視頻監(jiān)控技術(shù)在川藏鐵路中的應(yīng)用探討

嚴(yán) 瑾

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

川藏鐵路雅安至林芝段位于青藏高原東南部的四川省和西藏自治區(qū)境內(nèi)，線路東起四川省雅安市，向西經(jīng)天全、瀘定、康定、雅江、理塘、巴塘后，跨過金沙江進(jìn)入西藏自治區(qū)境內(nèi)，而后經(jīng)貢覺、昌都、八宿、波密至林芝，具有“顯著的地形高差”、“強(qiáng)烈的板塊活動”、“頻發(fā)的山地災(zāi)害”、“脆弱的生態(tài)環(huán)境”等四大特點[1]。

川藏鐵路是我國西藏自治區(qū)對外運輸通道的重要組成部分，是引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)布局、促進(jìn)沿線國土開發(fā)、整合旅游資源的黃金通道，也是鞏固國家邊防安全的重要戰(zhàn)略通道，對國家經(jīng)濟(jì)、社會、交通運輸、國防安全有著重大意義。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為鐵路建設(shè)和運營的“千里眼”，探討其在川藏鐵路中的應(yīng)用，對保障川藏鐵路建設(shè)和運營安全具有重要意義。

1 需求分析

1.1 視頻監(jiān)控應(yīng)用需求更廣

1.1.1鐵路建設(shè)期視頻監(jiān)控需求

川藏鐵路線路長，且沿線地質(zhì)條件極端惡劣，在這種條件下進(jìn)行鐵路建設(shè)，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)有巨大的應(yīng)用需求。作為建設(shè)管理的有效手段，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)能有效地管理施工現(xiàn)場，確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。同時，還能做好現(xiàn)場紀(jì)錄監(jiān)控日志，便于日后查詢。更重要的是，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能更有力地保障施工現(xiàn)場人員的安全，如遇突發(fā)情況，能夠及時有效地組織開展應(yīng)急工作，并為事后分析提供圖像資料。

1.1.2特殊場景視頻監(jiān)控需求

川藏鐵路途經(jīng)的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中塌方、滑坡、泥石流、巖堆、高陡邊坡、危巖落石等對鐵路工程的影響尤為突出，因此，有必要對其開展實時圖像監(jiān)測，實現(xiàn)事前預(yù)警，事中報警。

1.1.3設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)視頻監(jiān)控需求

川藏鐵路運營環(huán)境復(fù)雜，鐵路養(yǎng)護(hù)維修工作條件十分艱苦，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過圖像和視頻分析技術(shù)，對鐵路沿線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，能有效提高工作效率，減輕維護(hù)人員的工作量。

1.2 安防需求更高

川藏鐵路是國家邊防安全的重要戰(zhàn)略通道，其安防監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，主要體現(xiàn)在：

(1)對圖像的需求更高，不僅要“看得見”，更要“看得清”。

(2)對大場景和智能化的需求更高。

(3)前端攝像機(jī)的數(shù)量更多、更密集。

(4)對夜間視頻監(jiān)控圖像的質(zhì)量要求更高。

(5)需采用視頻監(jiān)控方式進(jìn)行周界入侵報警，對入侵行為進(jìn)行實時監(jiān)測、報警，為鐵路沿線巡防、警務(wù)人員及時處置非法入侵行為提供有效支持。

(6)需建立網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，保障視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全應(yīng)用。

1.3 存儲數(shù)據(jù)量更大

川藏鐵路視頻需求大，攝像機(jī)數(shù)量多，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化、高清化要求高，視頻數(shù)據(jù)量激增，存儲數(shù)據(jù)急速膨脹，且視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的重要程度高，數(shù)據(jù)丟失所帶來的損失與影響大。因此，亟需構(gòu)建一個高效、安全可靠、自由擴(kuò)展、管理方便的視頻監(jiān)控存儲平臺，提高視頻存儲處理能力，且更加有效地管理存儲數(shù)據(jù)。

