鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)研究與實(shí)踐

王瀚昀

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋鐵路主要運(yùn)輸干線，對(duì)線路區(qū)間、站點(diǎn)、車站咽喉區(qū)、隧道洞口和電力機(jī)房等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大地滿足了調(diào)度、工電、公安等業(yè)務(wù)部門對(duì)視頻信息的需求，是鐵路運(yùn)輸指揮、生產(chǎn)作業(yè)以及公安保衛(wèi)的重要手段，同時(shí)也是鐵路行車設(shè)備的重要組成部分。從業(yè)務(wù)需求分析角度，應(yīng)開(kāi)展鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)的相關(guān)研究和試驗(yàn)工作。鐵路綜合視頻上車是指將列車運(yùn)行前方視頻圖像和視頻智能分析結(jié)果傳送到駕駛室內(nèi)，延伸司機(jī)的目視范圍，使司機(jī)能夠提早發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件并及早采取應(yīng)對(duì)措施，降低事故發(fā)生率，對(duì)鐵路行車安全保障工作起到一定的輔助作用。

1 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及上車需求分析

根據(jù)原中國(guó)鐵路總公司Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備多級(jí)聯(lián)網(wǎng)、多級(jí)管理、多級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)、多級(jí)存儲(chǔ)等特點(diǎn)，自上而下由視頻核心節(jié)點(diǎn)、視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、Ⅰ類視頻接入節(jié)點(diǎn)、Ⅱ類視頻接入節(jié)點(diǎn)、視頻匯集點(diǎn)、視頻采集點(diǎn)、承載網(wǎng)絡(luò)和視頻用戶終端組成［1]。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)及接口示意見(jiàn)圖1，其中A、B、H 為系統(tǒng)外部接口，C、D、E、F 為內(nèi)部接口，Na為管理接口［2]。

目前，盡管鐵路視頻監(jiān)控已經(jīng)趨于完善，但各專業(yè)之間的壁壘還沒(méi)有完全打開(kāi)，資源共享率不高，特別是高鐵安全環(huán)境隱患問(wèn)題還沒(méi)有得到徹底解決，例如2018年8月，因彩鋼屋頂刮到護(hù)網(wǎng)內(nèi)線路中心，造成設(shè)備損壞，對(duì)高鐵安全構(gòu)成威脅。為了認(rèn)真吸取該起事故教訓(xùn)，充分利用好現(xiàn)有視頻監(jiān)控資源，提高其技術(shù)水平和應(yīng)用能力，延伸司機(jī)瞭望距離，提前預(yù)知前方運(yùn)行區(qū)段險(xiǎn)情，開(kāi)展鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)的研究工作非常重要。將列車運(yùn)行前進(jìn)方向的視頻圖像和視頻智能分析結(jié)果傳送到駕駛室內(nèi)，一定程度延伸列車司機(jī)的目視范圍，通過(guò)推送安全警告的方式提供預(yù)警、報(bào)警功能，使司機(jī)能夠提前發(fā)現(xiàn)意外事件及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

圖1 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)及接口示意圖

開(kāi)展鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)的研究具有必要性、前瞻性，同時(shí)也具備極強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一方面，視頻監(jiān)控行業(yè)技術(shù)性極強(qiáng)，在監(jiān)控系統(tǒng)不斷創(chuàng)新升級(jí)的同時(shí)，也在引導(dǎo)鐵路各部門需求的變化，進(jìn)而創(chuàng)造出新的市場(chǎng)需求；另一方面，高清甚至超高清的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為用戶提供了更多的細(xì)節(jié)內(nèi)容，一定程度促進(jìn)了視頻智能分析技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步將鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用推上更高層次。

2 視頻上車系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)三大部分組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)組成

2.1.1 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻圖像資源的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、視頻智能分析以及轉(zhuǎn)發(fā)碼流質(zhì)量反饋功能。受目前運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組安裝條件的限制，車載子系統(tǒng)按定制車載終端考慮。在列車停止的情況下，司機(jī)可手動(dòng)查看前方1個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的線路視頻圖像資源，發(fā)現(xiàn)異常后，可通知列車調(diào)度員、車站值班員采取相應(yīng)措施，有效消除隱患。定制車載終端基于Android 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件采用扁平化風(fēng)格實(shí)現(xiàn)，方便司機(jī)操作，提升界面友好性。定制終端的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 定制車載終端設(shè)備主要參數(shù)

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車載子系統(tǒng)與地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程信息安全傳輸功能。目前考慮利用鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)，未來(lái)可利用鐵路LTE-R網(wǎng)絡(luò)。

2.1.3 地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)

