青藏鐵路線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)選擇與應(yīng)用

■ 趙慶偉 劉清華 鐘志鋼

青藏鐵路地處高原缺氧和多年凍土地區(qū)，其中海拔高度4 000 m以上的線路長(zhǎng)達(dá)960 km，高原惡劣環(huán)境對(duì)鐵路運(yùn)輸行車安全和日常維護(hù)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著青藏鐵路的開通，沿線生態(tài)環(huán)境和人文環(huán)境對(duì)鐵路行車安全影響逐步凸顯，為提高運(yùn)輸安全保障系數(shù)，建立了青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一套智能綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，大量采用先進(jìn)的數(shù)字視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、多級(jí)控制、資源共享，滿足青藏鐵路調(diào)度指揮、安全生產(chǎn)、公安等需要。

1 關(guān)鍵技術(shù)選擇與應(yīng)用

1.1 RPR視頻承載網(wǎng)絡(luò)

青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像采集采用M PEG-4編碼格式，圖像顯示分辨率要求滿足4CIF（704×576）指標(biāo)。由于全線車站、區(qū)間基站站間距分布不均衡，視頻業(yè)務(wù)流量也不平衡，經(jīng)測(cè)試分析并綜合考慮視頻圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控碼流、圖像存儲(chǔ)碼流、告警圖像上傳碼流，每路圖像傳輸占用的平均帶寬為2.6 M b/s。

青藏鐵路全線的通信線路可用光纜資源只有4芯，既有傳輸網(wǎng)絡(luò)無法滿足視頻傳輸帶寬需求，無法靈活接入視頻圖像業(yè)務(wù)。在有限的可用光纖資源、較大的傳輸帶寬容量需求情況下，必須選擇合適的干線傳輸技術(shù)以滿足全線視頻圖像業(yè)務(wù)傳輸。青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)較多，具有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大、流向復(fù)雜多樣、實(shí)時(shí)帶寬變化大等特點(diǎn)，因此選擇RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環(huán)）技術(shù)作為承載網(wǎng)絡(luò)。RPR的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）高效的帶寬利用率。RPR邏輯環(huán)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)同時(shí)工作，有人站區(qū)間業(yè)務(wù)的匯聚，利用空間重用技術(shù)在空間上互不影響，無人站向有人站業(yè)務(wù)的匯聚在最短路徑上傳輸，到有人站剝離，各自充分利用帶寬資源。而且不需為每個(gè)連接配置單獨(dú)的帶寬通道，帶寬統(tǒng)計(jì)復(fù)用并共享。

（2）多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)。在統(tǒng)一平臺(tái)上同時(shí)支持TDM（Time Division Multiplexing，時(shí)分復(fù)用）業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（3）簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)配置和維護(hù)。RPR環(huán)網(wǎng)具有自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，支持自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；每個(gè)站點(diǎn)都能了解環(huán)的完整結(jié)構(gòu)，增減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)自動(dòng)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無需重新配置，真正做到即插即用。在配置業(yè)務(wù)時(shí)只需給出源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)等級(jí)。工程開通中，在網(wǎng)管中心就可實(shí)現(xiàn)全線各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)配置、調(diào)試與開通，極大地減少了野外工作量。

（4）雙重安全保護(hù)機(jī)制。重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置兩端設(shè)備，互為備份保護(hù)，避免單節(jié)點(diǎn)失效帶來的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中斷，且利用RPR無連接業(yè)務(wù)特性，無需額外配置保護(hù)業(yè)務(wù)通道，節(jié)省環(huán)網(wǎng)帶寬；RPR可提供與SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）類似的業(yè)務(wù)保護(hù)倒換，保護(hù)時(shí)間小于50 m s。

（5）節(jié)省光纖資源、減少站點(diǎn)數(shù)量。內(nèi)嵌RPR組網(wǎng)方案既解決了環(huán)網(wǎng)保護(hù)問題，又可節(jié)省光纖資源，減少站點(diǎn)數(shù)量。如果采用分層組網(wǎng)方案，要形成核心層環(huán)網(wǎng)保護(hù)需用6根光纖，且需要增加很多中繼站點(diǎn)。

