基于高清圖像的鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)

崔圣青

（濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南通信段，山東 濟(jì)南 250000）

基于高清圖像的鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)

崔圣青

（濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南通信段，山東 濟(jì)南 250000）

結(jié)合鐵路應(yīng)急通信產(chǎn)品本身的特點(diǎn)以及鐵路對高清應(yīng)急通信系統(tǒng)的需求，著重就高清應(yīng)急通信系統(tǒng)的組成方案、關(guān)鍵功能單元設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)和原理等方面進(jìn)行闡述。在現(xiàn)有應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行新技術(shù)的嘗試和應(yīng)用，對應(yīng)急通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了鐵路安全運(yùn)營的需要，降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，又可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康模瑸楦咔鍛?yīng)急通信系統(tǒng)在鐵路的大規(guī)模推廣積累經(jīng)驗(yàn)。

鐵路；應(yīng)急通信；高清；HDMI；COFDM；多機(jī)位；平臺融合

隨著我國鐵路的持續(xù)發(fā)展，鐵路安全保障的壓力也越來越大，如何更快速、更精細(xì)、更果斷、更具有針對性地處置突發(fā)事件，顯得尤為重要。

應(yīng)急通信系統(tǒng)是應(yīng)對鐵路突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)快速、有效應(yīng)急救援的綜合指揮系統(tǒng)。但目前鐵路已建成并運(yùn)行多年的應(yīng)急通信系統(tǒng)存在圖像分辨率低、信息來源單一、反應(yīng)時(shí)間長、現(xiàn)場操控復(fù)雜等問題，且無法實(shí)現(xiàn)指揮中心對事故現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[1-2]。針對上述問題，結(jié)合科研實(shí)踐，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于高清圖像的鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)（簡稱高清應(yīng)急通信系統(tǒng)）。

1 系統(tǒng)方案

高清應(yīng)急通信系統(tǒng)由應(yīng)急通信現(xiàn)場系統(tǒng)、傳輸通道和應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)3部分組成。應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)硬件包含調(diào)度服務(wù)器、視頻服務(wù)器、錄音錄像服務(wù)器、視頻代理網(wǎng)關(guān)、語音網(wǎng)關(guān)、視頻解碼器、交換機(jī)等主要設(shè)備，以及顯示終端、電話等輔助設(shè)備。軟件主要是指應(yīng)急指揮中心操作平臺。

現(xiàn)場系統(tǒng)主要包括高清單兵包、綜合無線接入臺、多機(jī)位視頻采集系統(tǒng)，以及數(shù)碼攝像機(jī)、筆記本、查線機(jī)、無線專用手機(jī)、野戰(zhàn)光纜、光收發(fā)器、數(shù)碼發(fā)電機(jī)、照明設(shè)備等輔助設(shè)備。為適應(yīng)現(xiàn)場需要，可配置野戰(zhàn)光纜以延長綜合無線接入臺的距離。高清應(yīng)急通信系統(tǒng)方案見圖1。

2 高清單兵包設(shè)計(jì)

單兵包的主要用途是動(dòng)態(tài)圖像的采集，經(jīng)過編碼后由發(fā)射板、功率放大器等將信號經(jīng)過單兵天線發(fā)出，設(shè)備自帶電池供電。單兵包原理見圖2。設(shè)計(jì)要求

圖1 高清應(yīng)急通信系統(tǒng)方案

如下：

無線通信距離：≥1 km；

質(zhì)量：≤6 kg；

發(fā)射功率：＜2 W；

IP防護(hù)等級：IP54；

其他要求：提供背包等[3]。

圖2 單兵包原理

2.1 信號源選擇

高清應(yīng)急通信的單兵包設(shè)計(jì)依然采取上述原理框圖的設(shè)計(jì)思想，首先從信號源輸入處進(jìn)行設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)單兵包采用攝像機(jī)的AV端口輸出，AV端口傳輸?shù)氖且环N亮度/色度（Y/C）混合的視頻信號，仍然需要顯示設(shè)備對其進(jìn)行亮/色分離和色度解碼才能成像，這種先混合再分離的過程必然會(huì)造成色彩信號的損失，色度信號和亮度信號也會(huì)有很大的機(jī)會(huì)相互干擾，從而影響最終輸出的圖像質(zhì)量，即使后端設(shè)備對信號進(jìn)行加工處理，也很難達(dá)到非常理想的圖像顯示質(zhì)量。

