動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控的可視化設(shè)計(jì)方法

張海雁 莊緒明 陳曉輝 李勇序

摘 要：為更好的輔助鐵路安保工作，所有車型的動(dòng)車組都要求在車廂公共區(qū)域設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭。為預(yù)防監(jiān)控設(shè)備裝車后出現(xiàn)的監(jiān)控盲區(qū)，造成大量返工整改問(wèn)題，需要研究開(kāi)發(fā)一種可視化監(jiān)控分析方法。能夠在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)監(jiān)控的范圍及程度，提高車廂視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控;可視化設(shè)計(jì);焦距;視場(chǎng)角;攝像頭;三維模型;盲區(qū)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，視頻監(jiān)控技術(shù)已成為社會(huì)公共安全防范技術(shù)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于金融、交通運(yùn)輸管理、商業(yè)、醫(yī)院、工廠、學(xué)校、住宅小區(qū)等各種安防應(yīng)用領(lǐng)域。而時(shí)至今日，動(dòng)車組已成為當(dāng)下主要的交通工具，是一個(gè)具有流動(dòng)性大、人員高度集中的公共場(chǎng)所;尤其需要運(yùn)用視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)整個(gè)列車的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，方便列車工作人員的安全管理[2-3]。

目前，動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)工作中，因?yàn)榍捌谝曨l監(jiān)控分析不夠清晰、準(zhǔn)確而造成監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題。其整改帶來(lái)大量返工，影響整車生產(chǎn)進(jìn)度及質(zhì)量問(wèn)題。為此，研發(fā)一種可視化監(jiān)控設(shè)計(jì)方法來(lái)提高車廂設(shè)計(jì)質(zhì)量、保證車輛生產(chǎn)效率刻不容緩。

1 視頻監(jiān)控相關(guān)定義及設(shè)備選型

1.1 定義

焦距：指平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。

視場(chǎng)角：以鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物像可通過(guò)鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。

1.2 車廂視頻監(jiān)控設(shè)備選型

目前，動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控設(shè)備主要選用有全景網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)[1]，其主要設(shè)備參數(shù)如下：

1.2.1 全景網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

（1）視場(chǎng)角： 180°;

（2）方位視場(chǎng)角： 360°;

（3）焦距： 1.3 mm～1.4 mm，范圍內(nèi)定焦可選;

（4）道光孔徑： 2.0。

1.2.2 半球網(wǎng)絡(luò)攝像頭

（1）水平視場(chǎng)角 ：>55°;

（2）垂直視場(chǎng)角：> 28°;

（3）焦距： 2.8 mm、4 mm、6 mm 可選;

（4）道光孔徑： 2.0。

半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視場(chǎng)角及焦距示意圖可參見(jiàn)圖1。

2 車廂視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及典型案例

2.1 車廂視頻監(jiān)控要求

動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控要求車廂內(nèi)客室、端部上、下門及小走廊區(qū)域、餐車廚房及吧臺(tái)等公共區(qū)域，要求監(jiān)控清晰、無(wú)死角[1]。

2.2 視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)置

動(dòng)車組上的視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)置如下：在端部小走廊及上、下門區(qū)域、餐車廚房及吧臺(tái)等敞開(kāi)式的公共區(qū)域內(nèi)，選擇視場(chǎng)角廣大、焦距小的全景網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);

在較長(zhǎng)的客室車廂內(nèi)部，選擇視場(chǎng)角小、焦距大的半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)[8]。

2.3 視頻監(jiān)控分析現(xiàn)狀[4-6]

在攝像頭視野角度一定的情況下，攝像頭位置的設(shè)置直接影響著車廂內(nèi)監(jiān)控范圍。由于車廂內(nèi)的還有其他設(shè)備，如吊頂電視、行李架等可能會(huì)出現(xiàn)遮擋問(wèn)題。在設(shè)計(jì)階段，我們會(huì)使用二維CAD進(jìn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)控視角分析，二維分析見(jiàn)圖2，陰影部分為監(jiān)控盲區(qū)。

