高速綜合檢測列車視頻監(jiān)測系統(tǒng)

■ 李海浪

高速綜合檢測列車視頻監(jiān)測系統(tǒng)包括列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測、輪軌接觸狀態(tài)監(jiān)測、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測三部分。列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測主要監(jiān)測列車運(yùn)行前后環(huán)境情況，及時發(fā)現(xiàn)影響列車運(yùn)行安全的各種異常情況，在視頻圖像上實(shí)時疊加線路名、里程和速度等線路信息，并進(jìn)行存儲；輪軌接觸狀態(tài)監(jiān)測主要是實(shí)時監(jiān)視列車運(yùn)行過程中車輪與軌道的真實(shí)接觸狀態(tài)，在視頻圖像上實(shí)時疊加線路名、里程和速度等線路信息，并進(jìn)行存儲，以輔助軌道和輪軌力檢測系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析評判；弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測主要是實(shí)時監(jiān)視列車運(yùn)行過程中受電弓與接觸網(wǎng)的真實(shí)接觸狀態(tài)，在視頻圖像上實(shí)時疊加線路名、里程和速度等線路信息，并進(jìn)行存儲，以輔助弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析評判。

1 視頻監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，世界各國綜合檢測列車均配備了視頻監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 意大利“阿基米德”綜合檢測列車

“阿基米德”綜合檢測列車2003年完成系統(tǒng)驗收并投入檢測運(yùn)營，最高檢測速度220 km/h。其視頻監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）包括列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測、軌道與轉(zhuǎn)向架視頻監(jiān)測等，視頻分辨率為720×480，幀率為30 fps。

1.2 法國“IRIS320”綜合檢測列車

“IRIS320”綜合檢測列車（見圖2）2006年4月開始試運(yùn)行，最高運(yùn)行速度320 km/h。其視頻監(jiān)測系統(tǒng)包括列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測等。列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測分辨率為720×480，幀率為30 fps；弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測視頻分辨率為640×480，幀率為100 fps。

1.3 日本“East-I”綜合檢測列車

“East-I”綜合檢測列車2002年3月投入使用，最高檢測速度275 km/h。其視頻監(jiān)測系統(tǒng)僅具備列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測功能。攝像機(jī)安裝在兩頭車（1、7號車）司機(jī)室（見圖3），包括全景攝像機(jī)和軌道攝像機(jī)，視頻分辨率為720×480，幀率為30 fps。

1.4 我國0號高速綜合檢測列車

0號高速綜合檢測列車是我國首列高速綜合檢測列車，2008年7月投入運(yùn)用，最高時速250 km。其視頻監(jiān)測系統(tǒng)包括列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測、輪軌接觸網(wǎng)狀態(tài)視頻監(jiān)測、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測等。列車運(yùn)行前后環(huán)境監(jiān)測、輪軌接觸網(wǎng)狀態(tài)視頻監(jiān)測視頻分辨率為720×576，幀率為25 fps；弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測視頻分辨率為640×480，幀率為100 fps。視頻監(jiān)測系統(tǒng)主界面見圖4。

2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

（1）可晝夜監(jiān)測列車運(yùn)行前后環(huán)境狀態(tài)、輪軌接觸狀態(tài)、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)；

（2）列車運(yùn)行前后環(huán)境視頻分辨率1 920×1 080，幀率25 fps，輪軌和弓網(wǎng)接觸狀態(tài)視頻分辨率1 024×768，幀率100 fps；

（3）通過反射式內(nèi)存或串口接收時空校準(zhǔn)系統(tǒng)提供的線路名、速度、里程等信息，并疊加到視頻圖像上；

（4）可按里程或時間檢索視頻圖像；

（5）可在線調(diào)整高清攝像機(jī)、高速相機(jī)各項參數(shù)；

（6）具備自動錄像功能，列車運(yùn)行時自動開始錄像，列車停止時自動停止錄像；

（7）內(nèi)置流媒體服務(wù)器，可通過以太網(wǎng)組播輸出視頻。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

系統(tǒng)采用高清和高速網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了列車前后運(yùn)行環(huán)境、輪軌接觸狀態(tài)、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和存儲，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

列車前后運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測采用安裝于列車兩端司機(jī)室的高清攝像機(jī)。高清攝像機(jī)輸出為H.264格式編碼視頻，輸出接口為以太網(wǎng)，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬約為30 Mbps。因此，高清攝像機(jī)與高清視頻采集處理服務(wù)器間采用列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。高清攝像機(jī)輸出視頻通過列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸至高清視頻采集處理服務(wù)器，視頻服務(wù)器同時實(shí)時接收里程、速度等信息，經(jīng)解碼→字符信息疊加→編碼處理后，實(shí)現(xiàn)視頻與里程、速度等信息的疊加、視頻編碼和存儲，并通過以太網(wǎng)輸出，客戶端通過以太網(wǎng)接收視頻，解碼后即可顯示。

