基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究

張新錦

（中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司，云南昆明 650011）

0 引言

云南省地處我國(guó)西南山區(qū)，所建鐵路穿越許多貧困地區(qū)，由于早期普速鐵路線路封閉標(biāo)準(zhǔn)低、當(dāng)?shù)厝罕姶┰借F路困難等原因，對(duì)鐵路周邊造成一定安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，原昆明鐵路局每年防撞停車事件達(dá)300～400件，既嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序，又威脅鐵路行車安全。另外，由于山區(qū)土質(zhì)邊坡溜坍、滑坡、泥石流、落石等自然災(zāi)害頻發(fā)，防洪壓力巨大，對(duì)鐵路沿線Ⅰ、Ⅱ級(jí)防洪地段設(shè)置多個(gè)巡查看守點(diǎn)、配置多名巡查看守人員，不僅耗費(fèi)巨大人力、物力、財(cái)力，并且災(zāi)害的可控性和準(zhǔn)確性并未有效提升。因此，亟需利用科學(xué)手段逐步取代人工手段，對(duì)影響鐵路安全的路外及防洪隱患進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)控。

近年來(lái)，安全預(yù)警系統(tǒng)隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工定時(shí)巡查方式已轉(zhuǎn)變?yōu)槔弥悄鼙O(jiān)控設(shè)備對(duì)鐵路周邊、防洪重點(diǎn)地段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在早期建設(shè)的安全預(yù)警系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)終端攝像頭采用數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)、普通電力供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)距離布線，成本高、施工復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)，僅適用于靠近鐵路站點(diǎn)的設(shè)備，難以適應(yīng)普速鐵路沿線安全預(yù)警監(jiān)控智能化的需求［1]。

研究建設(shè)基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)用4G 無(wú)線通信及紅外夜視功能的專用高清智能球機(jī)（簡(jiǎn)稱智能球機(jī)），解決了普速鐵路沿線通信線纜布設(shè)、夜間實(shí)時(shí)監(jiān)控等難題，也為汛期夜間落石、滑坡、邊坡溜坍、擋墻垮塌、泥石流等自然災(zāi)害的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)控創(chuàng)造了條件［2-3]；4G 無(wú)線移動(dòng)通信和光伏供電裝置有效解決了普速鐵路沿線通信線纜和電力供電成本高、實(shí)施難度大等問(wèn)題；應(yīng)用視頻智能分析，可節(jié)省流量、減少誤報(bào)率、降低成本，并通過(guò)自動(dòng)巡航提高鐵路周邊安全監(jiān)控效率，彌補(bǔ)了人員非巡查期間的空檔，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)狀況［4-6]。

1 鐵路預(yù)警分類

鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)主要對(duì)普速鐵路關(guān)鍵地段（如防洪重點(diǎn)地段、橋梁出入口，隧道出入口及道岔等）進(jìn)行安全預(yù)警，包含設(shè)備安全預(yù)警、生產(chǎn)安全預(yù)警和人員安全預(yù)警。其中，設(shè)備安全預(yù)警重點(diǎn)對(duì)鐵路設(shè)施設(shè)備是否移動(dòng)或被盜，設(shè)備是否受周邊自然災(zāi)害影響而發(fā)生變化進(jìn)行監(jiān)控；生產(chǎn)安全預(yù)警重點(diǎn)對(duì)橋梁、隧道出入口設(shè)施損壞，邊坡危石侵入線路，邊坡溜坍侵入鐵路限界進(jìn)行監(jiān)控；人員安全預(yù)警重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)非法闖入鐵路的路外人員進(jìn)行安全預(yù)警［7]。

2 設(shè)計(jì)思路

基于當(dāng)前主流的智能球機(jī)，研究基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持異物侵入報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警、移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警、視頻遮擋報(bào)警、非法操作報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)斷線報(bào)警等多種報(bào)警方式，具備自動(dòng)巡航、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、前端一次智能視頻分析、云平臺(tái)二次報(bào)警視頻分析、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查閱、預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)延伸拓展功能。研究前端設(shè)備工作的電力需求情況，設(shè)計(jì)光伏供電裝置；研究攝像頭的監(jiān)控參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)?G前端存儲(chǔ)模式及無(wú)線通信方案，完成系統(tǒng)集成模塊化配套安裝和功能聯(lián)調(diào)，從而達(dá)到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、周邊異常預(yù)警和自然災(zāi)害報(bào)警的目的［8]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)采用分離獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，由前端節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)器和管理中心/分控端3 部分組成。基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)涫疽庖妶D1。

圖1 基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

3.2 前端節(jié)點(diǎn)

3.2.1 智能跟蹤

將專業(yè)定制的4G物聯(lián)網(wǎng)鐵路預(yù)警專用AI人形識(shí)別智能跟蹤球應(yīng)用于前端節(jié)點(diǎn)攝像機(jī)，該智能球機(jī)支持精準(zhǔn)AI 人形識(shí)別和人臉檢測(cè)功能。當(dāng)畫面內(nèi)出現(xiàn)人臉時(shí)，自動(dòng)跟蹤并放大人臉；跟蹤結(jié)束后，智能球機(jī)返回設(shè)定的監(jiān)控位置（看守位功能）。檢測(cè)目標(biāo)大小、靈敏度可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2.2 自然災(zāi)害及異物侵入識(shí)別