地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)上車資源的組織與整合，根據(jù)列車實(shí)時(shí)位置，及時(shí)準(zhǔn)確提供行車輔助信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)推送至車載子系統(tǒng)，供列車司機(jī)觀察和決策使用。系統(tǒng)主要由通信網(wǎng)關(guān)、核心服務(wù)、云存儲(chǔ)子系統(tǒng)、維護(hù)管理子系統(tǒng)等部分構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。

圖3 地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)組成

通信網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間的邊界，在外圍設(shè)有安全防護(hù)設(shè)備以確保網(wǎng)絡(luò)安全，其與定制車載終端之間建立2條邏輯通信通道，一條采用傳輸控制協(xié)議（TCP）長(zhǎng)連接通信方式，另一條采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）報(bào)文通信方式。

核心服務(wù)主要負(fù)責(zé)上車視頻碼流的處理、列車定位信息的獲取、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置等主要任務(wù)。考慮到視頻上車業(yè)務(wù)相對(duì)獨(dú)立，彼此之間幾乎沒(méi)有耦合的特點(diǎn)，核心服務(wù)采用實(shí)時(shí)并行計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)。

云存儲(chǔ)子系統(tǒng)是地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的核心與基礎(chǔ)，系統(tǒng)運(yùn)行的全部信息，如平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等均存儲(chǔ)在內(nèi)。

維護(hù)管理子系統(tǒng)主要用于提供Web 服務(wù)后臺(tái)接口，通過(guò)維護(hù)管理終端可以進(jìn)行系統(tǒng)配置、管理及運(yùn)維功能。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流分析

從邏輯上講，視頻上車核心業(yè)務(wù)流對(duì)象主要包括：車載終端、通信網(wǎng)關(guān)、列車定位接口、視頻取流接口、視頻推送服務(wù)和關(guān)聯(lián)算法服務(wù)，6部分分工協(xié)作共同完成視頻上車業(yè)務(wù)流的處理邏輯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能。鐵路視頻上車系統(tǒng)業(yè)務(wù)流分析見(jiàn)圖4。

圖4 鐵路視頻上車系統(tǒng)業(yè)務(wù)流分析

2.2.1 定制車載終端

為確保網(wǎng)絡(luò)安全，定制車載終端只與地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。彼此之間建2條邏輯通道：全雙工雙向傳輸?shù)腡CP 長(zhǎng)連接通道和地車單向傳輸?shù)腢DP 報(bào)文推送通道。長(zhǎng)連接通道用于傳輸用戶登陸、安全認(rèn)證、擁塞控制、碼流服務(wù)質(zhì)量反饋、配置升級(jí)等信息；UDP 通道用于地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)向定制車載終端推送上車視頻碼流。

2.2.2 通信網(wǎng)關(guān)

通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)車地通信任務(wù)，需要維護(hù)TCP 長(zhǎng)連接通道和UDP 報(bào)文推送通道的可用性、有效性、安全性等。此外，通信網(wǎng)關(guān)還需要負(fù)責(zé)維護(hù)用戶的會(huì)話信息，進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)、路由、驗(yàn)證、審計(jì)等功能，并提供一定的安全機(jī)制，確保系統(tǒng)安全。

2.2.3 列車定位接口

列車定位接口采用發(fā)布-訂閱模型實(shí)現(xiàn)，定位信息以可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）格式進(jìn)行傳輸，發(fā)布方只能發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱方只能訂閱數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只能從發(fā)布方向訂閱方單向流動(dòng)。為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)高并發(fā)這一特點(diǎn)，定位接口訂閱節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，采用并行處理方式實(shí)現(xiàn)。訂閱進(jìn)程將任務(wù)依次均等分發(fā)給工作進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程從工作進(jìn)程均等地收集結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)公平排隊(duì)。

2.2.4 視頻取流接口

視頻取流接口主要用于上車視頻碼流資源的獲取。由于列車在高速運(yùn)行，取流接口必然會(huì)不斷地關(guān)閉舊碼流并訂閱新碼流，進(jìn)而導(dǎo)致每個(gè)碼流訂閱的時(shí)間很短。考慮到車地通信帶寬的限制，上車視頻碼流采用H.265編碼，減少中間轉(zhuǎn)碼環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)時(shí)效性。

2.2.5 視頻推送服務(wù)