（6）完善的QoS（Qua lity o f Se rv ice）機(jī)制。RPR可根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)業(yè)務(wù)級(jí)別進(jìn)行劃分，以保證不同業(yè)務(wù)的QoS要求。A類業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，延時(shí)和抖動(dòng)小，一般用于視頻監(jiān)視、Vo IP（Voice over IP）等對(duì)QoS要求高的業(yè)務(wù)。視頻監(jiān)視是對(duì)QoS要求極高的業(yè)務(wù)，因此業(yè)務(wù)均采用A類優(yōu)先級(jí)。在可靠性方面，網(wǎng)絡(luò)不依賴SDH層的保護(hù)，而采用RPR自身的W rap保護(hù)和Stee ring保護(hù)方式，保證在故障時(shí)倒換時(shí)間小于50 m s。工程實(shí)踐證明，RPR傳輸網(wǎng)絡(luò)可滿足視頻傳輸、存儲(chǔ)、調(diào)用的質(zhì)量要求，RPR網(wǎng)絡(luò)成為青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ)。

1.2 視頻接入

視頻接入定義從區(qū)間基站到車站視頻圖像的接入方式，區(qū)間基站視頻接入數(shù)量從3～7路不等，帶寬需求也從7～20 M不等，既有155 M接入層傳輸很難滿足視頻接入需求。因此，需要單獨(dú)組網(wǎng)滿足區(qū)間視頻接入。

考慮區(qū)間基站可用光纖只有2芯，且2芯光纖還作為區(qū)間基站光纜的備用纖芯預(yù)留。因此光纖資源緊缺，需要選擇經(jīng)濟(jì)的接入方式?？蛇x方案有波分以太網(wǎng)交換機(jī)和波分光端機(jī)兩種。波分以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)單，具有良好的可擴(kuò)展性，可滿足100 M b/s，1 000 M b/s帶寬需求，且投資較??；波分光端機(jī)具有傳輸時(shí)延小、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是可擴(kuò)展性差，投資也較大。因此，選擇波分以太網(wǎng)交換機(jī)作為視頻接入方案。

1.3 智能視頻分析

在進(jìn)行安全監(jiān)控時(shí)，每個(gè)監(jiān)視人員一般只能有效管理10個(gè)左右攝像機(jī)，且注意力會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而大幅度下降（30 m in后下降80％）。青藏鐵路線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)全線部署上千路攝像機(jī)，很難用人工方法進(jìn)行有效監(jiān)視。工程中創(chuàng)新采用智能視頻分析技術(shù)（行為分析），通過對(duì)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視圖像的智能分析處理，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)人、動(dòng)物侵入軌道（報(bào)警區(qū)），向監(jiān)視人員發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提示，從而極大地提高了系統(tǒng)的有效性，降低了監(jiān)控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度（見圖1）。

智能視頻分析技術(shù)是指利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視覺方法，在無需人為干預(yù)情況下，通過對(duì)攝像機(jī)拍攝的視頻序列進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻場(chǎng)景中所關(guān)注目標(biāo)的定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的偵測(cè)和告警。由于是第一次在鐵路線路視頻監(jiān)控中大規(guī)模采用智能視頻分析技術(shù)，面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)有：四季或全天光照變化；攝像機(jī)抖動(dòng)；云層陰影；列車干擾；系統(tǒng)規(guī)模的挑戰(zhàn)（1∶1 000的問題）；兼顧個(gè)體和系統(tǒng)的功能指標(biāo)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證困難。

為攻克以上難關(guān)，智能視頻分析需要經(jīng)過確定分析場(chǎng)景、防區(qū)設(shè)置、場(chǎng)景學(xué)習(xí)、場(chǎng)景優(yōu)化調(diào)整、算法優(yōu)化、場(chǎng)景再學(xué)習(xí)優(yōu)化的循環(huán)過程。青藏鐵路線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過4次優(yōu)化過程，持續(xù)時(shí)間為2年。圖2為經(jīng)過4次優(yōu)化的分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)代表時(shí)間（2008年3月1—31日），縱坐標(biāo)代表報(bào)警次數(shù)（藍(lán)色柱代表正報(bào)警次數(shù)，紫色柱代表誤報(bào)警次數(shù)）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難看出，經(jīng)過優(yōu)化后，每臺(tái)攝像機(jī)每天的報(bào)警次數(shù)小于2次，正報(bào)警率在80％以上。

