从人工事后检索变成实时智能分析。

2. 全省ETC门架三步走的部署方案

1) 省界围栏型:在省界24个门架上进行部署,实行跨省计费和危化品运输车辆进出省的管控。

2) 复杂路段围栏型:在复杂路段实施如枢纽互通的复杂路段的门架上部署设备来进行围栏。

3) 简单路段围栏型:在简单路段的出入口门架上部署设备。

3. 系统架构

该系统从上至下依次为平台层、通信层、数据采集层及设备层。平台层为综合管控平台,可实现稽核管理和运维监控,以及特种车辆管理等扩展应用;通信层包括收费光纤通信、运营商专用通信及4G/5G通信等通信技术;数据采集层采集ETC数据、牌识数据、车型数据等多源数据;设备层包括ETC、门架PC、激光雷达等多类设备。具体工作流程如下:

1) 首先使用旁挂方式,在龙门架落地柜处,通过物联网卡接入高速公路抓拍相机的前端网络。

2) 通过智能终端接收摄像头抓拍的过往车辆图片,通过AI算法识别车牌、车型、车身颜色等结构化信息,同时使 用ZCC压缩技术,在不降低画质、不改变图片格式的基础上,压缩图片文件大小,减少云存储空间,同时也提高传输效率。

3) 通过智能门架能力,提供实时稽核信息,减少人工巡检视频工作量;通过激光雷达能力,提升相机的抓拍能力,减少车辆数量计数遗漏,提高收入,实现精准的拆分结算。

4. 系统核心价值

1) 提升收费稽核能力:可实现的功能及对应的方案如下表所示,彻底解决门架数据异常的多种问题。

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2) 赋能门架收费能力:提升原有牌识系统车辆捕捉与车牌识别效率,提升在线计费成功率。在线计费系统通过牌识路径拟合对通行车辆进行分段式计费收费,克服ETC门架计费易受屏蔽影响和兜底收费系统造成收费损失的不足,最大程度避免兜底费率使用,避免同程不同费问题产生。

3) 增强收费对账能力:精确计算通行费,精准还原路径,完善清分结算系统。

4) 环境适应能力:单门架稽核,仅提供异常数据,降低带宽、存储压力;兼容海康、大华、宇视、华为等多品牌;不依赖外接环境光。

5) 加强运养能力:评价当前生产系统,提升运维和养护能力。

设计的系统各指 标参数为:精确计数达99.5%,精准识别车型达99%,精确指导抓拍达99%,数据匹配率达99%,实时检测异常数据达98%。

5. 云端管理平台

贵州高速公路联网收费精确拆分辅助系统的云端管理平台界面如下图所示。该系统可实现危化品运输车辆、冷链运输车辆等特殊车辆的精准识别,平台界面上可显示实时的车流量、危化品车辆情况及收费预警处理等信息。

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6. 目标成果

1) 拆分精准度提升:车辆轨迹跟踪还原,明确车辆拆分归属,从被动式等行业部门拆分,到主动式举证介入,使拆分精准度提升。

2) 计费准确性提升:视屏流截取技术在单个门架测试时,车辆捕获率日均提高6.11个百分点。

3) 边缘计算、实时传输提高效能:利用5G技术低时延(10Ms)、大带宽(1G)、多连接(100万终端)的特性,边缘计算和网络切片的能力,保障数据传输实时高效,使各种应用拓展成为可能;利用压缩技术低时延(150Ms)、高压缩比(70%-85%)、原格式无损还原的特性,独立组网和既有软硬件无缝集成的能力,节省大量建设、维护资金。

4) 节约使用成本;以一万路摄像头存储90天存储空间、费用对比(设备使用周期5年)为例。如下图。

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7. 未来拓展

1) 通过ETC门架,智能路侧单元 (RSU) 实现车路直连:RSU下行与车辆直连通信,上行可通过蜂窝网与云平台实现业务交互,是车与网之间的业务衔接桥梁。

2) 构建车-路-云协同的新型智能交通体系:智慧道路(交通基础设施)+智能驾驶(交通工具)+云平台(镜像管控)的“车、路、云”协同的一体化平行增强交通系统。

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