1.4 系統(tǒng)接口需求更多

川藏鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要和諸多系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，如電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、旅客服務(wù)信息系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、各運維管理系統(tǒng)等，以提高系統(tǒng)預(yù)警和報警的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.5 系統(tǒng)運維需求

川藏鐵路復(fù)雜環(huán)境對視頻監(jiān)控系統(tǒng)運維有更多的智能化需求，對系統(tǒng)設(shè)備有更高的要求。如故障智能分析與預(yù)警、設(shè)備健康評價與全生命周期管理、遠(yuǎn)程操控維護(hù)以及設(shè)備故障應(yīng)急運維與決策，需要適應(yīng)環(huán)境、低能耗、長壽命的設(shè)備等。

2 視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 視頻智能分析技術(shù)

2.1.1應(yīng)用環(huán)境

視頻智能分析是保障川藏鐵路建設(shè)和運營的重要技術(shù)手段，其對象包括人、設(shè)備、物體等。主要應(yīng)用有：

(1)人臉識別、復(fù)雜場景下的人員密度和數(shù)量統(tǒng)計、異常行為的檢測和分析。

(2)對關(guān)鍵設(shè)備運行情況的全天候全時段視頻智能巡檢。

(3)對塌方、滑坡、泥石流、巖堆、高陡邊坡、危巖落石等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警、報警等。

(4)對入侵和侵限事故的檢測與報警(包括人員和異物)，包括智能識別和判斷侵限物體類型，對入侵行為的分析、定位和跟蹤等。

2.1.2現(xiàn)狀分析

目前，視頻智能分析技術(shù)在軌道交通和高速鐵路領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人臉識別、客流統(tǒng)計等方面，其他方面的應(yīng)用較少。夜間光照不足、惡劣天氣、圖像壓縮處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬受限等造成圖像質(zhì)量不佳，目標(biāo)與背景相似或背景雜亂等導(dǎo)致目標(biāo)分割以及特征信息提取困難，復(fù)雜異常行為、事件建模困難，相應(yīng)的智能分析算法識別性能不高等，制約了智能視頻分析技術(shù)在鐵路沿線的應(yīng)用[2]。

2.1.3研究方向

根據(jù)川藏鐵路的特點和需求，對視頻智能分析技術(shù)進(jìn)行以下幾個方面研究：

(1)進(jìn)一步研究視頻智能分析技術(shù)的主要應(yīng)用場景，并根據(jù)需求分析梳理分類，研究對應(yīng)的智能模式識別算法。

(2)研究與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過不斷學(xué)習(xí)，提高智能分析的準(zhǔn)確性。

(3)研究與塌方監(jiān)控系統(tǒng)、滑坡監(jiān)控系統(tǒng)、泥石流監(jiān)控系統(tǒng)、危巖落石監(jiān)控系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，實現(xiàn)主動預(yù)警，滿足事前預(yù)防、事中響應(yīng)、事后追查的需求。

2.2 存儲技術(shù)

2.2.1應(yīng)用環(huán)境

川藏鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用集中存儲方式，在車站設(shè)置存儲設(shè)備，對全線各類視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理，重點區(qū)域的視頻存儲時間按90 d考慮。

2.2.2現(xiàn)狀分析

目前，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的存儲主要采用服務(wù)器+IPSAN架構(gòu)存儲系統(tǒng)，前端監(jiān)控數(shù)據(jù)通過服務(wù)器中的錄像存儲管理模塊存儲到IPSAN存儲設(shè)備中，存儲時間按15 d考慮?，F(xiàn)有的存儲系統(tǒng)存在單一設(shè)備的局限性，一旦發(fā)生集中回放，容易造成單一節(jié)點性能瓶頸，且不同存儲單元之間的數(shù)據(jù)無法共享冗余[3]。無法滿足川藏鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)隨機(jī)讀寫量大、單站前端圖像并發(fā)壓力大、視頻存儲時間長的要求。

