高速鐵路視頻監(jiān)控新技術(shù)應(yīng)用

陶有好 上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發(fā)有限公司

高速鐵路視頻監(jiān)控新技術(shù)應(yīng)用

陶有好 上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發(fā)有限公司

2016年夏季，上鐵電務(wù)公司按照上級部署，對杭州地區(qū)高鐵線路相關(guān)區(qū)域進(jìn)行了高清視頻增補(bǔ)。結(jié)合安防行業(yè)及鐵路監(jiān)控領(lǐng)域多年技術(shù)應(yīng)用，評估低照解決方案和紅外燈補(bǔ)光解決方案的優(yōu)劣，運(yùn)用超低照度解決方案較為完善地解決了弱光環(huán)境下的安防監(jiān)控成像；同時(shí)，在傳統(tǒng)鐵路SDH網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)技術(shù)帶寬瓶頸的情況下，引入城域以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入鐵路工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，取得較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。

超低照度成像；夜視技術(shù)；城域以太網(wǎng)；工業(yè)以太網(wǎng)

1 超低照度視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

1.1 超低照度

超低照度攝像機(jī)通常指感光度較好的攝像機(jī)，只需要一點(diǎn)點(diǎn)光，就可以呈現(xiàn)比較明亮的圖像。而星光級超低照度攝像機(jī)是目前在夜晚監(jiān)控中效果最好的一類攝像機(jī)，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應(yīng)用于平安城市、交通市政、港口海事、軍用等對攝像機(jī)低照度性能要求比較高但又不宜外加補(bǔ)光設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境中。

根據(jù)攝像機(jī)的不同照度值，可以對它們進(jìn)行分類。以攝像機(jī)正常工作照度范圍劃分為普通型，其最低照度值在（0.1～1）Lux間;月光型，其最低照度值在0.01Lux左右;而星光型就需要達(dá)到0.001 Lux以下了。在同樣的光照條件下，與普通照度的攝像機(jī)相比，星光級超低照度攝像機(jī)可以呈現(xiàn)更加明亮的圖像。

超低照度成像器件的主要技術(shù)要因有：大光圈鏡頭、高靈敏度感光器、高增益下的噪音處理、圖像增強(qiáng)DSP算法等，業(yè)界技術(shù)發(fā)展情況：

①降噪技術(shù)全面提升，夜間圖像更加清晰細(xì)膩。

②通過全新的NDG無損增益技術(shù)，可使信噪比提升6dB。

③搭配SMDE智能運(yùn)動(dòng)降噪引擎，可使信噪比再次提升30%。

一個(gè)完整的攝像設(shè)備由有兩部分組成，即鏡頭和攝像機(jī)，而攝像機(jī)又由感光器件(CCD或者CMOS)、復(fù)雜的信號處理電路、濾光片等組成。如果想實(shí)現(xiàn)超低照度，那么鏡頭、傳感器、DSP、濾光片等均需要滿足一定的技術(shù)要求，缺一不可。如圖1、圖2為不同照度性能攝像機(jī)成像對比。

圖1 常規(guī)照度攝像機(jī)成像

圖2 低照度攝像機(jī)成像

夜間監(jiān)控?cái)z像機(jī)主要分為紅外攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)及超低照度攝像機(jī)三種類型。這三類攝像機(jī)因各自不同的成像原理，可應(yīng)用于不同的監(jiān)控環(huán)境中。

主要夜視技術(shù)對比見表1。

表1 主要夜視技術(shù)對比

1.2 紅外攝像機(jī)

當(dāng)環(huán)境光線暗到一定程度時(shí)，紅外攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟自帶的紅外燈，通過主動(dòng)發(fā)射紅外光，照亮監(jiān)控目標(biāo)，再通過采集反射回來的紅外光，從而生成圖像，是一種主動(dòng)式紅外。這時(shí)我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說的可以達(dá)到0 Lux的照度值。因此，如果是比較空曠的環(huán)境，紅外燈沒有可反射的物體，這樣圖像的顯示效果就相對較差。

對紅外攝像機(jī)來說，紅外燈的壽命也是用戶普遍比較關(guān)注的問題，而溫度過高是導(dǎo)致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10℃，紅外燈的壽命可延長1年。因此，紅外燈電路的散熱設(shè)計(jì)、功率大小都至關(guān)重要，尤其是遠(yuǎn)距離紅外，距離越遠(yuǎn)，紅外燈的功率越高，發(fā)熱量也會(huì)越大，當(dāng)溫度高到一定程度，甚至?xí)绊懙綌z像機(jī)圖像傳感器的效果。在工程實(shí)際應(yīng)用中紅外光源1年明顯衰減、3年故障率極高，這是紅外補(bǔ)光攝像機(jī)應(yīng)用存在的客觀現(xiàn)實(shí)問題。如圖3、圖4為攝像機(jī)紅外補(bǔ)光成像對比。