視頻推送服務(wù)主要負(fù)責(zé)：

（1）向運(yùn)行列車推送上車視頻碼流及其相應(yīng)的視頻智能分析結(jié)果；

（2）針對(duì)定制車載終端反饋的視頻推送服務(wù)質(zhì)量，調(diào)整發(fā)送質(zhì)量；

（3）存儲(chǔ)推送的上車碼流及其相應(yīng)的視頻智能分析結(jié)果。

視頻推送服務(wù)由任務(wù)分配進(jìn)程和工作進(jìn)程2種資源構(gòu)成，工作進(jìn)程包含工作與備份2種模式。任務(wù)分配進(jìn)程將全部列車推送任務(wù)依次均勻地分配給工作進(jìn)程的同時(shí)，對(duì)工作進(jìn)程的全生命周期進(jìn)行監(jiān)控管理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有工作進(jìn)程進(jìn)入異常狀態(tài)，啟動(dòng)備份進(jìn)程接管該進(jìn)程的工作，從而確保視頻推送服務(wù)業(yè)務(wù)不中斷。

2.2.6 關(guān)聯(lián)算法服務(wù)

關(guān)聯(lián)算法服務(wù)主要負(fù)責(zé)列車位置與攝像機(jī)資源的關(guān)聯(lián)，其處理流程分為信息排序與資源關(guān)聯(lián)2部分。信息排序部分需獲取列車的車次號(hào)、機(jī)車號(hào)、線路號(hào)、公里標(biāo)、列車運(yùn)行方向等信息。資源關(guān)聯(lián)部分則是結(jié)合提前錄入系統(tǒng)的前端攝像機(jī)公里標(biāo)信息和列車位置信息，按照一定的頻率，通過(guò)算法不斷動(dòng)態(tài)生成當(dāng)前列車圖像距離內(nèi)的前端攝像機(jī)資源列表，進(jìn)而形成最優(yōu)的資源關(guān)聯(lián)與匹配。

由于不同列車彼此之間的關(guān)聯(lián)信息互相獨(dú)立，因此可采用與視頻推送服務(wù)相似的并行計(jì)算框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 視頻上車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 列車定位與視頻資源關(guān)聯(lián)算法設(shè)計(jì)

3.1.1 圖像距離概念

圖像距離是指列車當(dāng)前所在位置與擬顯示視頻圖像資源的前端攝像機(jī)之間的距離。原則上，列車運(yùn)行前方圖像距離應(yīng)大于不同速度等級(jí)列車的緊急制動(dòng)距離，二者對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2［3-4]。當(dāng)列車運(yùn)行前方圖像距離內(nèi)無(wú)可用的前端攝像機(jī)資源時(shí)，采用距離該圖像最近的前端攝像機(jī)作為視頻圖像資源［5]。

表2 列車速度等級(jí)與圖像距離關(guān)系

3.1.2 關(guān)聯(lián)算法的設(shè)計(jì)

關(guān)聯(lián)算法的本質(zhì)是一個(gè)查找算法，其基本處理邏輯如下：

（1）對(duì)全部上車攝像機(jī)資源按線路、里程進(jìn)行分組并建立分組索引表，分組內(nèi)根據(jù)攝像機(jī)公里標(biāo)、上下行方向進(jìn)行排序；

（2）傳入列車位置信息及圖像距離定義規(guī)則，根據(jù)列車位置所在線路、公里標(biāo)獲取所在攝像機(jī)資源分組，根據(jù)列車上下行方向，采用折半查找法，快速定位到可能的攝像機(jī)資源最小分組；

（3）在最小分組內(nèi)采用冒泡法，定位到關(guān)聯(lián)的攝像機(jī)資源信息，并輸出關(guān)聯(lián)結(jié)果。

值得強(qiáng)調(diào)的是，如果關(guān)聯(lián)到的前端攝像機(jī)資源不可用，視頻推送服務(wù)可以向關(guān)聯(lián)算法服務(wù)提出修正，關(guān)聯(lián)算法可將此攝像機(jī)資源進(jìn)行屏蔽，待修復(fù)后再執(zhí)行解除屏蔽。

3.2 視頻數(shù)據(jù)車地傳輸

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬自適應(yīng)技術(shù)

為節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，視頻上車系統(tǒng)采用“推”模型進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的車地傳輸工作。定制車載終端通過(guò)TCP長(zhǎng)連接通道向地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)周期性單方向地發(fā)送實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTCP）報(bào)文。RTCP 報(bào)文中包含接收的信息包數(shù)目、丟失的信息包數(shù)目和信息包的抖動(dòng)等情況。當(dāng)?shù)孛婢C合應(yīng)用子系統(tǒng)向定制車載終端推送視頻流時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，按照質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則進(jìn)行傳輸，并采用負(fù)載評(píng)估算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，自動(dòng)調(diào)整推送視頻流的幀數(shù)、速度以及碼率，直至傳送靜態(tài)圖片，從而使流媒體的傳輸過(guò)程與波動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相匹配，最大化適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)，進(jìn)一步提高流媒體傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量［6］。

3.2.2 系統(tǒng)時(shí)效性提升技術(shù)