完成對(duì)路肩、邊坡、隧道口等處設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)采集，通過(guò)基于傳感器的形變檢測(cè)系統(tǒng)，建立大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對(duì)線路設(shè)備和異物狀態(tài)作出及時(shí)判定，自動(dòng)排除風(fēng)、雨、雪、飛鳥、反光、陰影等干擾功能，并向調(diào)度指揮中心發(fā)送信息，再次通過(guò)視頻監(jiān)控判斷并采取應(yīng)急措施。

3.2.3 報(bào)警關(guān)聯(lián)設(shè)置

檢測(cè)到人形目標(biāo)時(shí)，關(guān)聯(lián)觸發(fā)蜂鳴器（揚(yáng)聲器、高音喇叭等）發(fā)出警報(bào)（警報(bào)聲可上傳），觸發(fā)報(bào)警視頻及報(bào)警信息，傳輸至分控電腦及智能移動(dòng)終端顯示。

3.2.4 語(yǔ)音對(duì)講功能

支持語(yǔ)音對(duì)講，智能球機(jī)內(nèi)置拾音器，視頻、聲音同步監(jiān)控。外置音頻接口接高音喇叭，用于遠(yuǎn)程喊話。發(fā)生警情后，通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端開展現(xiàn)場(chǎng)通話。

3.2.5 智能語(yǔ)音提醒

蜂鳴器發(fā)出的警報(bào)聲可由工作人員錄音上傳（普通話、使用地點(diǎn)當(dāng)?shù)胤窖跃桑蛲ㄟ^(guò)輸入文字進(jìn)行語(yǔ)音合成。

3.2.6 電子圍欄區(qū)域報(bào)警

系統(tǒng)除支持AI 人形精準(zhǔn)自動(dòng)跟蹤以外，還支持電子圍欄區(qū)域報(bào)警功能（見圖2）。如圖2 所示，設(shè)置當(dāng)前畫面內(nèi)檢測(cè)跟蹤的，區(qū)域外監(jiān)控不跟蹤、不報(bào)警。每個(gè)預(yù)置點(diǎn)設(shè)置1 個(gè)電子圍欄區(qū)域，最大支持16 個(gè)預(yù)置點(diǎn)作為1條巡航路徑。當(dāng)監(jiān)控范圍較大時(shí)，將大區(qū)域拆分為多個(gè)?。ㄈ?6 個(gè)小區(qū)域），每個(gè)小區(qū)域設(shè)置1 個(gè)電子圍欄區(qū)域，設(shè)置完成后，16 個(gè)預(yù)置點(diǎn)設(shè)為1 條巡航路徑，即可完整監(jiān)控大范圍內(nèi)所有區(qū)域，一旦發(fā)生異物侵入、邊坡溜坍等情況系統(tǒng)就會(huì)立刻報(bào)警。

圖2 電子圍欄區(qū)域報(bào)警

3.2.7 視頻本地存儲(chǔ)

系統(tǒng)不僅支持視頻上傳，還可內(nèi)置Micro-SD 卡或設(shè)置網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）進(jìn)行視頻本地存儲(chǔ)。工作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端對(duì)視頻進(jìn)行查詢、篩選、播放和下載等操作。

3.2.84 G模組

系統(tǒng)采用軍工級(jí)設(shè)計(jì)全網(wǎng)通4G 模組，方便調(diào)試及使用。通過(guò)設(shè)備Nano-SIM 卡槽位置的信號(hào)燈，判斷設(shè)備是否正常通電、4G模組是否撥號(hào)成功等。4G模組自帶AP 熱點(diǎn)功能，可通過(guò)手機(jī)連接熱點(diǎn)，搜索、添加設(shè)備并調(diào)試。同時(shí)，4G 模組自帶Web，可登錄網(wǎng)頁(yè)查看4G模組的狀態(tài)及其他信息。

3.2.920倍自動(dòng)變焦

智能球機(jī)采用1080 P 高清一體機(jī)芯，支持20 倍自動(dòng)變焦，白天拍攝距離可達(dá)800～1000 m。

3.2.10 耐高溫高壓電子電路

設(shè)備電子電路采用耐高溫高壓的軍工級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，視頻畫面流暢、不卡頓。

3.2.11 跟蹤定位精準(zhǔn)

攝像機(jī)云臺(tái)采用高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，預(yù)置點(diǎn)點(diǎn)位精準(zhǔn)，跟蹤定位精準(zhǔn)可靠，7 d×24 h 全天候穩(wěn)定工作。

3.2.12 光伏供電裝置

由太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)組成光伏供電裝置，為系統(tǒng)提供不間斷電源（見圖3）。