圖3 攝像機(jī)夜間無紅外補(bǔ)光成像

圖4 攝像機(jī)夜間有紅外補(bǔ)光成像

1.3 熱成像攝像機(jī)

自然界中，一切高于絕對零度(-273℃)的物質(zhì)每時(shí)每刻都在源源不斷地向外輻射與自身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波，我們稱這一現(xiàn)象為熱輻射現(xiàn)象。不同溫度下，物體所發(fā)出熱輻射的波長不一樣。熱成像攝像機(jī)的探測機(jī)理是利用目標(biāo)和背景或目標(biāo)各部分之間的輻射差異形成的紅外輻射特征圖像來發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)，通常是由對紅外光透明，不透過可見光和紫外線的高純鍺單晶材質(zhì)鏡頭，同時(shí)利用熱紅外探測器將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

因?yàn)闊岢上駭z像機(jī)的特殊工作原理，（3～5）μm和（8～14）μm的熱紅外線是大氣空間傳播的透明窗口，其成像不受光線影響，適用于完全黑暗、強(qiáng)光、逆光、眩光、雨、霧霾等環(huán)境之中，能清楚分辨不同物體、識別偽裝及隱蔽的目標(biāo)。相對于普通攝像機(jī)而言，熱成像攝像機(jī)擁有更遠(yuǎn)的探測距離，根據(jù)選配鏡頭焦距的不同，最遠(yuǎn)監(jiān)控距離可以達(dá)到幾公里以外。如圖5、圖6為可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀成像對比。

圖5 普通攝像機(jī)成像

圖6 紅外熱像儀成像

簡要對比超低照度攝像機(jī)相對于紅外補(bǔ)光和熱像儀的綜合指標(biāo)見表2。

表2 簡要對比超低照度攝像機(jī)相對于紅外補(bǔ)光和熱像儀的綜合指標(biāo)

1.4 應(yīng)用效果對比

（1）紅外補(bǔ)光燈應(yīng)用方案

如圖7為為紅外補(bǔ)光攝像機(jī)的典型問題。

圖7 紅外補(bǔ)光攝像機(jī)的典型問題

（2）超低照度應(yīng)用方案

如圖8、圖9為超低照度攝像機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢。

圖8 優(yōu)異的低照性能，畫面均勻舒適，暗部細(xì)節(jié)完整，或可呈現(xiàn)低照度彩色圖像

圖9 優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍，不受外部強(qiáng)光源影響

2 大規(guī)模城域以太網(wǎng)及工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 城域以太網(wǎng)在鐵路監(jiān)控的應(yīng)用

鐵路通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過幾十年發(fā)展，高度成熟的應(yīng)用了電信傳輸網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)，承載著鐵路運(yùn)行各專業(yè)數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的底層核心網(wǎng)絡(luò)是SDH同步傳輸網(wǎng)，具有穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)異、業(yè)務(wù)豐富等多種優(yōu)良特點(diǎn)，但隨著技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)爆炸式增長，各行各業(yè)的基礎(chǔ)通信設(shè)施都出現(xiàn)資源緊張也是客觀現(xiàn)實(shí)；在安防監(jiān)控領(lǐng)域，無論是平安城市還是鐵路行業(yè)綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，高清IP監(jiān)控技術(shù)的爆發(fā)式增長使得上述情況尤為突出，使得無論是接入層通信鏈路還是骨干層、核心層干線網(wǎng)絡(luò)帶寬全都捉襟見肘，甚至鐵路線路建設(shè)階段花大代價(jià)建設(shè)的10G/40G同步傳輸網(wǎng)的80%的資源都給視頻業(yè)務(wù)用了，同步傳輸網(wǎng)的高質(zhì)量通信聯(lián)絡(luò)、電信級服務(wù)保證、端到端鏈路服務(wù)，這些優(yōu)良的本為話音設(shè)計(jì)電信業(yè)務(wù)服務(wù)，用在統(tǒng)計(jì)復(fù)用的對抖動(dòng)容忍相對寬松的IP數(shù)據(jù)包通信網(wǎng)絡(luò)，顯得有些牛刀殺雞、大材小用，而且，即使是電信運(yùn)營商傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)，也基本上都承載在IP網(wǎng)絡(luò)上面了，IP的通信容量和服務(wù)質(zhì)量已經(jīng)沒有任何問題。

