機(jī)車視頻與LKJ數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)分析軟件設(shè)計(jì)研究

單俊強(qiáng)

（中國(guó)神華能源股份有限公司 神朔鐵路分公司，陜西榆林 719316）

6A視頻與LKJ運(yùn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)分析軟件可以很好地結(jié)合機(jī)車視頻數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)運(yùn)行信息，使得相關(guān)工作人員可以在后期對(duì)機(jī)車視頻數(shù)據(jù)，運(yùn)行情況，故障數(shù)據(jù)，機(jī)車運(yùn)行特殊位置時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確有效地查詢和分析機(jī)車運(yùn)行狀況。目前機(jī)車上6A視頻通道總共有16個(gè)，將16路通道視頻與機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)同步，能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)車視頻與數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)性，并提供項(xiàng)點(diǎn)分析及報(bào)表展示等功能，為處理機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)提供了有效的管理方式，準(zhǔn)確提供機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)情況還原的視頻及機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)。在眾多的多媒體播放器項(xiàng)目中VLC(Video LAN Client)項(xiàng)目是一個(gè)基于流傳輸?shù)拈_(kāi)源視頻項(xiàng)目，集成了FFmpeg(Fast Forword Mpeg)編解碼庫(kù)，獲取簡(jiǎn)單，并有很多開(kāi)源社區(qū)、論壇等提供技術(shù)支持，使得開(kāi)發(fā)起來(lái)更加得心應(yīng)手[1]。本軟件通過(guò)利用VLC開(kāi)源平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將視頻與機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合，編程實(shí)現(xiàn)構(gòu)建一個(gè)基于機(jī)車視頻及運(yùn)行信息的視頻應(yīng)用。主要運(yùn)用于離線回放機(jī)車硬盤中存儲(chǔ)的錄像及相關(guān)行車數(shù)據(jù)等信息，機(jī)車信息涵蓋機(jī)車監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)部分信息，機(jī)車監(jiān)控項(xiàng)點(diǎn)分析信息等數(shù)據(jù)，并且能夠控制播放、暫停、停止、快速播放、減速播放、音量控制的調(diào)節(jié)、截圖及截取視頻等多種播放控制功能，界面簡(jiǎn)明，操作簡(jiǎn)單。

1 6A系統(tǒng)及LKJ介紹

機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱6A系統(tǒng)）是針對(duì)機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)、高壓絕緣、防火、列車供電、視頻、走行部等危及安全的重要事項(xiàng)、重點(diǎn)部件和部位，采用實(shí)時(shí)監(jiān)視、檢測(cè)、報(bào)警并可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、統(tǒng)一固態(tài)存儲(chǔ)和智能人機(jī)界面，整體研究設(shè)計(jì)而形成平臺(tái)化的安全防護(hù)裝置[2]。機(jī)車自動(dòng)視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)（AVDR）是6A系統(tǒng)的一部分，主要功能有對(duì)監(jiān)控路況、司機(jī)室、機(jī)械間等處的視頻圖像進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)與防火系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，視頻圖像存儲(chǔ)和調(diào)用分析[3]。通過(guò)記錄司機(jī)操作、運(yùn)行路況、機(jī)械間圖像等，輔助事故分析，為機(jī)車設(shè)備報(bào)警和事件的分析提供重要視頻圖像依據(jù)。

列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)是我國(guó)自主研發(fā)的列車速度控制系統(tǒng)，是中國(guó)鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)體系的組成部分，具有防止列車冒進(jìn)信號(hào)，運(yùn)行超速和輔助司機(jī)提高操作能力等功能。LKJ數(shù)據(jù)主要為機(jī)車狀態(tài)信息，機(jī)車安全信息，過(guò)站信息等，主要包括列車所在位置、運(yùn)行工況、司機(jī)號(hào)、信號(hào)機(jī)、車站、公里標(biāo)、速度、列車管壓力、進(jìn)出站及信號(hào)燈等信息。該裝置在實(shí)現(xiàn)安全速度控制的同時(shí)，并采集記錄與列車安全運(yùn)行有關(guān)的各種機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息，促進(jìn)機(jī)車運(yùn)行管理自動(dòng)化，為相關(guān)機(jī)務(wù)應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，見(jiàn)圖1。