圖3 光伏供電裝置

3.3 云端服務(wù)器

3.3.1 服務(wù)器

集中管理云存儲(chǔ)服務(wù)器采用Linux 專用操作系統(tǒng)。硬件配置：志強(qiáng)E34 核CPU、8 GB 內(nèi)存、20 GB 硬盤、1000 MB 以太網(wǎng)接口。采用外網(wǎng)固定IP，按照目前攝像機(jī)數(shù)量112臺(tái)，每臺(tái)攝像機(jī)碼流3 MB/s計(jì)算，如同時(shí)存儲(chǔ)112路攝像機(jī)圖像，所需下行帶寬為336 MB/s?？紤]網(wǎng)絡(luò)損耗及其他情況，帶寬增加20%，下行帶寬為403 MB/s。

3.3.2 攝像機(jī)

前端攝像機(jī)采用1080 P 分辨率高清攝像機(jī)，每臺(tái)攝像機(jī)拍攝速度為1.3 GB/h，90 d 所需硬盤空間約為2808 GB。NVR 的4 TB 硬盤可存儲(chǔ)約129 d 的視頻，滿足昆明鐵路公安局的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)90 d的國(guó)家反恐要求。

3.3.3 流量

每個(gè)前端攝像機(jī)使用流量為500 GB/月。按照一直存儲(chǔ)的碼流計(jì)算，攝像機(jī)需要1.3 GB/h的流量，按每月30 d 計(jì)算，如滿足連續(xù)存儲(chǔ)，所需流量至少937.5 GB/月，遠(yuǎn)超過(guò)每個(gè)前端攝像機(jī)每月使用流量，考慮到其他損耗，建議流量1000 GB/月。

3.3.4 存儲(chǔ)

基于帶寬和云存儲(chǔ)空間的費(fèi)用考慮，前端攝像機(jī)直接使用SD 卡存儲(chǔ)。攝像機(jī)內(nèi)置128 GB SD 卡可存儲(chǔ)5～7 d 的監(jiān)控視頻，云服務(wù)器軟件支持?jǐn)z像機(jī)直接上傳。當(dāng)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)到人員經(jīng)過(guò)監(jiān)控區(qū)，直接將報(bào)警視頻上傳存儲(chǔ)于云服務(wù)器。攝像機(jī)內(nèi)置SD 卡和現(xiàn)場(chǎng)NVR不間斷持續(xù)拍攝并存儲(chǔ)。由于AI 智能識(shí)別采用人工智能識(shí)別算法，準(zhǔn)確率無(wú)法達(dá)到100%，如攝像機(jī)未報(bào)警，可通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端查詢攝像機(jī)的本地SD 卡或NVR錄像情況。

3.4 管理中心/分控端

3.4.1 中心管理主機(jī)

中心管理主機(jī)采用內(nèi)網(wǎng)IP，以確保設(shè)備正常聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)配置軟件可連接集中管理云服務(wù)器，對(duì)云服務(wù)器進(jìn)行管理和配置，如添加攝像機(jī)、添加存儲(chǔ)硬盤、配置錄像計(jì)劃、配置電子圍欄和報(bào)警信息推送、分配不同用戶的觀看、控制、回放權(quán)限等。管理主機(jī)內(nèi)置全功能的綜合管理平臺(tái)軟件，可實(shí)時(shí)觀看、對(duì)講、錄像查詢、回放、下載、控制云臺(tái)、報(bào)警推送和聲音提醒。

3.4.2 PC客戶端和智能移動(dòng)終端

遠(yuǎn)程PC 客戶端和智能移動(dòng)終端（手機(jī)安卓端）連接互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)用戶級(jí)別分配不同的權(quán)限，限制用戶查看設(shè)備、視頻。通過(guò)查詢和回放以及控制功能，客戶端接收到報(bào)警信息的推送會(huì)顯示具體的點(diǎn)位信息，如點(diǎn)位名稱和有聲提醒，此時(shí)有權(quán)限的用戶可對(duì)該點(diǎn)位進(jìn)行觀看、控制以及視頻回放等操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于云平臺(tái)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)濟(jì)效益方面：較好地解決了傳統(tǒng)安全預(yù)警系統(tǒng)在普速鐵路沿線布線難度大、成本高的問(wèn)題，具備施工周期短、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低、架設(shè)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)；系統(tǒng)運(yùn)用后成本節(jié)約效果顯著。社會(huì)效益方面：通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)分析和及時(shí)告警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并作出應(yīng)對(duì)，避免行車事故，進(jìn)一步保障鐵路交通運(yùn)營(yíng)安全；按照相關(guān)規(guī)定和要求定期存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)視頻，后期調(diào)用查看、分析，為執(zhí)法或秩序維護(hù)提供相應(yīng)證據(jù)，有效提高現(xiàn)場(chǎng)侵入事件處置能力，節(jié)約人力投入；將視頻數(shù)據(jù)作為可共享資源，工務(wù)、電務(wù)、供電等相關(guān)單位可調(diào)用查看，及時(shí)了解線路及設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)情況，節(jié)省時(shí)間，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置效率。