列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)

劉 勇

我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來大量的鐵路客流，出行人數(shù)連年翻番。列車人員流動(dòng)大，出現(xiàn)問題排查難度大，收集證據(jù)不足，有些犯罪分子在列車上流竄作案，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來危險(xiǎn)。為此研制列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)，建立覆蓋列車所有車廂的網(wǎng)絡(luò)通道，將車廂現(xiàn)場圖像傳送到列車監(jiān)控中心，對列車所有車廂狀況進(jìn)行監(jiān)控，有效防范列車上犯罪的發(fā)生，改善列車治安環(huán)境。

1 方案設(shè)計(jì)

列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由安裝在車廂的圖像采集系統(tǒng)、列車監(jiān)控中心、車－地信息傳輸通信平臺組成。列車上所有車廂配備相應(yīng)的攝像機(jī)，將各車廂現(xiàn)場圖像傳送到列車監(jiān)控中心；列車監(jiān)控中心可對車廂內(nèi)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在列車進(jìn)站時(shí)利用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)向各個(gè)基站發(fā)送系統(tǒng)數(shù)據(jù)；鐵路局監(jiān)控中心配備相應(yīng)的圖像監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件，接收處理列車車廂現(xiàn)場圖像。列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，設(shè)備原理如圖2所示。

圖1 列車無線監(jiān)控系統(tǒng)原理拓?fù)鋱D

圖2 列車車廂視頻監(jiān)控設(shè)備原理圖

1．1 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)包括監(jiān)控?cái)?shù)字?jǐn)z像機(jī)、各類報(bào)警輸入／輸出裝置。在各車廂配備相應(yīng)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，采集各車廂現(xiàn)場視頻信號，自動(dòng)處理成數(shù)字信號，通過無線／有線傳輸送到列車監(jiān)控中心。

1．2 列車監(jiān)控中心

列車監(jiān)控中心位于乘警所在的車廂，由監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控終端、視頻服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)等組成。主要完成現(xiàn)場圖像接收與顯示，以及錄像的存儲、檢索、回放、備份和恢復(fù)等。視頻服務(wù)器對監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)采集的視頻信號進(jìn)行處理，傳到監(jiān)控服務(wù)器上，通過顯示器匯集每節(jié)車廂提供的監(jiān)控視頻圖像。監(jiān)控服務(wù)器安裝相關(guān)監(jiān)控軟件，可對各車廂的攝像機(jī)、視頻服務(wù)器進(jìn)行管理，同時(shí)擔(dān)負(fù)錄像報(bào)警等功能。通過顯示器可以同時(shí)顯示9～16個(gè)攝像機(jī)畫面。在監(jiān)控中心可以通過顯示器觀看到多個(gè)車廂現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)的圖像?，F(xiàn)場傳回的視頻圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲在監(jiān)控服務(wù)器上，方便資料的存儲、更新、查詢、備份，為執(zhí)法工作提供線索和依據(jù)。

1．3 通信平臺

系統(tǒng)通信平臺由監(jiān)控中心軟件及各個(gè)車站視頻終端組成，通過無線網(wǎng)或鐵路專線組成，可將站內(nèi)所采集到的信息通過這套平臺進(jìn)行交互。后臺系統(tǒng)由大屏幕電視、硬盤錄像機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備組成，將采集視頻顯示在大屏幕電視上。工作人員可以了解各監(jiān)控點(diǎn)的情況，出現(xiàn)問題及時(shí)分析、處理。

監(jiān)控中心軟件具有以下功能。

1．定位功能。通過列車GPS實(shí)現(xiàn)定位，監(jiān)控軟件可以了解該列車的運(yùn)行狀況及到達(dá)晚點(diǎn)等多種信息。

2．?dāng)?shù)據(jù)錄制功能。可以將列車運(yùn)行過程進(jìn)行錄制，留取備案資料。

3．回放功能。車上出現(xiàn)問題，如偷盜，可以通過后臺反復(fù)播放，確定情況，方便解決問題。

4．視頻切換功能。通過切換選擇要觀看的車次，了解運(yùn)行狀況。

5．索引功能。各個(gè)站發(fā)送的列車數(shù)據(jù)直接匯總到后臺監(jiān)控中心，根據(jù)車次、時(shí)間等信息進(jìn)行索引，便于隨時(shí)調(diào)閱查看。

6．?dāng)帱c(diǎn)續(xù)傳功能。由于列車在各個(gè)車站的停車時(shí)間不同，需要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)比較大，數(shù)據(jù)沒有傳完可在下個(gè)站從斷點(diǎn)處繼續(xù)回傳，保證數(shù)據(jù)的完整性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在旅客列車上安裝監(jiān)控系統(tǒng)，很多問題需要解決，最主要的是視頻信號傳輸問題，也就是車廂采集的圖像如何傳到列車監(jiān)控中心，列車監(jiān)控中心如何把圖像傳到車站。