此外，目前也有部分鐵路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用了云存儲的方式，在車站級視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置云存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)車站內(nèi)視頻存儲資源云化，但不具備數(shù)據(jù)多云域間互為備份的功能，且各云存儲服務(wù)平臺均采用私有的接口規(guī)范，不同廠家間設(shè)備無法兼容，數(shù)據(jù)無法互通。

2.2.3研究方向

根據(jù)川藏鐵路的特點和需求，對存儲技術(shù)進(jìn)行以下幾個方面研究：

(1)分析鐵路綜合視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用對存儲資源和計算資源的需求特點以及視頻流存儲寫入的特點。

(2)研究業(yè)務(wù)虛擬化技術(shù)，通過模塊化設(shè)計并搭載業(yè)務(wù)統(tǒng)計和智能分配策略，將業(yè)務(wù)分解進(jìn)行智能分配，將多個主機(jī)虛擬化為一個業(yè)務(wù)集群。

(3)研究川藏鐵路視頻應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用，提出全面開放存儲模式，提高存儲系統(tǒng)兼容性。用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不再局限于某一個廠商或產(chǎn)品，可根據(jù)川藏鐵路的業(yè)務(wù)需求及特點選擇匹配的存儲設(shè)備。

(4)研究鐵路視頻數(shù)據(jù)的高效存儲和檢索技術(shù)。

2.3 夜視技術(shù)

2.3.1應(yīng)用環(huán)境

夜間視頻監(jiān)控是川藏鐵路安全保障系統(tǒng)非常重要的一部分。視頻監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)對鐵路沿線“全方位、全天候”監(jiān)控，不僅包括7×24 h晝夜監(jiān)控，還包括在刮風(fēng)、下雨、大霧等不良天氣條件下的監(jiān)控。夜間視頻監(jiān)控范圍主要包括：

(1)車站咽喉區(qū)、隧道口、緊急救援站、緊急出口、避難所、公跨鐵立交橋兩側(cè)、橋梁救援疏散通道、調(diào)度局界口、沿線路基地段[4]。

(2)通信、信號、信息、牽引供電、電力等各類設(shè)備機(jī)房室內(nèi)、外場所。

(3)客運站房的公共安全區(qū)域，包括車站出入口、車站通道、安檢區(qū)、候車廳、售票廳、站臺、檢票區(qū)等。

(4)貨運車站的重點安全區(qū)域，包括貨運倉庫、貨運站臺、貨場等[5]。

2.3.2現(xiàn)狀分析

目前，鐵路夜間視頻監(jiān)控多采用超低照度和星光級的攝像機(jī)，輔助光源根據(jù)監(jiān)控距離采用紅外LED、激光光源等，監(jiān)測距離在200 m以內(nèi)的攝像機(jī)采用無紅爆紅外LED輔助光源，監(jiān)測距離在200 m以外的攝像機(jī)采用激光光源。

紅外LED和激光光源夜視技術(shù)均受不良天氣影響大。同時，紅外LED監(jiān)控距離短，使用壽命短，維護(hù)成本較高，成像質(zhì)量一般；激光光源監(jiān)控范圍小，難以實現(xiàn)多點監(jiān)控、維護(hù)成本高[6]。

2.3.3研究方向

根據(jù)川藏鐵路的需求，進(jìn)一步研究其他夜視技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用，如將熱成像攝像機(jī)不同光譜成像優(yōu)勢作為普通攝像機(jī)的補(bǔ)充，采用多種夜視技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)全天候監(jiān)控，在保證監(jiān)控場景的同時，感知生命體禁區(qū)闖入，為夜間實現(xiàn)智能分析功能奠定良好的基礎(chǔ)。

2.4 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

2.4.1應(yīng)用環(huán)境

在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠高效、及時且低容錯率地進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和計算，是提高視頻智能分析效率和準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)[7]。

2.4.2現(xiàn)狀分析

目前，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能較單一，未實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的深度融合、資源共享、信息聯(lián)動，視頻圖像一般是被動調(diào)用，未實現(xiàn)視頻圖像資源的分類管理和主動推送。

