機務(wù)5G數(shù)據(jù)傳輸及視頻數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

張代昌

摘 要：本文剖析了當(dāng)前搭載6A系統(tǒng)的和諧型電力及內(nèi)燃機車視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲存在的問題，利用5G技術(shù)構(gòu)建視頻轉(zhuǎn)儲方案，同時通過視頻分析技術(shù)智能分析車載視頻中的司機動作，并實現(xiàn)判別結(jié)果與LKJ數(shù)據(jù)的聯(lián)動。此方案在哈爾濱機務(wù)段和諧內(nèi)燃型機車50142上進行了測試，下載速率可穩(wěn)定達到1.13 Gbps，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)高速傳輸，并準確識別視頻中司機相應(yīng)的動作，滿足了現(xiàn)場的實際應(yīng)用。因此本文中的設(shè)計方案可以實現(xiàn)機車6A視頻的高速轉(zhuǎn)儲及視頻分析工作。同時也為鐵路其他部門大數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲分析類工作提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：機車6A;高速轉(zhuǎn)儲;5G;視頻分析;LKJ數(shù)據(jù)聯(lián)動

1 研究背景與目的

在“交通強國，鐵路先行”的大環(huán)境下，隨著鐵路改革的不斷深化和機務(wù)事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對交通運輸?shù)囊笠苍絹碓礁?。只有提升鐵路技術(shù)水平，才能促進鐵路企業(yè)提高安全、生產(chǎn)和經(jīng)營方面的效益，進而提升區(qū)域市場競爭力。機務(wù)系統(tǒng)是鐵路運輸系統(tǒng)的主要行車部門，負責(zé)鐵路機車的運營、維護和檢修工作。如何通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)儲大量視頻并智能分析機車視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)來規(guī)避行車安全風(fēng)險一直是機務(wù)部門研究的技術(shù)課題之一，也同樣是鐵路保障行車安全的技術(shù)突破。

為了滿足快速發(fā)展的鐵路需求，實現(xiàn)快速、智能、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲分析平臺，本文研究利用5G和視頻分析的高新技術(shù)，構(gòu)造機務(wù)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)分析、作業(yè)監(jiān)控、安全預(yù)警等方面集數(shù)字、信息、智能、標準的一體化平臺。

2 調(diào)研結(jié)果及分析

機車運行過程中，產(chǎn)生大量的6A監(jiān)測數(shù)據(jù)，機車回到機務(wù)段需轉(zhuǎn)儲到地面分析系統(tǒng)?，F(xiàn)有機務(wù)段使用“U盤轉(zhuǎn)儲+人工分析”的方式對數(shù)據(jù)進行存儲和分析。但由于車載數(shù)據(jù)越來越大，這種方式存在一定的安全風(fēng)險。一是U盤損壞率高，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或人為破壞的問題，這不僅造成了經(jīng)濟損失，同時也喪失了行車安全分析的數(shù)據(jù)支撐;二是視頻數(shù)據(jù)無法做到全分析。由于車載視頻數(shù)據(jù)過大，人工只能采用抽檢的方式對視頻進行分析，這在一定程度上產(chǎn)生了視頻分析的盲區(qū);三是沒有對行車監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析利用。目前各機務(wù)段只是人工利用LKJ的時間節(jié)點數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)進行比對分析，沒有實現(xiàn)自動的聯(lián)動分析。

3 研究內(nèi)容

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由車上設(shè)備和地面設(shè)備組成，車上設(shè)備包括車載網(wǎng)關(guān)、華為車載天線，地面設(shè)備包括華為接收天線、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器。

3.2 功能設(shè)計

3.2.1 車地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲

本系統(tǒng)采用5G無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)機車視頻圖像的車地數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲。機車一個交路所產(chǎn)生的視頻圖像數(shù)據(jù)最大為30G，5G天線的理論傳輸速度可以達到1.5 Gbps，實測數(shù)據(jù)傳輸速度可以穩(wěn)定達到1.13 Gbps（140 M/s），將機車視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至地面服務(wù)器在3～5分鐘內(nèi)即可完成。

3.2.2 地面視頻數(shù)據(jù)存儲功能

系統(tǒng)需要將大量的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至地面服務(wù)器，并進行存儲。要求交換機和服務(wù)器為萬兆端口，交換機、服務(wù)器、地面基站通過光纖連接，服務(wù)器存儲硬盤使用固態(tài)硬盤以保證數(shù)據(jù)存儲寫入的高效性。

3.2.3 司機標準化作業(yè)分析

本系統(tǒng)采用視頻分析技術(shù)，通過比對LKJ數(shù)據(jù)分析機車視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機車司機行為規(guī)范性進行自動、全面、智能審核。利用深度學(xué)習(xí)算法，對打電話、偏頭、平躺睡覺等違規(guī)行為進行監(jiān)控，同時比對LKJ行車時間對手比、確認、握拳、探身、站立等規(guī)范動作進行分析，通過視頻數(shù)據(jù)的分析大大提升了機務(wù)工作效率和安全管理能力。