輪軌接觸狀態(tài)、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測采用高速相機(jī)。輪軌接觸狀態(tài)監(jiān)測相機(jī)安裝于靠近測力輪對的位置，列車兩側(cè)各1臺；弓網(wǎng)接觸狀態(tài)監(jiān)測相機(jī)安裝于靠近受電弓的位置。高速相機(jī)輸出圖像未經(jīng)壓縮，輸出接口為千兆網(wǎng)，數(shù)據(jù)輸出率達(dá)到1 024×768×8×100≈600 Mbps，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬很大。因此，高速攝像機(jī)與高速視頻采集處理服務(wù)器間采用獨(dú)立傳輸通道傳輸。高速輸出圖像經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸至視頻服務(wù)器所在車廂，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器接入視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器同時實(shí)時接收里程、速度等信息，經(jīng)圖像壓縮→字符信息疊加→編碼后，實(shí)現(xiàn)視頻與里程、速度等信息的疊加、視頻編碼和存儲，并通過以太網(wǎng)輸出，客戶端通過以太網(wǎng)接收視頻，解碼后即可顯示。

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件包括高清視頻采集處理軟件、高速視頻采集處理軟件、管理中心服務(wù)器軟件、設(shè)備管理軟件、視頻監(jiān)控軟件、視頻瀏覽軟件、視頻回放軟件等，總體結(jié)構(gòu)見圖6。

（1）高清/高速視頻采集處理軟件。高清/高速視頻采集處理軟件為系統(tǒng)軟件的核心，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)采集和編解碼；接收定位同步系統(tǒng)的里程、速度、時間等信息，存入數(shù)據(jù)庫，并疊加到視頻數(shù)據(jù)中；接收檢測波形，并疊加到視頻數(shù)據(jù)中；根據(jù)客戶端請求，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲，存儲的視頻數(shù)據(jù)具備按里程或時間進(jìn)行檢索的功能；根據(jù)客戶端請求，把處理完成的視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到相應(yīng)客戶端，并調(diào)整攝像機(jī)參數(shù)。

（2）管理中心服務(wù)器軟件。管理中心服務(wù)器軟件為系統(tǒng)軟件管理核心，客戶端所有對高清/高速視頻采集處理軟件的請求均需通過管理中心服務(wù)器軟件才能實(shí)現(xiàn)。

圖5 視頻監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

（3）設(shè)備管理軟件。面向系統(tǒng)維護(hù)人員的軟件，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)（相機(jī)）的增加或減少配置、用戶權(quán)限管理、單個視頻文件大小設(shè)置等功能。

（4）視頻監(jiān)控軟件。面向系統(tǒng)操作人員的軟件，實(shí)現(xiàn)對視頻采集、處理和存儲的控制，包括多路視頻顯示（1、2、4、6路）、線路名設(shè)置、錄像控制、字幕信息來源控制、高清攝像機(jī)參數(shù)調(diào)整、高速相機(jī)參數(shù)調(diào)整、在線檢索回放、在線視頻導(dǎo)出等功能。

（5）視頻瀏覽軟件。面向普通用戶的軟件，各檢測系統(tǒng)通過視頻瀏覽軟件可在線多路（1、2、4、6路）實(shí)時顯示視頻圖像，可配置線路名、里程、速度、時間等字幕信息顯示位置和字體，可配置各顯示畫面視頻源。

（6）視頻回放軟件。實(shí)現(xiàn)對錄像文件的回放，可同時打開2個視頻文件，可按里程或時間進(jìn)行檢索，并可導(dǎo)出通用視頻格式文件，可配置線路名、里程、速度、時間等字幕信息顯示位置和字體等。

3 試驗驗證

系統(tǒng)已安裝于最高試驗速度400 km/h的CRH380B-002高速檢測列車上，并于2011年4月24日—5月5日在京滬高速鐵路先導(dǎo)段進(jìn)行了驗證試驗。試驗結(jié)果見圖7—圖11。

試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)具備視頻采集、處理、傳輸、存儲的功能，并可按照里程進(jìn)行檢索顯示，各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用高清和高速網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對列車前后運(yùn)行環(huán)境、輪軌接觸狀態(tài)、弓網(wǎng)接觸狀態(tài)的晝夜實(shí)時監(jiān)測。試驗表明，列車運(yùn)行前后環(huán)境視頻分辨率1 920×1 080，幀率25 fps，輪軌和弓網(wǎng)接觸狀態(tài)視頻分辨率1 024×768，幀率100 fps，同時，視頻圖像實(shí)時疊加了線路名、速度、里程等信息，并可按里程或時間檢索視頻圖像，滿足設(shè)計要求。

[1]侯衛(wèi)星．0號高速綜合檢測列車[M]．北京：中國鐵道出版社，2010

[2]中國鐵道科學(xué)研究院．高速綜合檢測列車技術(shù)交流總結(jié)[R]，2006