在設(shè)計(jì)高清信號輸入口方面，充分考慮了數(shù)字視頻接口（DVI）與高清晰度多媒體接口（HDMI）的區(qū)別。單從分辨率上考慮：HDMI接口支持3 840×2 160，24 Hz/25 Hz/30 Hz；4 096×2 160，24 Hz分辨率。新規(guī)格支持4 096×2 160分辨率，使得HDMI界面得以用數(shù)字影院所采用的同等標(biāo)準(zhǔn)分辨率的內(nèi)容傳輸。而雙通道DVI接口只能支持到2 560×1 600分辨率。另外，HDMI擁有更高的刷新率：在同樣1 920×1 080分辨率的模式下，HDMI1.3提供165 Hz刷新率，比雙通道DVI接口的120 Hz刷新率更高。

因此，在同樣一臺數(shù)碼攝像機(jī)高清信號輸出的情況下，單兵設(shè)備選擇HDMI接口輸入比選擇DVI口輸入，能更大程度地確保信號的高清質(zhì)量。

2.2 編碼采取COFDM調(diào)制技術(shù)

編碼正交頻分復(fù)用（COFDM）是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)之一。其基本原理是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。

發(fā)射板的設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的COFDM調(diào)制技術(shù)、信道編解碼技術(shù)、差錯(cuò)控制技術(shù)，結(jié)合H.264視頻壓縮編碼技術(shù)，能在高速移動(dòng)和非視距環(huán)境下實(shí)現(xiàn)視頻的高質(zhì)量無線傳輸。同時(shí)，通過進(jìn)一步優(yōu)化功率放大器的性能，在不增加高清單兵包發(fā)射功率的情況下，確保無線傳輸距離不低于1 km。

高清單兵包主要承擔(dān)了鐵路應(yīng)急現(xiàn)場、自然災(zāi)害、施工現(xiàn)場等的視頻采集、無線回傳等功能，增加了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的自由度和靈活性，滿足了“最后1 km”的傳輸問題。

高清單兵包的設(shè)計(jì)，從源頭上確保了圖像的傳輸質(zhì)量，是高清應(yīng)急系統(tǒng)研發(fā)工作的關(guān)鍵。

3 綜合無線接入臺設(shè)計(jì)

綜合無線接入臺在應(yīng)急現(xiàn)場設(shè)備中負(fù)責(zé)圖像的接收和分發(fā)、語音功能的集成、不同傳輸?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

3.1 高清視頻信號接收處理

高清應(yīng)急通信系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)中，綜合無線接入臺設(shè)計(jì)是重要工作之一。綜合無線接入臺其中一項(xiàng)重要的功能是將高清單兵包傳遞過來的高清視頻信號接收處理，配以高清編碼器，對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。綜合無線接入臺接收來的高清信號，鑒于HDMI接口的優(yōu)勢，在接收模塊和高清編碼器之間同樣采用HDMI接口傳輸。此部分功能模塊配合高清單兵包，能夠在1 km范圍對高清單兵包傳輸來的高清信號進(jìn)行本地接收，本地可以在配備的筆記本電腦上用專用的圖像預(yù)覽軟件，對傳輸圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。再配以一定帶寬的傳輸通道，應(yīng)急指揮中心接收到高清圖像畫面就不存在問題。綜合無線接入臺的動(dòng)圖接收設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 綜合無線接入臺的動(dòng)圖接收設(shè)計(jì)