由于6A系統(tǒng)在機(jī)車安全領(lǐng)域上的重要性以及LKJ數(shù)據(jù)記錄了詳細(xì)的機(jī)車運(yùn)行信息，更好地分析機(jī)車視頻數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)運(yùn)行信息的需求非常強(qiáng)烈，需要有效地對(duì)機(jī)車視頻數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，使得相關(guān)工作人員可以在后期對(duì)機(jī)車運(yùn)行情況，故障數(shù)據(jù)，機(jī)車運(yùn)行特殊位置時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確有效地查詢和分析。

2 系統(tǒng)需求分析

由于機(jī)車視頻格式包含眾多，有多種分辨率，幀率，多種通道音視頻的情況，一般的播放器難以支持其復(fù)雜的情況，需要有更好的解決方案。LKJ分析人員在進(jìn)行LKJ數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，需要同步觀察LKJ事件相關(guān)聯(lián)的機(jī)車視頻，用于輔助分析LKJ事件。由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，導(dǎo)致視頻服務(wù)器上的程序存在各種各樣的問(wèn)題，如機(jī)車存在多個(gè)通道，不同通道且視頻格式還并不統(tǒng)一，播放器播放時(shí)容易存在各種問(wèn)題，故需要對(duì)這種情況進(jìn)行格式統(tǒng)一處理。

FFmpeg作為目前領(lǐng)先的視頻解析、解碼和編碼的開(kāi)源程序，其在視頻解析、解碼和編碼方面有著很大的應(yīng)用，是一款用于記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻和視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為視頻流和音頻流的開(kāi)源工具，這款工具功能非常強(qiáng)大，能夠完成視頻轉(zhuǎn)碼、截圖、視頻剪切等功能。最重要的是FFmpeg編譯成動(dòng)態(tài)庫(kù)或者靜態(tài)庫(kù)的時(shí)候都提供了有著強(qiáng)大功能和簡(jiǎn)易使用的接口，同時(shí)FFmpeg程序支持在Linux和Windows等很多操作系統(tǒng)下的編譯。這兩個(gè)特性就使得目前很多支持主流格式的播放器都是調(diào)用FFmpeg庫(kù)進(jìn)行解析和解碼，如暴風(fēng)影音等[4]。這里也將調(diào)用FFmpeg這個(gè)強(qiáng)大的視頻解析和解碼庫(kù)實(shí)現(xiàn)最底層的視頻格式解析，分析視頻幀數(shù)據(jù)、格式等信息。

視頻文件可以統(tǒng)稱為容器，在容器中將視頻流、音頻流以及字幕等融合在一起形成了視頻文件，為了完成這些工作FFmpeg工具包含有編解碼模塊。該模塊位于Libavcodec中，根據(jù)需要，可以將不同格式的視頻流轉(zhuǎn)換成為需要格式的文件，一般的工作流程為先解碼然后再進(jìn)行相應(yīng)的編碼形成對(duì)應(yīng)格式的文件。幾種常見(jiàn)的視頻格式有MPEG格式、AVI格式、RMVB格式及WMV格式等。一般的播放器僅能支持主流的幾種視頻格式（例如：微軟自帶的Windows Media Player），遇到不支持的格式的視頻文件需要下載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器將文件進(jìn)行轉(zhuǎn)碼[4]。而機(jī)車上的視頻為了節(jié)省存儲(chǔ)空間及加密設(shè)置，對(duì)視頻的格式進(jìn)行了特殊處理，部分播放器不支持對(duì)應(yīng)的格式，不能準(zhǔn)確的將視頻解碼，而VLC視頻播放器解決方案基本支持所有的視頻格式，該播放器基于VLC設(shè)計(jì)，也同樣基本支持大部分的視頻格式，減少了用戶的限制性，從而給客戶帶了方便。

本播放器的主要任務(wù)和目的是播放車載視頻格式文件以及加載相應(yīng)運(yùn)行記錄文件，達(dá)到操作功能簡(jiǎn)潔方便，一目了然，而又不影響日常分析處理的需求。系統(tǒng)按主要功能劃分為以下5個(gè)子系統(tǒng)模塊（見(jiàn)圖2），每個(gè)子系統(tǒng)功能模塊的作用描述如下：

