熱成像技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

鄭 偉

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京通信段，北京 100101)

1 概述

近年來，隨著高速鐵路、客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)和投入運(yùn)營，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為高鐵客專線的重要組成部分，在鐵路線區(qū)段監(jiān)控、車站客運(yùn)服務(wù)與安檢、公跨鐵及隧道口監(jiān)控、站場(chǎng)監(jiān)控等場(chǎng)合，逐漸發(fā)揮起越來越重要的作用；當(dāng)前各鐵路局集團(tuán)公司也在普速鐵路中，逐步開展大規(guī)模的綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。

2 既有系統(tǒng)的主要問題

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從2008 年的首條高速客專線（京津城際鐵路）CIF、4CIF 開始，逐步向高清720P、全高清1 080P 乃至更高的清晰度方向發(fā)展，視覺效果穩(wěn)步提升，但在主要功能方面，基本延續(xù)了采集、編碼、傳輸、記錄、調(diào)看的傳統(tǒng)模式，十多年來在基本功能及應(yīng)用上保持穩(wěn)定，且基本都基于可見光條件下進(jìn)行視頻攝錄。

基于可見光的傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設(shè)備，存在攝錄效果受限及功能擴(kuò)展性不強(qiáng)等方面的問題，主要包括以下幾點(diǎn)。

一是在光照不足、特別是夜間星光條件下的監(jiān)控范圍急劇下降問題。普通攝像機(jī)在白天等光照充足的條件下，攝像距離可達(dá)1 km 甚至更遠(yuǎn)，但在夜間受光線影響基本無法對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)所進(jìn)行有效攝錄。即使在攝像機(jī)中增加紅外補(bǔ)光，其監(jiān)控范圍與日照條件下相比也相差較大。

二是基于可見光的傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像內(nèi)容的分析，在當(dāng)前人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)成為主流的背景下，對(duì)人物、動(dòng)物、移動(dòng)物體等的識(shí)別等方面功能不強(qiáng)、可擴(kuò)展性不高。

三是現(xiàn)有的星光、微光高清攝像機(jī)，普遍價(jià)格偏高，覆蓋距離偏小，不適應(yīng)鐵路這種大范圍、長(zhǎng)距離的監(jiān)控場(chǎng)景需求。

3 熱成像視頻監(jiān)控的特點(diǎn)分析

熱成像視頻監(jiān)控的基本原理是：將被監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的像素，根據(jù)溫度差轉(zhuǎn)換為不同灰度值的黑白像素，從而形成熱成像圖像（圖形）。

通過熱成像技術(shù)的基本原理可以看出，該技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)如下。

一是不依賴于可見光、不受光照條件限制，有效攝錄范圍基本固定，沒有可見光攝像機(jī)受光照條件影響、攝錄范圍明顯變化的問題。

二是白天與夜間的環(huán)境對(duì)該系統(tǒng)而言基本無差別，因此特別適合于傳統(tǒng)可見光視頻監(jiān)控難以發(fā)揮作用的夜間、星光及微光監(jiān)控場(chǎng)合，更適合點(diǎn)多線長(zhǎng)、監(jiān)控范圍大的鐵路沿線區(qū)段應(yīng)用場(chǎng)景。

三是熱成像為被動(dòng)型接收方式，不需要補(bǔ)光措施及相關(guān)設(shè)備設(shè)施，同傳統(tǒng)補(bǔ)光攝像機(jī)相比，可有效提高設(shè)備壽命、降低設(shè)備能耗。

4 采用熱成像技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能分析

從上述分析看，熱成像攝像技術(shù)存在的突出優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)既有鐵路視頻監(jiān)控形成有效補(bǔ)充，充分彌補(bǔ)既有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具備較高的應(yīng)用前景。該技術(shù)可以作為既有可見光視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，特別是彌補(bǔ)既有視頻監(jiān)控在夜間對(duì)沿線長(zhǎng)大范圍線路的監(jiān)控短板，同時(shí)可以利用人工智能及大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的功能擴(kuò)展。

1）正常光照度及低照度條件下的視頻監(jiān)控功能

根據(jù)熱成像技術(shù)的主要特點(diǎn)，熱成像視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)正常光照度、低照度（如星光、微光）條件下的視頻監(jiān)控功能，無需補(bǔ)光。

2）利用人工智能（AI）識(shí)別分析圖像功能

可通過對(duì)熱成像圖像的分析，識(shí)別動(dòng)態(tài)物體，如人物、動(dòng)物、列車、煙霧、著火點(diǎn)、汽車等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)、臨近鐵路線火災(zāi)檢測(cè)等。

3）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行綜合分析的功能

對(duì)熱成像圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)累積后，可以通過編輯及優(yōu)化相關(guān)的算法，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)環(huán)境的形態(tài)變化數(shù)據(jù)，如樹木倒伏、接觸網(wǎng)掛異物、臨近鐵路線地面建筑或設(shè)施變化等。

5 實(shí)測(cè)效果分析

為驗(yàn)證熱成像技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用可行性及效果，作者牽頭組織完成實(shí)地測(cè)試。

5.1 基本視頻監(jiān)控功能可行性試驗(yàn)