因二維分析不夠直觀、準(zhǔn)確，有時(shí)無(wú)法發(fā)現(xiàn)視頻監(jiān)控準(zhǔn)確范圍及盲區(qū)問(wèn)題。等到后期車輛調(diào)試階段出現(xiàn)車廂視頻監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題時(shí)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)整改，就會(huì)造成大量返工，直接影響設(shè)計(jì)質(zhì)量及生產(chǎn)進(jìn)度。

2.4 視頻監(jiān)控的典型案例分析

在之前項(xiàng)目中，由于設(shè)計(jì)階段分析不夠清晰、準(zhǔn)確，導(dǎo)致后期車輛調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)一些視頻監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題。主要盲區(qū)問(wèn)題如下，現(xiàn)車監(jiān)控圖像見(jiàn)圖3。

（1）被行李架遮擋，客室端部靠近側(cè)窗側(cè)的乘客，監(jiān)控不到清晰的人臉面部圖像;

（2）被車廂吊頂電視遮擋，靠近端部的乘客，起身站立在門口時(shí)，監(jiān)控不到乘客肩部以上的部位。

解決此監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題，需要重新調(diào)整監(jiān)攝像機(jī)位置。但此時(shí)調(diào)整位置，就必須拆除車廂內(nèi)的頂板、燈具等設(shè)備，甚至需要重新布線。整個(gè)加改過(guò)程會(huì)浪費(fèi)大量人力、物力，還耽誤車輛生產(chǎn)周期。

為此，我們需要開(kāi)發(fā)一種可視化監(jiān)控設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)視監(jiān)控的程度及范圍，提高車輛設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 可視化監(jiān)控設(shè)計(jì)方法

利用現(xiàn)有的CATIA軟件，開(kāi)發(fā)一種可視化監(jiān)控方法。以復(fù)興號(hào)（CR400AF）車廂內(nèi)部半球攝像頭視野分析為例，其具體操作如下。

3.1 搭建車廂內(nèi)裝三維模型

建立車廂內(nèi)裝（如頂板、墻板、端墻、地板等）及車廂內(nèi)設(shè)備布置三維模型，車廂設(shè)備布置應(yīng)包含可能影響攝像頭視野的設(shè)備（如：行李架、吊掛電視、座椅等），對(duì)于前期方案分析，可采用美工發(fā)布的三維模型，建好的車廂三維模型見(jiàn)圖4。

3.2 建立攝像頭視野邊界三維模型

車廂視頻監(jiān)控目前采用半球攝像頭。根據(jù)選定的攝像頭視角參數(shù)，分別定義垂直視角、水平視角邊界曲面及視角中心線;視角中心線可用于調(diào)整垂直方向視線方向，視角邊界曲面設(shè)置為半透明，方便后續(xù)視野分析[10-11]。

3.3 攝像頭在車廂內(nèi)的布置

將攝像頭視野邊界三維模型裝配至車廂內(nèi)裝三維模型中，半球攝像頭一般布置在車廂內(nèi)裝頂板上，采用兩個(gè)攝像頭對(duì)向布置。具體布置如下：

視線與攝像頭視線重合。

通過(guò)攝像頭的視野邊界曲面，并適當(dāng)調(diào)整兩個(gè)攝像頭之間的位置，以消除攝像頭覆蓋范圍的視野盲區(qū)，圖紙中標(biāo)注出的位置。

3.4 視野可視化操作過(guò)程

可視化方法是利用人機(jī)工程中人體模型的視野（Vision）可視化功能，將人體模型的眼睛移至車廂攝像頭位置，模擬仿真攝像頭成像[7]。

（1）選中帶有攝像頭的內(nèi)裝三維模型產(chǎn)品，從開(kāi)始種進(jìn)入“人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析”界面—Human Builder。