因此，對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)這種高帶寬要求、一般質(zhì)量要求、低網(wǎng)管需求的常規(guī)IP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)（城域）技術(shù)、以及適應(yīng)鐵路行業(yè)前端設(shè)備的工業(yè)環(huán)境的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，是技術(shù)可靠、性價(jià)比優(yōu)良的技術(shù)方向。

在本次工程中，對突發(fā)增長的1080 p高清IP監(jiān)控業(yè)務(wù)，每路監(jiān)控視頻需占用（4～6）Mbit/s實(shí)時(shí)傳輸帶寬，多個(gè)鐵路通信基站接入若干個(gè)前端監(jiān)控點(diǎn)以后，將實(shí)時(shí)視頻信號匯集傳輸至車站集中存儲(chǔ)、分發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)，以一個(gè)車站I/II類視頻節(jié)點(diǎn)管轄20個(gè)基站、每個(gè)基站5路視頻共100路IP高清監(jiān)控為例，共計(jì)需要約500 M左右的總帶寬，那么對于鐵路區(qū)間SDH傳輸網(wǎng)的622 M基礎(chǔ)帶寬來說，是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，而且SDH傳輸網(wǎng)還有其他很多重要業(yè)務(wù)需要承載，不可能提供所有的帶寬給視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)使用，這樣利用區(qū)間既有光纖資源車站-基站層自建光纖以太網(wǎng)絡(luò)，是必然的選擇，除了優(yōu)異的帶寬優(yōu)勢，可以高性價(jià)比的搭建長途GE/10GE通信網(wǎng)，光纖以太網(wǎng)同樣具備多業(yè)務(wù)隔離和服務(wù)保證、復(fù)雜環(huán)網(wǎng)保護(hù)特性、統(tǒng)一網(wǎng)管等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)特性。

（1）視頻匯聚節(jié)點(diǎn)與視頻采集點(diǎn)間接入層

新增各視頻采集點(diǎn)設(shè)置現(xiàn)場攝像機(jī)，各視頻匯聚節(jié)點(diǎn)（區(qū)間GSM-R基站、車站、部分區(qū)間節(jié)點(diǎn)）內(nèi)設(shè)置帶光口的三層交換機(jī)，現(xiàn)場攝像機(jī)通過光纖工業(yè)以太網(wǎng)接入設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)直連至匯集點(diǎn)處的三層交換機(jī)，組成星形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像從視頻采集點(diǎn)向視頻匯聚節(jié)點(diǎn)的傳送。

視頻采集點(diǎn)至視頻匯聚節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)示意圖見圖10。

（2）視頻接入節(jié)點(diǎn)與視頻匯聚節(jié)點(diǎn)的匯聚層

新敷或利用線路既有光纜，利用各匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)三層以太網(wǎng)交換機(jī)及新敷設(shè)光纜中的2芯光纖通過GE（O）直連組建若干個(gè) GE通道環(huán)形上聯(lián)至兩端視頻匯集點(diǎn)三層交換機(jī)。

視頻接入節(jié)點(diǎn)至綜合視頻匯聚點(diǎn)組網(wǎng)示意圖見圖11。

圖10 視頻采集點(diǎn)至匯聚點(diǎn)組網(wǎng)示意圖

圖11 視頻匯聚點(diǎn)至視頻接入節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)示意圖

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)

為了應(yīng)用于嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，確保工業(yè)應(yīng)用的安全可靠，工業(yè)以太網(wǎng)為以太網(wǎng)技術(shù)補(bǔ)充了不少重要的性能比如：

①工業(yè)以太網(wǎng)與IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通訊協(xié)議；

②冗余（12～48）V DC寬壓供電，簡單的機(jī)柜導(dǎo)軌安裝；

③方便的構(gòu)成星型、線型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

④高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，最大網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間為300 ms；

⑤用于嚴(yán)酷環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)元件，通過EMC測試，高低溫、惡劣電磁干擾；

⑥通過帶有RJ45技術(shù)、工業(yè)級的Sub-D連接技術(shù)和安裝專用屏蔽電纜的連接技術(shù)，確保現(xiàn)場電纜安裝工作的快速進(jìn)行；

⑦符合SNMP（簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)可使用基于web的網(wǎng)絡(luò)管理。

責(zé)任編輯：許耀元 張萼輝

來稿日期：2017-01-19