2.4.3研究方向

運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從海量視頻數(shù)據(jù)及其他相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中提取重要信息，為川藏鐵路不同部門提供快速的智能化視頻搜索、查詢、轉(zhuǎn)發(fā)、推送，是需要研究的重要內(nèi)容。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2.5.1應(yīng)用環(huán)境

川藏鐵路沿線地質(zhì)條件惡劣，建設(shè)期臨時視頻監(jiān)控系統(tǒng)及運營期部分災(zāi)害工點(如塌方、滑坡、泥石流、危巖落石等)的視頻監(jiān)控采集點至視頻匯集點的視頻信息均無法采用有線通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，建立一套安全可靠的現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)是亟需解決的問題。

2.5.2現(xiàn)狀分析

目前，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻采集點通過光纜或電纜等有線方式接入視頻匯集點；視頻匯集點通過通信傳輸系統(tǒng)或三層交換機(jī)組網(wǎng)的方式接入視頻接入節(jié)點；視頻接入節(jié)點通過IP數(shù)據(jù)網(wǎng)接入視頻區(qū)域節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用尚處于研究階段。

2.5.3研究方向

物聯(lián)網(wǎng)是一種高密度、低功耗、低時延的無線連接，是目前實現(xiàn)艱險山區(qū)鐵路沿線設(shè)備信息傳輸?shù)挠行Ъ夹g(shù)手段，其研究方向包括以下兩方面：

(1)隨著鐵路物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，提供一種能適配多源異構(gòu)、滿足寬窄帶數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入的信息傳輸通道，將成為了鐵路通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，是現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)傳輸方案的重要選擇之一。

(2)研究前端攝像機(jī)作為“視頻傳感器”與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合[8]。

3 研究解決方案建議

隨著視頻智能分析、智能聯(lián)動、數(shù)據(jù)共享、大數(shù)據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，川藏鐵路的建設(shè)、運營、維護(hù)、管理將更加精細(xì)化、一體化、全過程化。根據(jù)川藏鐵路的視頻監(jiān)控需求分析，結(jié)合智能分析、存儲、夜視、數(shù)據(jù)挖掘及物聯(lián)網(wǎng)等視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，對川藏鐵路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案進(jìn)行初步構(gòu)想。

(1)采用基于云平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以線路為單位，建立統(tǒng)一云平臺系統(tǒng)，具有分布式架構(gòu)，全局存儲虛擬化，對外提供整體云資源池服務(wù)，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)共享數(shù)據(jù)應(yīng)用。系統(tǒng)需采用標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，提供開放的Iaas基礎(chǔ)存儲資源池，為建立多云管理平臺提供條件。

(2)基于深度學(xué)習(xí)的智能分析技術(shù)，采用邊緣視頻分析技術(shù)和后臺視頻分析相結(jié)合的方案。同時采用與其他監(jiān)測技術(shù)多手段融合的方案，滿足全天候、全方位的安全需求。

(3)夜間監(jiān)控采用采用紅外LED、激光光源、熱成像等多種夜視技術(shù)相結(jié)合的方式。

(4)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)與分析，對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位大數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立一套川藏鐵路智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

川藏鐵路是迄今為止人類歷史上最具挑戰(zhàn)性的鐵路建設(shè)工程，如何通過系統(tǒng)科技創(chuàng)新，確保川藏鐵路建設(shè)“高效、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)?！笔侵档蒙钊胨伎嫉膯栴}。 本文圍繞川藏鐵路“高起點、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量”的建設(shè)和運營的需求，以科技創(chuàng)新為主線，結(jié)合智能分析、存儲、夜視、數(shù)據(jù)挖掘及物聯(lián)網(wǎng)等視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展和研究，建立了一套安全、穩(wěn)定可靠、高效的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使川藏鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)在理論、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上均取得了新突破，提高了系統(tǒng)的智能化和集成化水平，對提升川藏鐵路建設(shè)水平、安全水平和綜合效益具有重大意義，將為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展新常態(tài)、服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略提供強(qiáng)有力的支撐。