該模塊的研發(fā)，是此次高清應(yīng)急通信系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)，除了需要進(jìn)行隔離防干擾等處理措施外，其他功能參考標(biāo)清應(yīng)急通信的設(shè)計(jì)。

3.2 語音功能的集成

在綜合無線接入臺內(nèi)部集成了語音模塊，主要提供4部有線電話和4部無線電話的通話功能。系統(tǒng)配備了8FXS口語音接入網(wǎng)關(guān)，注冊在應(yīng)急指揮中心語音網(wǎng)關(guān)服務(wù)器上，由服務(wù)器下發(fā)8路電話號碼，同時(shí)中心端賦予各路電話相應(yīng)的權(quán)限（如撥打路電等）。8路FXS模擬端口的語音網(wǎng)關(guān)的前4路直接接4部有線電話，后4路與無線語音網(wǎng)關(guān)的4口分別相連，由無線語音網(wǎng)關(guān)將這4路轉(zhuǎn)換成無線信號，分配給無線手機(jī)。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何避免語音信號受到圖像信號的干擾，話音出現(xiàn)雜音。本次設(shè)計(jì)采用常規(guī)處理措施，對模塊加屏蔽罩，無線語音網(wǎng)關(guān)天線延長至設(shè)備面板，連線饋線增加屏蔽等。綜合無線接入臺的語音功能設(shè)計(jì)見圖4。 3.3 不同傳輸?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換

圖4 綜合無線接入臺的語音功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中支持鐵路常見的野戰(zhàn)光纜、被復(fù)線電纜、無線網(wǎng)橋等傳輸方式，設(shè)備內(nèi)部集成了多電口光纖收發(fā)器、HDSL設(shè)備，設(shè)備面板上提供了光纖接入口、被復(fù)線接入口、網(wǎng)口等接口，確保設(shè)備支持不同接入方式，可根據(jù)應(yīng)急通信現(xiàn)場條件來選擇接入方式，確保事故現(xiàn)場的信息能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)綉?yīng)急指揮中心。

多電口光纖收發(fā)器設(shè)計(jì)采用單纖、多模，長距離收發(fā)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，替代原來的一光一電協(xié)轉(zhuǎn)及8口交換機(jī)，既節(jié)約了空間，又降低了故障率，集成度更高，這也是與標(biāo)清應(yīng)急設(shè)備的區(qū)別。

其他傳輸方式（被復(fù)線電纜、無線網(wǎng)橋）依然采用標(biāo)清應(yīng)急通信的設(shè)計(jì)，選取功能模塊、設(shè)計(jì)空間及供電走線，確保信號穩(wěn)定無干擾傳輸。

4 多機(jī)位固定球機(jī)系統(tǒng)

綜合無線接入臺配備了1路高清單兵包、1路多機(jī)位視頻采集系統(tǒng)等多路信號接入接口，為應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)大屏幕提供高清圖像信息顯示。同時(shí)，新增的多機(jī)位視頻采集系統(tǒng)，可根據(jù)調(diào)度指揮中心下發(fā)指令完成采集終端的鏡頭旋轉(zhuǎn)、變焦等動(dòng)作，提高了應(yīng)急指揮中心獲取現(xiàn)場圖像的主動(dòng)性。操作者可以根據(jù)需要快速選取圖像，更多、更真實(shí)、更詳細(xì)和更全面地掌握現(xiàn)場情況，可提高指揮的針對性，進(jìn)而提高應(yīng)急處置效率[4]。

針對固定球機(jī)系統(tǒng)，選取合適的支架，系統(tǒng)便于安裝和拆卸，獨(dú)立供電，是此次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，也是用戶比較關(guān)注的問題之一。設(shè)備選取升降支架，支架頂端專用卡扣安裝球機(jī)，底座內(nèi)部裝有大容量電池。同時(shí)，采取高清球機(jī)加編碼器的組合方式來實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集和編碼。在此，提供了多種連接方式，如可以采用公網(wǎng)4G、無線網(wǎng)橋覆蓋，甚至與單兵包采用相同頻點(diǎn)的340M傳輸方式。