2．1 車－地?zé)o線鏈路

列車上的無線數(shù)據(jù)傳輸屬于串形結(jié)構(gòu)，在控制投資成本情況下，帶寬應(yīng)滿足每節(jié)車廂固定攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸，以及移動(dòng)工作站的圖像實(shí)時(shí)查看；列車屬于移動(dòng)交通工具，當(dāng)每列列車進(jìn)站及停止運(yùn)行時(shí)，站臺網(wǎng)橋設(shè)備能識別列車的用戶端網(wǎng)橋，使車上數(shù)據(jù)能及時(shí)傳送到車站值班室?；谝陨峡紤]，采用無線網(wǎng)橋來實(shí)現(xiàn)。

圖3 設(shè)備連接示意圖

實(shí)施時(shí)，在車站值班室樓頂安裝3臺AP設(shè)備，180°網(wǎng)橋覆蓋。這可為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容提供通道，解決不同網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)帶寬及執(zhí)行網(wǎng)段劃分等協(xié)議。AP與車站站臺的中繼設(shè)備連接，與列車頂上的1臺中繼設(shè)備連接，在監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)、專線將站內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到路局指揮中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。車－地設(shè)備連接如圖3所示。

2．2 車廂無線鏈路

假設(shè)列車中有10個(gè)運(yùn)載旅客的車廂，每個(gè)車廂安裝2個(gè)攝像機(jī)，需要將20個(gè)攝像機(jī)的20路視頻信號送到車廂監(jiān)控中心，再由車廂監(jiān)控中心送到車頭上的無線網(wǎng)橋。由于每列車的車廂和車廂數(shù)量不固定，特別是在節(jié)假日期間，需要根據(jù)運(yùn)營需要重新編組，監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠根據(jù)列車編組情況的變化隨時(shí)增加或減少監(jiān)測點(diǎn)。列車結(jié)構(gòu)上相對穩(wěn)定的最小單位是車廂，車廂之間采用有線網(wǎng)絡(luò)布線難度較大，有線傳輸電纜的切換將是一個(gè)大難題，很難保證整列列車傳輸長期、穩(wěn)定、可靠的工作，列車車廂之間只能采取無線鏈路傳輸方式。

無線鏈路傳輸方式，可以解決重新編組的兼容和管理問題。在不破壞車廂原有結(jié)構(gòu)的情況下，將多個(gè)車廂的監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)控中心連接起來，建立鏈路；需要更換或增減車廂時(shí)，可以在最短時(shí)間內(nèi)增減監(jiān)測點(diǎn)。為了保證列車與車站傳輸視頻壓縮文件的穩(wěn)定性，必須有足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬。無線鏈路傳輸方式可采用點(diǎn)對多點(diǎn)連接，也可采用點(diǎn)對點(diǎn)連接，還可以采用電力線傳輸方式。

2．2．1 點(diǎn)對多點(diǎn)無線連接

采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式，通過無線寬帶接入設(shè)備，建立覆蓋沿途基站及列車各車廂的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)。每列列車選擇一節(jié)車廂作為車廂監(jiān)控中心，一般選擇位于列車中部的乘警值班車廂，兩邊的信號相向傳輸。再通過無線發(fā)射設(shè)備連接各沿途基站點(diǎn)。在車廂監(jiān)控中心安裝2個(gè)AP無線中心站，每節(jié)車廂監(jiān)測點(diǎn)安裝一個(gè)覆蓋設(shè)備AP。中心站采用360°覆蓋技術(shù)，以保證在彎道行駛狀態(tài)時(shí)也能夠接收到各車廂發(fā)射過來的信號。通過AP的橋接設(shè)備連接12個(gè)車廂接入點(diǎn)，各車廂接入點(diǎn)以共享方式分享2個(gè)中心站設(shè)備提供的總信道帶寬。列車各監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控中心無線連接如圖4所示。

圖4 列車各監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控中心無線連接示意圖

2．2．2 點(diǎn)對點(diǎn)無線連接

采用點(diǎn)對點(diǎn)連接的方案，將傳輸線路在靠車廂兩頭安裝的2個(gè)無線網(wǎng)橋進(jìn)行連接。而車廂內(nèi)采用有線傳輸方式，在車廂內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，并用電纜連接攝像機(jī)和位于一節(jié)車廂兩端的無線網(wǎng)橋，每列列車選擇一列車廂作為監(jiān)控中心，監(jiān)控中心一般設(shè)于列車的中部，兩邊的信號相向傳輸。在各節(jié)車廂兩端的連接處安裝無線網(wǎng)橋，利用網(wǎng)橋自帶天線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)橋接，無線傳輸系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 列車點(diǎn)對點(diǎn)無線組網(wǎng)連接示意圖

