高速鐵路鋼軌伸縮調節(jié)器視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應用

張鳳林，林永碩，李 鳴

(1.西安鐵路局 工務處，陜西西安 710054;2.西安鐵路局科研所，陜西西安 710054)

鋼軌溫度伸縮調節(jié)器是高速鐵路軌道結構的重要設備部件，鄭西高速鐵路渭河特大橋鋪設了10組伸縮調節(jié)器，用來調整無縫線路鋼軌和大跨度連續(xù)梁梁體受溫度影響產生的位移變形。據觀察統(tǒng)計，發(fā)生最大位移的時間夏季大多在下午，冬季大多在凌晨。為保證鋼軌伸縮調節(jié)器的位移值及結構狀態(tài)在運營安全范圍之內，需要每天觀測檢查;由于高速鐵路觀測檢查只能在夜間綜合天窗時間內進行，無法24 h實時掌握伸縮調節(jié)器結構和梁體位移的真實情況;因此，建立科學有效的遠程自動檢測監(jiān)控系統(tǒng)，了解高速鐵路基礎設施的狀態(tài)，對于作出正確的維護決策，保證高速鐵路行車安全是至關重要的。

近年來鐵路系統(tǒng)視頻信息化建設得到了較快發(fā)展，已陸續(xù)建成安全生產指揮系統(tǒng)、防洪防災監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路客運監(jiān)控系統(tǒng)等，實現了在鐵路內部TMIS網絡上的傳輸與共享。但是這些系統(tǒng)需要鐵路光纖通道傳輸，以及供電系統(tǒng)配合，建設中甚至影響鐵路行車。針對線路上的限制條件，研發(fā)了鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節(jié)器太陽能無線3G-VPDN視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以不受區(qū)間傳輸通道及電源環(huán)境限制，在距離和空間上取得突破性進展。

1 3G-VPDN視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

隨著3G技術在國內的逐步推廣，3G技術在視頻監(jiān)控行業(yè)的應用已經成為熱點。CDMA作為三種主流3G技術標準之一，在國內的應用發(fā)展迅速，在一個無線信道傳送高速數據報文的情況下，理論上支持下行數據速率最高可達3.1 Mbps，上行速率最高達1.8 Mbps。中國電信數據業(yè)務費用按流量或時間計算，隨著中國電信大力推廣3G業(yè)務，費用也在逐步降低，為CDMA2000網絡的應用普及提供有利的條件，3G網絡視頻監(jiān)控也越來越受人們關注。

鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節(jié)器視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于3G-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無人執(zhí)守方式，太陽能光伏轉換裝置供電，采集數據及圖片，利用中國電信3G網絡和鐵路局既有TMIS網絡，在數據傳輸方面采用VPDN技術，實現TMIS網中授權用戶遠程監(jiān)控鋼軌溫度伸縮調節(jié)器的目的。

系統(tǒng)具有以下功能:①采用光伏電源設備，節(jié)省電池容量，解決高速鐵路及鐵路區(qū)間無電源問題，避免因從供電接觸網取電而干擾行車，降低系統(tǒng)建設的造價;②前端視頻服務器支持3G無線方式接入，實現免布線，提高安裝速度;③VPDN保證信息安全，防止非法用戶訪問鐵路TMIS網，并鑒別身份的真實性，防止假冒身份;④根據工作需要，定時上傳設備狀態(tài)圖片(D1格式視頻定時抓圖回傳)，定時查看前端動態(tài)圖像;⑤TMIS網中有權限用戶客戶端調用或下載前端圖像，3G移動客戶端調用或下載前端圖像。

2 系統(tǒng)結構及網絡工作原理

2.1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構可以分為4層結構:設備接入層、網絡傳輸層、中心管理層和業(yè)務處理層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

圖2 VPDN工作原理

2.1.1 設備接入層

設備接入層主要指現場終端固定設備。

視頻終端安裝在專門設計的支架上，監(jiān)控鋼軌伸縮調節(jié)器的構件隨溫度變化的位移情況;其主要模塊包括:太陽能供電設備、CCD視頻信號采集攝像機、視頻服務器(包含A/D轉換模塊、3G無線傳輸模塊、存儲器)、專用標尺等。

2.1.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層是依托中國電信運營商的3G無線網絡，充分利用3G的帶寬資源傳輸視音頻和數據信息。由運營商提供VPDN網絡，各種無線設備需要使用特定的手機號及用戶名和密碼，才能訪問該網絡資源，實現“專網專號專用”，最大限度保證數據安全，防范外部入侵。

2.1.3 中心管理層

中心管理層包括:接入服務器、管理服務器、數據庫、流媒體服務器、存儲服務器、報警服務器等模塊，為整個系統(tǒng)的運行提供管理支撐。

2.1.4 業(yè)務處理層

業(yè)務處理層是整個系統(tǒng)的最終展示，它提供了對視音頻數據的瀏覽、對各種采集數據的匯總以及檢索回放處理等功能。

2.2 VPDN工作原理

由于在傳輸過程中，使用了3G通道，如何解決網絡安全就成了本系統(tǒng)建設中急需解決的關鍵問題。為此，經與中國電信協(xié)商，建立了西安鐵路局基于3G無線接入方式的虛擬專用撥號網業(yè)務(3G+VPDN)，它是利用L2TP隧道傳輸協(xié)議，可以在現有的撥號網絡上構建一條虛擬的、不受外界干擾的專用通道，從而實現采用有線專用網絡方式訪問企業(yè)內部資源，如圖2所示。