另外，考慮到多機(jī)位固定球機(jī)系統(tǒng)包含支架，設(shè)計(jì)了專用設(shè)備箱，箱體帶拉桿和輪子，便于攜帶。

5 應(yīng)急中心軟件平臺融合

系統(tǒng)集成離不開軟件的支持，無論是高清單兵包的研發(fā)還是多機(jī)位視頻的接入，都需要應(yīng)急指揮中心平臺的支持，因此平臺的研發(fā)升級，也是本次研發(fā)的重點(diǎn)。

針對高清應(yīng)急通信系統(tǒng)，中心平臺軟件除了在高清接入能力上進(jìn)行升級外，還考慮到平臺融合的問題。原鐵路應(yīng)急指揮中心平臺中動(dòng)圖平臺、語音控制平臺分別在不同的界面上操作。在實(shí)際使用中，管理員或操作員需在不同平臺之間登錄、切換，既增加了操作維護(hù)難度，又浪費(fèi)了時(shí)間。對此，提出了平臺融合的需求和設(shè)計(jì)思想，對原應(yīng)急指揮中心平臺軟件做了升級改進(jìn)。使用C#、C++等編程語言及相關(guān)技術(shù)，開發(fā)應(yīng)急指揮中心側(cè)的新平臺界面，實(shí)現(xiàn)高清多機(jī)位視頻信號接入的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)同一平臺操作。研究開發(fā)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，新增了中心平臺對多機(jī)位視頻采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。

6 結(jié)束語

在應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中，現(xiàn)場圖像的高質(zhì)量、多角度、多來源且遠(yuǎn)程可控，必定會(huì)提高遠(yuǎn)程指揮的準(zhǔn)確性，避免因信息不清或不全而耽誤搶險(xiǎn)。鐵路未來的發(fā)展，也應(yīng)該為高清、多角度、多來源的信號提供更加合適的傳輸通道。通道暢通、帶寬足夠，也將為應(yīng)急通信系統(tǒng)的發(fā)展提供平臺。各種新技術(shù)、新設(shè)備也將更好地服務(wù)于鐵路行業(yè)的發(fā)展。

高清應(yīng)急通信系統(tǒng)的試驗(yàn)應(yīng)用，是鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)升級的良好開端，也為鐵路應(yīng)急通信積累了新的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王冠，呂凌．高清應(yīng)急通信系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)方案[J]. 中國科技縱橫，2015(8)：27.

[2] 李潤武，馮占武，鮑金華．鐵路區(qū)間光通信系統(tǒng)在 集通鐵路的應(yīng)用[J]．中國鐵路，2014(3)：86-89.

[3] TB/T 3204—2008 鐵路應(yīng)急通信接入技術(shù)條件[S].

[4] 謝輝. 鐵路應(yīng)急通信無線圖像傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí) 現(xiàn)[J]．鐵道通信信號，2010(12)：60-62.

責(zé)任編輯 盧敏

Railway Emergency Communication System Based on High-defnition lmage

CUI Shengqing
（Ji’nan Communication Depot，Ji’nan Railway Administration，Ji’nan Shandong 250000，China）

Combining with the characteristics of railway emergency communication products and the demand on high-definition emergency communication system, the paper focuses on the composition scheme, key functional unit design, and related technologies and principles of HD emergency communication system. Based on the structure of the existing emergency communication system, the attempt and application of the new technology and the optimal design of the emergency communication system not only ensure the safety of railway operations, reduce the testing risk, but also achieve the testing goal, accumulating experience in the extensive promotion of HD emergency communication system in railway sector.

railway；emergency communication；high-definition（HD）；HDMI；COFDM；multicamera；platform integration

U285；U298

：A

：1001-683X（2017）06-0089-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.089

2017-04-12

崔圣青（1983—），男，工程師。

E-mail：cuishengqing@163.com