低照度條件下（夜間21 時(shí)許）在某高鐵普速混用車站的保養(yǎng)點(diǎn)拍攝的圖像，如圖1 所示（攝錄點(diǎn)距鐵路線最近處約200 m）。

圖1 中的接觸網(wǎng)桿、軌道、建筑等均清晰可辨。

圖1 低照度條件下熱成像攝像機(jī)效果Fig.1 Effects of thermal imaging camera in low illumination condition

作為對(duì)比、通過普通可見光攝像機(jī)拍攝的效果，如圖2 所示。

圖2 低照度條件下傳統(tǒng)可見光攝像機(jī)效果Fig.2 Effects of traditional visible light camera in low illumination condition

從圖1、2 可以看出，熱成像攝像機(jī)在夜間仍可正常攝錄，而可見光攝像機(jī)的攝錄效果基本無法分辨。

5.2 鐵路專用場(chǎng)景的可行性試驗(yàn)

某高鐵客專混用車站附近（夜間21 時(shí)許）熱成像攝像機(jī)拍攝效果，如圖3 所示（攝錄點(diǎn)距離鐵路約300 m、距煙囪約800 m）。

圖3 鐵路低照度場(chǎng)景下熱成像攝像機(jī)攝錄及分辨示意Fig.3 Schematic diagram for videos and resolutions of thermal imaging camera in low illumination railway scene

利用本視頻流模擬實(shí)時(shí)采集輸入、通過后臺(tái)加載AI 算法后進(jìn)行試驗(yàn)，紅框內(nèi)的列車、綠框內(nèi)的工廠煙囪排煙均清晰可分辨識(shí)別、且可鎖定動(dòng)態(tài)目標(biāo)。

5.3 非鐵路場(chǎng)景試驗(yàn)

在非鐵路場(chǎng)景、低照度條件下對(duì)人物（動(dòng)物）、汽車等常見物體的攝錄效果，如圖4 所示（夜間22時(shí)許）。

圖4 非鐵路場(chǎng)景低照度條件下熱成像攝像機(jī)攝錄及分辨示意Fig.4 Schematic diagram for videos and resolutions of thermal imaging camera in non-low illumination railway scene

利用本視頻流模擬實(shí)時(shí)采集輸入、通過后臺(tái)加載AI 算法后進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)，紅框內(nèi)的汽車、綠框內(nèi)的人物均可分辨識(shí)別、且可鎖定動(dòng)態(tài)目標(biāo)。該攝錄點(diǎn)距離汽車約500 m、距離人物約700 m。

6 熱成像技術(shù)應(yīng)用前景分析

熱成像技術(shù)除作為傳統(tǒng)基于可見光視頻監(jiān)控的有效補(bǔ)充外，還可通過新技術(shù)的支撐，擴(kuò)展如下功能。

1）入侵檢測(cè)功能

因該技術(shù)基本不受光線限制，可利用圖像處理、人工智能等技術(shù)，通過深度學(xué)習(xí)建模，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體的識(shí)別，特別是與環(huán)境溫差較為明顯的人物、動(dòng)物、車輛（包括列車、機(jī)動(dòng)車等）的識(shí)別，判斷其是否位于鐵路限界或給定的禁入范圍（報(bào)警范圍）內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)普通視頻監(jiān)控難以實(shí)現(xiàn)的全天候入侵檢測(cè)功能。

2）人身安全防護(hù)預(yù)警功能

在基于熱成像及人工智能技術(shù)等實(shí)現(xiàn)列車車輛、人物（動(dòng)物）識(shí)別功能的基礎(chǔ)上，計(jì)算出所檢測(cè)到的列車與檢測(cè)到的作業(yè)人員間的距離，作為列車接近實(shí)時(shí)預(yù)警、作業(yè)人員的人身安全實(shí)時(shí)預(yù)警與防護(hù)等功能的主要依據(jù)，特別適合于普速鐵路的作業(yè)人員人身安全防護(hù)等場(chǎng)合。

3）沿線火情檢測(cè)功能

熱成像技術(shù)對(duì)煙霧、起火點(diǎn)等較為敏感，因此可以通過熱成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧、著火點(diǎn)等特定威脅的識(shí)別和告警功能，特別適合于日常突發(fā)火情的全天候檢測(cè)、季節(jié)更替期間的鐵路沿線燒荒等對(duì)鐵路安全威脅較大、難以預(yù)測(cè)的安全隱患防護(hù)工作。

7 結(jié)論

通過上述測(cè)試和分析可以看出，熱成像技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控中具備較強(qiáng)的可行性。利用該技術(shù)的系統(tǒng)可不受光照條件限制，在各種光照條件下，均可形成監(jiān)控圖像，特別是在普通攝像機(jī)難以正常攝錄的光照條件不足（星光、微光）場(chǎng)景中，具備較強(qiáng)的實(shí)用性；攝錄覆蓋范圍較大，在任何光照條件下，均能達(dá)到500 m 以上距離的拍攝。

因此，該技術(shù)的應(yīng)用，可為鐵路沿線夜間視頻安全監(jiān)控提供新的手段和監(jiān)測(cè)能力，也為綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性提供了更多選擇。