3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)安全措施

（1）系統(tǒng)搭建在5G專用無線網(wǎng)絡(luò)與專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上，不與鐵路內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連通，從根本上保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（2）系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間架設(shè)防火墻，杜絕了從外部侵入系統(tǒng)服務(wù)器的可能性。

（3）為了防止線路竊取，保證網(wǎng)絡(luò)會話完整性，將所有需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、文件、口令和控制信息進行加密。對于接收數(shù)據(jù)方在客戶端和服務(wù)器上要進行身份認證，只有提供有效的安全密碼、信息卡，通過驗證后才能獲取數(shù)據(jù)信息。

（4）定期進行網(wǎng)絡(luò)安全漏洞掃描，及時發(fā)現(xiàn)未知漏洞并且及時修補已發(fā)現(xiàn)的漏洞。

（5）視頻分析查看終端和數(shù)據(jù)分析查看終端安裝殺毒及木馬查殺軟件，及時查殺病毒和木馬，及時下載和安裝補丁程序。

（6）做好移動介質(zhì)使用防護，在使用前必須進行殺毒。

3.4 研究的創(chuàng)新點

3.4.1 5G技術(shù)

本天線為軌道交通行業(yè)定制版天線，采用高頻毫米波，頻段在57 GHz～64 GHz，遠離民用5G頻段（6 GHz以下），因此干擾小。而本頻段由于頻譜資源豐富，信道帶寬大，根據(jù)香農(nóng)定理其信道容量也更大，傳輸速度更快。

香農(nóng)定理：

C：信道容量;

B：信道寬帶;

s/n：信噪比。

5G高速傳輸應(yīng)用的天線為相控陣天線。相控陣天線技術(shù)最早用于相控陣雷達，不同于機械掃描雷達通過天線轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)電磁波定向發(fā)送，相控陣雷達通過信號單元發(fā)射不同相位的電磁波相互耦合實現(xiàn)不同方向的傳播。與傳統(tǒng)陣列天線相比，擺脫了機械掃描的模式，具有跟蹤速度快、可以同時跟蹤多個目標的特點。

相控陣天線中關(guān)鍵部件為微處理器和移相器。微處理器接收到包含通信方向的控制信息后，計算出各個移相器的相移量，然后通過天線控制器來控制饋電網(wǎng)絡(luò)完成移相過程。由于移相能夠補償同一信號到達各個不同陣元而產(chǎn)生的時間差，所以此時天線陣的輸出同相疊加達到最大。一旦信號方向發(fā)生變化，只要通過調(diào)整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向做相應(yīng)的變化，從而實現(xiàn)波束掃描和跟蹤。

3.4.2 視頻轉(zhuǎn)儲網(wǎng)關(guān)

視頻轉(zhuǎn)儲網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有良好的數(shù)據(jù)處理能力、可靠性和穩(wěn)定性。靈活拓展的軟硬件架構(gòu)可實現(xiàn)良好的業(yè)務(wù)拓展性。同時網(wǎng)關(guān)適用于多種類型機車部署應(yīng)用。網(wǎng)關(guān)提供多種接口，包括工業(yè)級的萬兆和千兆數(shù)據(jù)接口，USB接口和其他擴展業(yè)務(wù)接口，提供高功率的POE電源輸出，采用標準架構(gòu)設(shè)計，使其方便與機車安裝部署。

車載網(wǎng)關(guān)高度集成處理器、內(nèi)存、SSD硬盤、2.5GbE網(wǎng)卡、1GbE網(wǎng)卡。在LINUX系統(tǒng)上進行車載網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)加密、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)完整性校驗的功能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、完整和安全。

3.4.3 視頻分析算法

本系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)進行智能分析，通過深度學(xué)習(xí)算法進行動作識別，并選用Yolov3算法進行圖像特征提取以保證分析速度。

Yolov3首先將圖像分割成256*256像素的矩陣，通過多次卷積算法將圖像分割成13*13像素的矩陣，將得到的矩陣與深度學(xué)習(xí)模型進行比對，提取目標區(qū)域。在目標區(qū)域提取后，將區(qū)域內(nèi)矩陣與深度學(xué)習(xí)模型進行深度對比，通過設(shè)置成功率（本系統(tǒng)設(shè)置為50%），將識別出的結(jié)果返回。

系統(tǒng)對打電話、偏頭、平躺睡覺等違規(guī)行為進行監(jiān)控，同時比對LKJ行車時間對手比、確認、握拳、探身、站立等規(guī)范動作進行分析，大大提升了機務(wù)工作效率和安全管理能力。

4 結(jié)論

基于上述分析，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）通過5G天線可以做到3分鐘內(nèi)將機車一個交路所產(chǎn)生的視頻文件轉(zhuǎn)儲至地面服務(wù)器，相較于之前U盤轉(zhuǎn)儲的方式減輕了駕駛員的勞動量，并且保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的穩(wěn)定性和安全性，也減少了設(shè)備損壞所帶來的經(jīng)濟損失。

（2）通過視頻分析算法識別可以對駕駛員及行車數(shù)據(jù)起到很好的識別監(jiān)控作用，相較于之前人工抽查的方式，在效率上有了很大的提高。

參考文獻：

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