自營(yíng)項(xiàng)目之輪是城投的方向所在，發(fā)展之本.自營(yíng)項(xiàng)目對(duì)保證企業(yè)的獨(dú)立性、可持續(xù)性至關(guān)重要.自營(yíng)板塊大的企業(yè)一定是好企業(yè).自營(yíng)板塊的開(kāi)發(fā)，可以利用指定項(xiàng)目開(kāi)發(fā)形成的無(wú)形資產(chǎn)及特殊資源，起步快；自營(yíng)項(xiàng)目自主性大，可以實(shí)現(xiàn)效益最大化；自營(yíng)項(xiàng)目更容易利用資本市場(chǎng)開(kāi)展經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，讓員工快速實(shí)現(xiàn)財(cái)富增加.就目前來(lái)看，一般的城投公司大多選擇金融板塊，城市商業(yè)區(qū)開(kāi)發(fā)板塊，房地產(chǎn)板塊，建材礦產(chǎn)板塊，城市土地區(qū)塊開(kāi)發(fā)板塊，廣告開(kāi)發(fā)板塊，城市水、電、燃?xì)狻⒐坏裙迷O(shè)施營(yíng)運(yùn)板塊作為發(fā)展方向.只有真正把自營(yíng)板塊做大做強(qiáng)，城投才可以說(shuō)是有實(shí)力，有影響力，是可持續(xù)發(fā)展的.

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

（1）多通道視頻播放。加載視頻后會(huì)在列表顯示相關(guān)視頻信息，包括視頻開(kāi)始時(shí)間，視頻時(shí)長(zhǎng)等?？蓪?duì)播放窗口模式進(jìn)行切換，1、4、6、8、9、10、13、16個(gè)播放窗口顯示，滿足顧客實(shí)際情況需要。

（2）機(jī)車運(yùn)行視頻及數(shù)據(jù)圖表顯示。圖表可顯示當(dāng)前視頻播放進(jìn)度、機(jī)車速度、管壓曲線以及相關(guān)運(yùn)行信息等。可調(diào)節(jié)播放進(jìn)度，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)。

（3）視頻播放控制?？蓪?duì)視頻進(jìn)行播放暫停、快速減速播放、截圖、截取視頻及全屏等操作。

（4）項(xiàng)點(diǎn)分析。分析運(yùn)行記錄文件，通過(guò)項(xiàng)點(diǎn)發(fā)生邏輯判斷項(xiàng)點(diǎn)發(fā)生時(shí)間，視頻可跳轉(zhuǎn)到項(xiàng)點(diǎn)發(fā)生時(shí)間，用戶得以更方便的觀察機(jī)車運(yùn)行情況。

（5）生成機(jī)車運(yùn)行日志報(bào)表。可生成機(jī)車運(yùn)行報(bào)表，包含視頻圖像、機(jī)車數(shù)據(jù)及編寫報(bào)告等。

3 軟件架構(gòu)功能設(shè)計(jì)

本軟件在設(shè)計(jì)上充分考慮到了模塊化指導(dǎo)思想，界面設(shè)計(jì)和后臺(tái)邏輯相分離，主要包含軟件界面模塊、視頻解析模塊、視頻轉(zhuǎn)碼模塊以及數(shù)據(jù)展示模塊（見(jiàn)圖3）。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)車視頻與LKJ數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)性，關(guān)鍵是需要對(duì)機(jī)車視頻信息及LKJ數(shù)據(jù)幀信息的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步，本軟件首先將視頻信息進(jìn)行解析，得到視頻的開(kāi)始時(shí)間及視頻時(shí)長(zhǎng)，再將LKJ數(shù)據(jù)文件解析保存到內(nèi)存中，當(dāng)用戶播放視頻的同時(shí)，將對(duì)應(yīng)時(shí)間下LKJ數(shù)據(jù)幀信息取出，展示到軟件界面的相應(yīng)模塊中，使得分析人員可以在視頻時(shí)間下查看機(jī)車LKJ數(shù)據(jù)，更好地分析機(jī)車運(yùn)行狀況。

