项 威，李富年，余兴胜，闫俊锋，林俊平

（1.武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.华中科技大学 土木与水利学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

桥梁在我国的交通事业中发挥着重要的作用，近年来，随着桥梁的数量不断增加，使用年限增长，越来越多的桥梁开始进入养护维修阶段。随着传感器与物联网技术的发展，传统的人工监测手段由于方式单一、实时性差等缺点正面临被淘汰，现代化的桥梁监测系统应运而生。而在桥梁监测系统中，视频监控是很重要的辅助监测手段。一个良好的视频监测系统不仅能有效反映桥梁的实时运行状态，还可以为图像处理、智能监测等提供有效素材。由于现有的视频监控系统存在兼容性差、需要安装特定的插件、不方便用户操作等问题，所以本文通过研究国标GB28181 协议，设计并开发了一套全平台无插件的桥梁视频监控系统。经测试，该系统图像清晰、延迟低、性能良好，符合桥梁监测的需求。

1 赣江特大桥监测系统视频监测总体结构

1.1 视频监测功能需求

赣州赣江特大桥位于赣江支流章江、贡江两江汇合口下游1.9 km 处，全长2.156 km，主跨长300 m，主跨塔底以上索塔全高120.6 m，是国内首座时速350 km 的大跨度高速铁路斜拉桥。为了保证赣江特大桥的安全运行，需要搭建一个桥梁健康监测系统。视频监控系统是桥梁健康监测系统中的重要组成部分，主要体现在：一是可使管理员直观地查看桥梁的运行状态，方便管理员视频监控处理；二是能够采集视频图像数据，通过图像智能算法来计算轨道位移，从而推断桥梁的安全状况。

1.2 视频监测系统整体架构设计

桥梁视频监测系统整体架构如图1 所示。

图1 桥梁视频监测系统整体架构图

该系统主要包含5 大组件：IPC（网络摄像机）、NVR（网络视频录像机）、流媒体服务器、数据库服务器以及Web 服务器，主要功能如下：

1）网络摄像机，又叫IP 摄像机，即支持网络协议的摄像机。安装在桥梁相应的监控位置上，对桥梁进行实时监控，是视频信息采集的主要部件。

2）网络视频录像机，简称NVR，是监控系统视频信息的存储转发部分。由IPC 采集的数据经过编码压缩后存储在NVR 上，NVR 对这些视频进行统一存储和管理。

3）流媒体服务器，通过GB28181 标准相关协议与IPC 和NVR 进行交互，获得其中的视频、音频等数据，重新进行解码、编码、打包，并以RTP/RTSP 协议将媒体文件推送给Web 服务器。

4）数据库服务器，主要用于提供数据访问的服务，以及存储人员、设备、报警等信息。

5）Web 服务器，主要用来人机交互。用户通过浏览器和手机APP 访问Web 服务器，可以对桥梁监控实时视频和历史视频进行查看，同时还可以对摄像头等设备信息进行管理。

2 基于GB28181 的流媒体服务器

2.1 GB28181 标准

GB28181 标准是由公安部科技信息化局提出，由全国安全防范报警系统标准化技术委员会（SAC/TC100）归口，公安部一所等多家单位共同起草的一部国家标准。与国际上流行的ONVIF 等协议相比，GB28181 协议更安全、覆盖面更广。GB28181 发布后得到了国内诸多厂商如海康威视、大华等公司的响应。国内的厂商基本都支持GB28181 协议，因此开发GB28181 协议的视频流服务器有明显优势。

2.2 基于GB28181 协议的流媒体服务器架构

基于GB28181 协议的流媒体服务器整体架构图如图2 所示。该流媒体服务器主要包含信令服务器、媒体解析器、媒体播放器、媒体编码器、会话管理器以及播放管理器。

图2 流媒体服务器整体架构图

1）信令服务器。信令服务器主要通过SIP 协议提供信令服务，主要功能包括注册、心跳保活、目录查询、实时视频点播、录像回放/下载、报警事件上报、网络校时、事件订阅等。