青藏鐵路線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)首次大規(guī)模在室外復(fù)雜環(huán)境條件下采用智能視頻分析技術(shù)，并成功應(yīng)用，為鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用智能分析技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.4 長(zhǎng)距攝像機(jī)的應(yīng)用

青藏鐵路具有線路長(zhǎng)、范圍大、氣候惡劣等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)控時(shí)，對(duì)攝像機(jī)及其防護(hù)等技術(shù)提出較大挑戰(zhàn)。首先需要解決的是產(chǎn)品選擇，其次是產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，最后是設(shè)備安裝、施工工藝和加固。在最初的產(chǎn)品選擇時(shí)，經(jīng)過3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以確定設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，然后在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室低壓艙中進(jìn)行24 h的高低溫測(cè)試。根據(jù)產(chǎn)品尺寸和重量，專門設(shè)計(jì)支架保證較好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)等級(jí)（8級(jí)以上），同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)后端加入硬件消抖裝置，以保證在遠(yuǎn)距離監(jiān)視情況下的圖像效果（見圖3）。

1.5 熱成像攝像機(jī)的應(yīng)用

目前國(guó)際上通用的夜視技術(shù)主要有3類：（1）主動(dòng)紅外：依賴于紅外燈，監(jiān)視距離最遠(yuǎn)100 m；（2）微光夜視：依賴于自然光，全黑條件不能用；（3）熱成像技術(shù)（也稱被動(dòng)紅外技術(shù)）：通過探測(cè)物體溫度，將探測(cè)器和物體的溫差轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夥糯蠛蟪上?，不受自然環(huán)境影響，可在完全無光、濃厚煙霧、云霧或者距離較遠(yuǎn)情況下成像。

考慮到青藏鐵路的特殊環(huán)境，系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)采用熱成像攝像機(jī)以實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)視（見圖4）。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)自2007年5月開通以來，經(jīng)歷了高海拔、高寒、雨雪、大風(fēng)等各種嚴(yán)酷條件的考驗(yàn)，一直穩(wěn)定運(yùn)行，為保證青藏鐵路運(yùn)輸安全，改善鐵路公安、運(yùn)輸、工務(wù)等部門工作條件，保障各級(jí)指揮機(jī)關(guān)高效工作發(fā)揮了重要作用。主要體現(xiàn)在：實(shí)現(xiàn)了青藏鐵路格拉段全線監(jiān)視和視頻資源共享；通過視頻行為識(shí)別分析技術(shù)，提高了全線的自動(dòng)安全防護(hù)能力；通過視頻監(jiān)視功能，可減少維護(hù)人員的高原線路巡查，降低工作強(qiáng)度；災(zāi)害情況下對(duì)線路的監(jiān)視及對(duì)無人車站道岔融雪裝置的監(jiān)視，有效地提高了運(yùn)輸安全保障能力。

3 結(jié)束語

青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)平臺(tái)、遠(yuǎn)距離監(jiān)視、線路視頻圖像分析及高原地區(qū)室外設(shè)備適應(yīng)性等領(lǐng)域取得了重大突破和創(chuàng)新，是集工程設(shè)計(jì)、施工、系統(tǒng)集成和科研開發(fā)為一體的綜合項(xiàng)目，也是在我國(guó)鐵路首次實(shí)現(xiàn)大規(guī)模線路監(jiān)控的視頻系統(tǒng)。系統(tǒng)的成功建設(shè)和運(yùn)用，使青藏鐵路全線處于可監(jiān)視并受控狀態(tài)，同時(shí)大大減輕鐵路相關(guān)部門對(duì)青藏沿線困難地段巡視與監(jiān)督工作量，對(duì)破壞和偷盜行為有極大的威懾力。系統(tǒng)的建設(shè)也有利于沿線自然生態(tài)和環(huán)境保護(hù)，對(duì)誤入鐵路的動(dòng)物可及時(shí)報(bào)警驅(qū)趕，具有極好的社會(huì)效益。

青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用將鐵路管理帶入視頻監(jiān)控時(shí)代，標(biāo)志著鐵路管理進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，它的成功運(yùn)用極大地提高了運(yùn)輸安全保障能力，并推動(dòng)鐵路視頻監(jiān)控技術(shù)的深入研究和綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面建設(shè)與發(fā)展。