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2013，采用其中已安裝模板WPF模塊開(kāi)發(fā)，WPF是目前最為流行的Win?dows桌面程序設(shè)計(jì)框架，程序語(yǔ)言使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所使用的控件、容器、組件、工具欄、菜單欄及對(duì)話框等都是在WPF框架下提供[2，5]。

3.1 主功能界面顯示

圖3 系統(tǒng)流程圖

軟件主界面包含視頻播放窗口，播放控制工具欄，時(shí)間軸，機(jī)車監(jiān)控曲線軸，文件列表，加載文件列表，文件日期統(tǒng)計(jì)列表，機(jī)車監(jiān)控項(xiàng)點(diǎn)列表，機(jī)車數(shù)據(jù)顯示列表。并支持顯示隱藏圖表列表功能。軟件界面主要用于加載錄像文件信息，獲得錄像文件相關(guān)信息，然后用戶可雙擊文件列表，文件日期統(tǒng)計(jì)列表時(shí)間，項(xiàng)點(diǎn)名稱列表的任意視頻文件播放對(duì)應(yīng)錄像視頻。

根據(jù)需求，用戶可直接點(diǎn)擊播放窗口模式切換可進(jìn)行1、4、6、8、9、10、13、16個(gè)播放窗口顯示，可直接觀看相應(yīng)模式下的視頻文件，也可雙擊視頻實(shí)現(xiàn)全屏模式（見(jiàn)圖5）。

通過(guò)選擇的不同模式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)模式下的視頻寬高比，就能得到不同的展示形式，滿足客戶的體驗(yàn)需求[6]。

3.2 視頻時(shí)長(zhǎng)解析

由于要在圖表上顯示出視頻時(shí)長(zhǎng)曲線，但知道開(kāi)始時(shí)間并不夠，所以需要對(duì)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行解析，獲取視頻的時(shí)長(zhǎng)。普通格式的視頻文件解析視頻時(shí)長(zhǎng)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)槠浔旧硇畔⒕妥詭Я藭r(shí)長(zhǎng)信息，可以直接獲取，但是機(jī)車視頻為了節(jié)省空間，在格式上做了特殊處理，對(duì)一些冗余信息未做保存，需要對(duì)視頻流進(jìn)行分析才能獲取視頻的時(shí)長(zhǎng)及各種信息。

為了更好地獲取視頻時(shí)長(zhǎng)信息，采用了FFmpeg獲取視頻信息的方法，利用FFmpeg解析視頻，可以很方便的獲得視頻信息。圖6是FFmpeg解析流程圖，首先會(huì)讀入視頻流，判斷視頻的格式，確定后對(duì)視頻進(jìn)行解碼，獲取其幀信息，包括分辨率、幀率、碼率、總幀數(shù)、時(shí)長(zhǎng)和編碼格式等。

3.3 圖表信息顯示

點(diǎn)擊視頻播放進(jìn)度條可對(duì)播放視頻按照時(shí)間軸進(jìn)行定位，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)位置播放視頻。通過(guò)獲取跳轉(zhuǎn)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間，判斷該時(shí)間點(diǎn)處于整個(gè)視頻的位置，直接改變視頻的Pozition屬性就能實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。圖表上顯示機(jī)車速度、管壓和視頻等信息。并可對(duì)圖表進(jìn)行放大縮小等操作。

圖4 主界面圖

圖5 多畫(huà)面模塊圖

圖6 FFmpeg解析流程圖

時(shí)間軸定位圖如圖7所示。

圖7 時(shí)間軸定位圖

3.4 視頻剪切

當(dāng)視頻開(kāi)始播放時(shí)，點(diǎn)擊菜單欄“操作”→“視頻裁剪”或者按鈕。進(jìn)入視頻剪切界面，選擇裁剪時(shí)間和通道號(hào)開(kāi)始裁剪。可選擇剪切全部通道視頻或單個(gè)通道視頻，并對(duì)視頻時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行選擇。

能實(shí)現(xiàn)剪切視頻文件的工具多種多樣，但往往都需要進(jìn)行視頻重編碼（TransCoding），這就不可避免的帶來(lái)了視頻質(zhì)量上的損耗，轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，不能非常精準(zhǔn)有效地進(jìn)行剪切操作。