2）媒体解析器。由于SIP 信令中携带着重要的SDP 消息体，媒体解析器的主要功能就是对SIP 信令进行解析，获得SDP 消息体中的信息。

3）媒体播放器。其主要是根据媒体解析器中解析出来的信息确定编解码方式，然后根据编解码方式打包媒体数据，放入播放队列。

4）媒体编码器。GB28181 协议所规定的视频编码标准有H.264、SVAC 和MPEG⁃4 三种标准。本系统采用的是H.264。H.264 编码效率突出，可节省数据传输的码率，满足低带宽等复杂条件下音视频传输的需求。

5）会话管理器。其主要作用是管理媒体会话组和信令会话组。它会对媒体会话组和信令会话组定期进行检查，若发现存在已完成的会话，则对已完成的会话进行删除。

6）媒体服务控制器。媒体服务控制器的主要功能是在项目的初始化阶段根据配置文件对信令服务器、媒体解析器、媒体播放器、媒体解析器进行初始化。

2.3 GB28181 流媒体实时点播流程分析

根据GB28181 规定，联网系统内部进行视频、音频、数据等信息传输、交换、控制时，应遵循所规定的通信协议，联网系统在进行视音频传输及控制时应建立两个传输通道：会话通道和媒体流通道。会话通道主要通过会话初始协议（Session Initiation Protocol，SIP）在设备之间建立会话并传输系统控制命令；媒体流通道用于传输视音频数据，经过压缩编码的视音频流流媒体协议RTP/RTCP 传输。GB28181 标准中还规定了视频流播放的具体流程，如图3 所示。

图3 GB28181 中实时媒体流点播流程

在点播流程中应包含四方会话，即媒体流接收者、SIP 服务器、媒体服务器和媒体流发送者。媒体流接收者是指客户端发送Invite 请求给SIP 服务器，SIP 服务器将该请求转发给媒体服务器，媒体服务器收到请求后给SIP 服务器回复200 OK，同时将该请求发送给媒体流发送者即IPC。IPC 在通知媒体服务器准备接收实时媒体流后，通过Invite 请求中的地址开始将实时媒体流发送给体服务器，媒体服务器在通知客户端后开始发送，客户端就可以接收实时的流媒体数据。

2.4 GB28181 流媒体实时点播具体实现

GB28181 中流媒体实时点播具体实现代码如下：

1）客户端发送Invite 请求

客户端向SIP 服务器发送Invite 请求，请求流媒体服务器返回携带SDP 消息体，消息体中描述了媒体服务器接受媒体流的IP、端口、媒体格式等内容。

至此，流媒体服务器从IPC 获取实时媒体流已完成。

2.5 使用FFmpeg 进行推流

FFmpeg 是一套可以用来记录、转换数字音频和视频，并能通过采用LGPL 或GPL 许可证将其转化为流的开源计算机程序。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。流媒体服务器通过上述方法获得流媒体数据后，需要通过FFmpeg 工具推送出去。其推流命令为：

实时媒体流通过VLC 播放器进行测试，效果如图4所示。

图4 GB28181 中实时媒体流点播效果图

3 赣江特大桥监测系统效果演示

3.1 实时视频流

为了更好地展示桥梁的视频监控信息，本系统使用SVG 技术绘制桥梁的二维模型图，并在对应位置标注桥梁网络摄像头的位置，通过点击摄像头，即可查看对应摄像头实时监控视频。在视频画面的右方有摄像头的云台控制按钮，在下方还有各个摄像头的预警信息。系统实时监控页面如图5 所示。

图5 系统实时监控页面

3.2 图像处理部分

通过本系统采集到的图像可以利用相关图像处理算法来计算轨道位移。采集到的图像如图6 所示。

图6 监控现场采集图像

将采集到的图像灰度化处理后，再进行二值化处理，最后进行边缘检测，结果如图7 所示。

图7 形态学滤波边缘检测

利用Matlab 对采集到的位移数据进行仿真，如图8所示。图中可以清楚地看到轨道位移数据。

图8 横向位移和纵向位移仿真结果

4 结语

本文研究GB28181 标准中关于视频监控相关的协议和要求，通过详细了解流媒体相关技术，结合用户的具体需求，研究并设计了一套基于GB28181 标准的无插件、跨平台的桥梁视频监控系统。该系统可以对桥梁进行有效的视频监控，并采用相关的图像处理算法实现轨道位移检测。目前文中系统已投入使用，效果良好，为桥梁的安全运行提供了有效保障。