可以看出，點(diǎn)對點(diǎn)方式，需要每節(jié)車廂安裝2個(gè)無線網(wǎng)橋設(shè)備，車廂內(nèi)部還需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，而采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式，每列車廂只需配置一個(gè)無線終端站設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)接入，完全不需要任何有線連接方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，減少工作量，節(jié)省費(fèi)用，而且可靠性較高，因此建議采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式組網(wǎng)。

無線連接技術(shù)已經(jīng)普及，系統(tǒng)穩(wěn)定、易操作，安裝施工方便，不用破壞原有車廂結(jié)構(gòu)，車體變動(dòng)時(shí)擴(kuò)展靈活。但是列車運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生不確定因素，比如氣流對無線傳輸?shù)母蓴_，會車時(shí)干擾信號，而且投入成本比較高。

2．2．3 電力線傳輸

使用車內(nèi)電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。各節(jié)車廂監(jiān)測點(diǎn)安裝一臺電力調(diào)制解調(diào)器，將監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)通過RJ45連接到電力調(diào)制解調(diào)器上，通過列車原有的電源線直接送回車廂監(jiān)控中心。在車廂監(jiān)控中心安裝1臺電力橋，中心站采用覆蓋技術(shù)，將所有電源的通信放入一個(gè)網(wǎng)段，以4Gb／s的OFDM調(diào)制方式，充分利用有限的頻帶資源，保證數(shù)據(jù)傳輸。中心站和遠(yuǎn)端站設(shè)備都提供RJ45以太網(wǎng)接口，用于連接監(jiān)控中心的交換機(jī)、視頻服務(wù)器。這種結(jié)構(gòu)的車體整體示意圖如圖6所示。

無線網(wǎng)絡(luò)比電力線通信技術(shù)相對成熟，但無線通信設(shè)備成本投入較大，是電力線通信的2～4倍，而且電力線傳輸避免了會車情況下的無線傳輸信號干擾，所以可以采用電力線通信方式。

3 應(yīng)用前景

列車車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝后，可對列車行駛過程中的數(shù)據(jù)及異常情況進(jìn)行記錄，并在進(jìn)站時(shí)傳送到當(dāng)?shù)剀囌?，再傳送到鐵路局監(jiān)控中心，使鐵路局了解到列車的運(yùn)行狀況，保證鐵路運(yùn)營的安全性。本系統(tǒng)不僅可以傳送音視頻數(shù)據(jù)，還可以傳送黑匣子中的重要數(shù)據(jù)及列車多媒體廣播等信息，其他數(shù)據(jù)如軸溫、壓力等信息也可通過這個(gè)系統(tǒng)直接傳送出來，避免插拔IC卡帶來的不安全。

由于鐵路客車的特殊環(huán)境，整個(gè)列車車廂與車廂之間的通信通路只有電源線和廣播線2個(gè)通道，不能按照常規(guī)布線方式解決通信問題 （如同軸線、雙絞線布線方式）。采用電力線的通信方式，解決了在列車上常規(guī)網(wǎng)絡(luò)布線方式的不便，在國鐵內(nèi)進(jìn)行了多次模擬列車環(huán)境試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)列車車廂視頻監(jiān)視。在列車上使用電力調(diào)制解調(diào)器，與無線傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，將車上、車下有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整傳輸，使信息傳輸快捷、簡便。利用視頻技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)將信號及時(shí)的反饋給列車值班室乘警，實(shí)現(xiàn)了視頻回訪功能，縮短工作時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

隨著我國鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路客運(yùn)管理也必然是由粗放型轉(zhuǎn)向科技型，落后的管理方式必將不斷被越來越先進(jìn)的管理方式取代。列車車廂監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)推廣，順應(yīng)科技潮流，提高鐵路列車安全管理水平，以低投入、高效益為宗旨，對鐵路客車安全運(yùn)輸管理升級是一個(gè)突出貢獻(xiàn)，將有效地提高鐵路客運(yùn)管理水平和穩(wěn)定鐵路客運(yùn)治安秩序，促進(jìn)鐵路客運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

圖6 采用電力線傳輸?shù)能圀w整體圖

［1］ 丁道齊．把握世界通信發(fā)展趨勢，確立電力通信發(fā)展戰(zhàn)略［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（12）：1－7

［2］ 張保會，陳長德，劉海濤．電話、電腦、電力的"三網(wǎng)合一"概念與實(shí)現(xiàn)技術(shù)［J］．繼電器，2000，28（9）：1－6．

［3］ 劉海濤，陳長德，張保會．低壓電力線通信傳輸環(huán)境研究［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21（9）：14－17．

［4］ 王喬晨，郭靜波，王贊基．低壓配電網(wǎng)電力線高頻噪聲的測量與分析［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（1）：18－21

［5］ 邱玉春，徐平平．低壓電力線載波信道特性分析［J］．電力系統(tǒng)通信，1999（6）：48－49．

［6］ 高鋒；董亞波等．低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（7）：36－40．