在視頻編碼時(shí)，視頻幀一般分為I幀，B幀和P幀。所有視頻開(kāi)始的第一幀都是I幀，之后才是B幀，P幀，I幀只占少數(shù)，主要起的作用是作為后續(xù)幀的參考幀。而一般的工具在視頻剪切時(shí)都會(huì)在有I幀的時(shí)間點(diǎn)剪切，因?yàn)镮幀是起始幀，作為后面幀的參考幀，這樣就不可避免的會(huì)對(duì)時(shí)間有所偏差。而借助FFmpeg可以在不進(jìn)行視頻重編碼的情況下完成此類任務(wù)，并且可以對(duì)剪切時(shí)間點(diǎn)的那幀解碼，使其成為I幀，這樣就能有更加精確地剪切效果。通過(guò)指令“FFmpeg -i input.mp4 -ss**START_TIME** -t **STOP_TIME** -acodec copy-vcodec copy output.mp4”可以高效快速的獲得所需要剪切的視頻。

3.5 項(xiàng)點(diǎn)邏輯分析

機(jī)車項(xiàng)點(diǎn)信息是機(jī)車運(yùn)行重要數(shù)據(jù)，包括開(kāi)車事件，停車事件，監(jiān)控動(dòng)作，側(cè)線運(yùn)行，人為緊急，進(jìn)入調(diào)車，過(guò)分相點(diǎn)，特殊區(qū)域，紅黃信號(hào)，總風(fēng)低壓，監(jiān)控解鎖，繼乘交接，黃燈信號(hào)，減壓制動(dòng)等。

每個(gè)事件都有其對(duì)應(yīng)的邏輯，例如開(kāi)車事件的邏輯為：LKJ裝置開(kāi)車狀態(tài)下，機(jī)車由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)行，速度大于0，當(dāng)速度達(dá)到3 km/h，裝置記錄該時(shí)點(diǎn)前后若干秒，作為開(kāi)車事件。需要在程序中解析記錄文件信息，通過(guò)事件發(fā)生邏輯，判斷事件的發(fā)生時(shí)間點(diǎn)，獲取項(xiàng)點(diǎn)后將其記錄，最終顯示到列表中。用戶可查看發(fā)生的項(xiàng)點(diǎn)信息，并點(diǎn)擊項(xiàng)點(diǎn)后視頻跳轉(zhuǎn)到項(xiàng)點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間播放，解析流程見(jiàn)圖8。

圖8 項(xiàng)點(diǎn)事件解析流程

軟件能夠有效地分析相應(yīng)時(shí)間段下LKJ數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的項(xiàng)點(diǎn)信息，并在視頻區(qū)域及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域有效地展示項(xiàng)點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)的信息，為用戶更好的分析機(jī)車信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用，該視頻播放器能夠較好的實(shí)現(xiàn)6A多路視頻的控制播放與機(jī)車LKJ數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)顯示，有助于工作人員處理好相應(yīng)數(shù)據(jù)分析，生成分析報(bào)告，能夠同時(shí)對(duì)多路多媒體進(jìn)行有效地控制，并實(shí)現(xiàn)顯示文件的時(shí)間長(zhǎng)度，播放的時(shí)間位置，并能夠擁有一定的穩(wěn)定性、兼容性和實(shí)用性。功能相對(duì)完善，基本上支持市面上絕大多數(shù)格式的多媒體，為機(jī)車數(shù)據(jù)分析，安全性能的提高又提供了一層保障。

基于機(jī)車視頻與運(yùn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)分析的視頻解決方案已日漸成熟，能夠基本滿足使用單位需要，使得數(shù)據(jù)分析人員能夠更好的分析機(jī)車相關(guān)數(shù)據(jù)。但隨著需求的日漸提高，未來(lái)對(duì)視頻文件的分析也有更高的需求。基于視頻圖像內(nèi)容分析的需求應(yīng)當(dāng)是未來(lái)鐵路機(jī)車行業(yè)視頻分析中的重點(diǎn)，例如：可以進(jìn)行公里標(biāo)牌識(shí)別，司機(jī)動(dòng)作識(shí)別，特殊動(dòng)作識(shí)別，列車車號(hào)識(shí)別，弓網(wǎng)設(shè)備等。相信圖像及視頻識(shí)別技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的軌道交通領(lǐng)域中大放異彩。