視頻上車系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)整體時(shí)效性的要求十分嚴(yán)格，否則綜合視頻上車的意義將大打折扣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。因此，有必要通過(guò)一系列優(yōu)化措施與手段提升系統(tǒng)整體的時(shí)效性。目前，影響系統(tǒng)時(shí)效性主要有以下4個(gè)因素（見(jiàn)圖5）：

（1）列車定位精度及位置信息更新頻率（T1）。影響列車定位精度及位置信息更新頻率的主要方面與列車定位技術(shù)選擇有關(guān)，定位技術(shù)主要分為本地定位和后臺(tái)定位［7］，由于后臺(tái)定位方式如調(diào)度集中系統(tǒng)的位置誤差約為1個(gè)閉塞區(qū)間長(zhǎng)度左右，位置誤差較大，因此視頻上車系統(tǒng)選用基于列控設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的本地定位方式［8］。

（2）系統(tǒng)處理時(shí)延（T2）。系統(tǒng)處理時(shí)延可以通過(guò)并行計(jì)算、提前預(yù)取流等技術(shù)，壓縮系統(tǒng)處理時(shí)延。

（3）公共移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)傳輸時(shí)延（T3）。在無(wú)法提高帶寬的前提下，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延可以通過(guò)壓縮推送碼流提高帶寬利用率的方法降低。

（4）視頻碼流獲取時(shí)延（T4）。碼流獲取時(shí)延對(duì)上車系統(tǒng)時(shí)效性的影響最大，但目前暫無(wú)從根本上改變?cè)摬糠謺r(shí)延的方法。

圖5 系統(tǒng)時(shí)效性分析

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證綜合視頻上車系統(tǒng)方案的可行性、實(shí)用性及先進(jìn)性，搭乘京滬高鐵動(dòng)車組，開(kāi)展一系列綜合視頻上車系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。試驗(yàn)從北京南站開(kāi)始，至滄州西站為止，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，依次進(jìn)行視頻傳輸、列車定位與視頻推送實(shí)時(shí)匹配、上車視頻質(zhì)量等測(cè)試，具體結(jié)果如下：

（1）利用公眾移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行視頻資源傳輸時(shí)，視頻畫面無(wú)卡頓，畫面與畫面之間切換流暢，證實(shí)視頻上車系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬功能；

（2）視頻上車系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)性和匹配性，從后臺(tái)收取到定位信息至將相應(yīng)的視頻資源在車載終端上展示這一過(guò)程有很小的時(shí)延，約為5 s，即：列車行進(jìn)速度為250 km/h時(shí)，定位信息相差300 m左右；列車行進(jìn)速度為350 km/h 時(shí)，定位信息相差500 m 左右，進(jìn)而保證推送的視頻資源有效且準(zhǔn)確無(wú)誤。

（3）推送的視頻畫面較為清晰，能夠一定程度延伸列車司機(jī)的目視范圍，并提供列車前進(jìn)方向的線路狀況，對(duì)安全駕駛起到一定輔助作用。

圖6 綜合視頻上車系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

總之，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一方面體現(xiàn)了系統(tǒng)方案可行、有效且具有一定前瞻性，另一方面證實(shí)了開(kāi)展綜合視頻上車系統(tǒng)的相關(guān)研究和試驗(yàn)工作是極具意義的嘗試。未來(lái)，視頻上車系統(tǒng)將與防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)、周界入侵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)［9-10]，將列車運(yùn)行前方視頻智能分析的結(jié)果、防災(zāi)、周界入侵等告警信息傳送到調(diào)度所相關(guān)行車臺(tái)及駕駛室內(nèi)，通過(guò)提供更強(qiáng)大的預(yù)警、報(bào)警功能，推送相關(guān)位置附近的視頻信息，使調(diào)度指揮人員能夠第一時(shí)間掌握隱患情況，司機(jī)能及時(shí)采取措施，停車避險(xiǎn)，真正發(fā)揮視頻上車系統(tǒng)對(duì)鐵路行車安全保障工作的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

圍繞視頻上車業(yè)務(wù)需求分析、系統(tǒng)總體方案和關(guān)鍵技術(shù)3方面，開(kāi)展鐵路綜合視頻上車系統(tǒng)研究，對(duì)充分發(fā)揮鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平和應(yīng)用能力起到一定參考作用。隨著我國(guó)鐵路領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為鐵路技術(shù)的重要組成部分，綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將不斷產(chǎn)生更多應(yīng)用形式，進(jìn)而在鐵路行車指揮、生產(chǎn)組織、客貨運(yùn)輸服務(wù)、作業(yè)監(jiān)控、搶險(xiǎn)救援以及治安防范等領(lǐng)域體現(xiàn)其重要價(jià)值，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。