即3G無線視頻終端用戶通過3G模塊連入中國電信LAC服務器。LAC服務器通過用戶名或接入號碼識別出該用戶為TMIS系統(tǒng)VPDN用戶后，就和路局TMIS系統(tǒng)LNS進行連接驗證，基于從LAC請求中獲得的名字和隧道密鑰。LNS會通過查找本地的VPDN配置，檢查該LAC是否允許建立隧道。

如果認證通過，終端和LNS之間進入 IPCP(IP Control Protocol IP控制協(xié)議)階段，路由被建立起來，對話也開始在終端和LNS之間進行。LAC負責轉發(fā)數據，LAC和LNS之間的數據會在VPDN隧道中傳輸。VPDN用戶與LNS成功建立連接，開始進行通信。3G網絡中的視頻終端使用UM卡，MSI號是UM卡的全球唯一標識，在得到UM卡的同時就有了與這個卡相關的MSI號，這個信息可以作為身份鑒別的一個因素。身份認證服務器主要功能為檢驗用戶帳號的合法性和權限，并提供一定的審計功能。在身份認證系統(tǒng)中既對比用戶使用的MSI號，也對比用戶的帳號和密碼，從4方面進行用戶身份的鑒別。設備接入層視頻服務器3G模塊需要使用特定的手機號及用戶名和密碼，才能訪問該網絡資源，實現“專網專號專用”，只有4項輸入全部正確時，遠端的3G視頻終端信息才能通過虛擬專用網絡進入TMIS，通過虛擬的安全通道和用戶內部的用戶網絡進行連接，而公共網絡上的用戶則無法穿過虛擬通道訪問用戶網絡內部的資源。充分保證了TMIS數據安全，在系統(tǒng)中不僅MSI號是唯一的，而且一個帳號綁定一個MSI號，這樣就防止了UM卡的竊取、盜用。如果不法分子竊取到UM卡，在不知道用戶的帳號及口令的情況下，依然不能連接進入網絡。

通過在路局TMIS防火墻上設置訪問控制列表的目的地址，可設置一臺服務器能被3G無線視頻終端訪問，TMIS網絡中其它服務器不能被無線終端訪問。通過設置，嚴格控制無線終端對服務器的訪問規(guī)則，保證各種訪問的合法性。

3 系統(tǒng)軟件設計

在系統(tǒng)中要實現的功能有很多，可以分為以下幾個組成部分:視頻采集檢測、視頻編碼、傳輸與客戶端交互等主要線程，如圖3。

系統(tǒng)的前端采集軟件是基于嵌入式Linux平臺，在進行系統(tǒng)應用軟件設計之前，首先要完成搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，建立引導裝載程序Bootloader，移植Linux內核，移植根文件系統(tǒng)，編寫、修改和移植Linux驅動程序等工作，然后對系統(tǒng)的應用程序進行開發(fā)。

圖3 軟件流程

客戶端程序使用ANCI C對?？低?Hikvision Ds-40xxhc+Ds-40xMD SDK)進行二次開發(fā)，真正達到了開發(fā)高效、穩(wěn)定、簡單、快速的效果。如對第三通道啟動視頻錄像只需調用下面一句(Start_Video_Capture(3，”，1，3);網絡監(jiān)控 2.0 系列平臺軟件(如圖 4)基于B/S和C/S構架模式，適用公網環(huán)境視頻監(jiān)控應用的解決方案，一方面面向大量終端用戶提供監(jiān)控服務，另一方面提供類似傳統(tǒng)專網監(jiān)控中的集中監(jiān)控功能。B/S平臺架構軟件由Web管理中心和Web客戶端組成，通過中心服務器構架數據庫和Web Server服務，來實現B/S構架下的設備、用戶權限管理以及預覽和回放等操作。Web管理中心:主要完成系統(tǒng)的配置操作，進行區(qū)域、設備和用戶的配置等功能。Web客戶端:通過Web登錄管理中心獲取相關權限，進行預覽、回放等操作，如圖4。

經授權的客戶端輸入帳戶、密碼及服務器域名，完成區(qū)域設置、用戶管理、數據庫導入、導出設置，即可實現對遠端視頻圖片的調用、查詢、分組輪詢及遠程升級、系統(tǒng)重啟等功能。

圖4 客戶端軟件界面

4 結束語

高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節(jié)器視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特性是利用3G+VPDN技術進行視頻數據的無線網絡傳輸，整合了太陽能供電技術、3G數據通訊功能和數字視頻編碼等多種技術。把光能轉換為電能，把攝像機圖像經過視頻壓縮編碼模塊壓縮，通過智能無線通訊終端發(fā)射到3G網絡，利用鐵路TMIS網絡傳輸通道，實現視頻數據的交互、發(fā)送、接收、加解密、加解碼、鏈路的控制維護等功能。尤其適合于普速鐵路及高速鐵路沿線固定設備集中監(jiān)控系統(tǒng)，也適用于基建、電力、管線、交通、石油、公安、城市管理等行業(yè)重要場所安全防護的無線監(jiān)控。

[1]夏振華.張正炳.基于3G移動通信的無線視頻監(jiān)控的設計[J].電視技術，2010，26(3):95-98.

[2]MATSUSHITA Y，OFEK E，TANG X，et al.Full-Frame Video Stabilization with Motion Inpainting[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2006，28(7):1150-1163.

[3]中華人民共和國鐵道部.運基通信(2008)630號 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2008.