（2）通過(guò)如下命令創(chuàng)建人體模型，選默認(rèn)設(shè)置即可，并選中”Camera field of view analysis.product”。

（3）右鍵顯示人眼視線，以用于裝配模型中人眼。

（4）將人眼移至攝像頭透鏡位置，將人眼視線（藍(lán)色線）與攝像頭視角中心線（白色線）進(jìn)行相合約束。此處可借助羅盤坐標(biāo)系對(duì)人體位置進(jìn)行微調(diào)，直至眼視線與攝像頭視角中心線接近重合。

（5）通過(guò)人眼視窗功能，從人眼視角模擬可視化角度，通過(guò)調(diào)節(jié)人眼睛上下、左右角度，可以模擬攝像機(jī)鏡頭上下、左右調(diào)整功能，從而得到整個(gè)車廂客室內(nèi)部的可視化圖像，如圖7所示。

3.5 可視化結(jié)果分析

動(dòng)車組視頻監(jiān)控是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，把中心控制模塊構(gòu)建的數(shù)據(jù)幀上傳到監(jiān)控中心，其成像清晰可辨[9]。我們將與模型分析相同車廂監(jiān)控圖像調(diào)出，將監(jiān)控圖像（圖9）與視頻監(jiān)控分析圖（圖8）進(jìn)行對(duì)比。從車廂監(jiān)控左右范圍、座椅的排數(shù)、內(nèi)端門處高度可以看出，可視化監(jiān)控設(shè)計(jì)效果與實(shí)車監(jiān)控結(jié)果并無(wú)差異。

由此可見(jiàn)，車廂視頻監(jiān)控的可視化設(shè)計(jì)方法對(duì)于車輛的視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)工作大大裨益。

4 結(jié)束語(yǔ)

人類在進(jìn)步，科技在發(fā)展;同樣伴隨著快速發(fā)展的腳步，一些涉及安全的危險(xiǎn)性事件也在不斷發(fā)生。動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控作為鐵路安保工作一個(gè)重要組成部分，勢(shì)必要與時(shí)俱進(jìn)。為了適用快節(jié)奏的發(fā)展腳步，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、避免返工性設(shè)計(jì)加改是每個(gè)設(shè)計(jì)師努力的保持方向。而利用現(xiàn)有資源，視頻監(jiān)控可視性設(shè)計(jì)方法的研發(fā)是具有代表性的一個(gè)階段性提升。

在3D設(shè)計(jì)盛行的時(shí)代，動(dòng)車組雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、包含設(shè)備繁多，但是也在大力發(fā)展整車的3D設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出可視化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，為后續(xù)出產(chǎn)高質(zhì)量、高品質(zhì)的動(dòng)車組提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]庫(kù)亞斌，李大峰，徐輝，等.TJ/CL408-2015，動(dòng)車組車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件[S].2015，

[2]劉勇.列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào)，2015，51（3）：57-60.

[3]錢家強(qiáng).鐵路客車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鐵路，2016（6）：85-87.

[4]陳爽.廣州地鐵新線車廂視頻監(jiān)控方案分析[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，23（5）：63-64.

[5]任佳.軌道交通車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案[J].中國(guó)鐵路，2011（10）：38-41.

[6]孔令鑫.鐵路客車車載視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方案探討[J].中國(guó)安防，2015（10）：99-102

[7]李明智，錢雪軍.地鐵列車車載監(jiān)控顯示系統(tǒng)的仿真研究[J].城市軌道交通研究，2012，15（2）：96-99.

[8]王雙全，張賢凱.動(dòng)車組視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，13（23）：2-3.

[9]張金鋒，朱巖，韓國(guó)盛.基于GPRS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信可靠性研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011（12）：23-26.

[10]楊昊亞.基于CATIA平臺(tái)的鐵道車輛車軸參數(shù)化CAD系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué)，2017，

[11]康瑞婷.基于CATIA的客車駕駛室人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)與研究[D].河北工程大學(xué)，2015，