機車視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)設(shè)計與研究

謝崇彬 中國鐵路上海局集團有限公司機務部

1 概述

機車視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)可以實現(xiàn)機車動態(tài)在線預覽、機車視頻實時/回調(diào)預覽、工作狀態(tài)智能報警、運行項點實時分析、運行記錄在線提取、機車數(shù)據(jù)綜合同步分析、運行狀態(tài)掌上移動式監(jiān)控、系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，匯總檢索，全方位管控機車運行狀態(tài)，對機車乘務員起到預警提醒作用，確保行車安全。

機車視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)操作方便、自動化程度高、安全可靠，通過對視頻、音頻文件與LKJ運行記錄文件進行關(guān)聯(lián)分析、同步播放，實現(xiàn)關(guān)鍵項點的分析，對LKJ運行記錄文件中的事件信息 (如進出站、色燈變化等)進行直接定位，提高了分析人員的工作效率，降低了勞動強度，為鐵路安全工作帶來巨大效益。

2 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)在設(shè)計時，分析比較了傳統(tǒng)的基于通用PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和目前新興的基于嵌入式系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各自的優(yōu)缺點，考慮到本系統(tǒng)需要安裝在機車上使用，對體積和穩(wěn)定性等方面均有要求，所以最終選擇了嵌入式技術(shù)與通用PC技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)方案。系統(tǒng)的車載部分，采用嵌入式技術(shù)來完成，地面監(jiān)控部分采用計算機技術(shù)來完成，互相之間通過互聯(lián)網(wǎng)連接。車載和地面部分均通過服務器來搭建實現(xiàn)互聯(lián)互通。本系統(tǒng)主要設(shè)計為三部分組成，分別是車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)、在線預警分析系統(tǒng)、地面綜合分析系統(tǒng)。其中車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)一端由一個機車視頻監(jiān)控預警裝置、六個網(wǎng)絡(luò)攝像機、一個圖像采集器、TAX箱信息隔離板等組成。這三部分通過內(nèi)外網(wǎng)相互連接，車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)通過3G/WIFI等網(wǎng)絡(luò)隨車移動運行。

2.1 車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)

系統(tǒng)安裝于列車中，主要完成任務：進行錄像采集，圖像分析，數(shù)據(jù)U盤轉(zhuǎn)儲等相關(guān)功能，能夠?qū)Ω魍ǖ酪曨l進行全程錄像，支持遠程視頻點播預覽，行車數(shù)據(jù)自動上傳等功能。該系統(tǒng)由：機車視頻監(jiān)控預警裝置主機，網(wǎng)絡(luò)攝像機，圖像采集器，TAX箱信息隔離板等組成。

2.1.1 機車視頻監(jiān)控預警裝置主機

視頻監(jiān)控裝置部分具有視頻和音頻信號實時采集壓縮、硬盤記錄、實時音視頻預覽、音視頻信號切換、本地錄像文件回放、實時無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、遠程文件回放、錄像數(shù)據(jù)備份和錄像下載等功能。

預警部分主要功能是圖像分析和存儲報警音視頻信息、無線上傳機車運行信息和報警信息、在線預覽、機車定位、獲取機車運行信息、系統(tǒng)實時自檢、報警信息人工轉(zhuǎn)儲等功能。

系統(tǒng)主機將采集的圖像信息輸入到圖像加速處理器進行預處理，然后由數(shù)字媒體處理器進行圖像識別、分割。圖像識別算法根據(jù)紅外光在瞳孔形成的反射光線對眼睛進行定位，在無法定位時采用目標跟蹤算法進行跟蹤檢測，可以準確計算司機視網(wǎng)膜瞳孔圖像的大小和位置，結(jié)合眼睛視網(wǎng)膜瞳孔狀態(tài)及嘴部特征，然后進行狀態(tài)模板匹配，融合多門學科算法，深入分析計算出乘務員疲勞駕駛的數(shù)學模型，根據(jù)PERCLOS原理和霍思道夫距離算法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷算法，實現(xiàn)機車乘務員在不同駕駛姿態(tài)、不同照明環(huán)境以及戴眼鏡、墨鏡等情況下的工作狀態(tài)實時準確檢測。可以實時精準分辨出臉部和眼睛狀態(tài)信息，從而能準確判斷乘務員駕駛狀態(tài)。

2.1.2 圖像采集器

采用紅外主動補光和紅外濾光法，可以有效濾除環(huán)境光線和背景圖像干擾。通過高靈敏度紅外攝像頭采集乘務員面部特征信息，將圖像信息輸入到裝置主機進行處理分析。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)攝像機

路況攝像機一般安裝于司機操作臺側(cè)前方靠近窗玻璃的位置，采集機車前方線路情況并記錄，同時在顯示屏上顯示對應通道的圖像信息，前方攝像機拍攝范圍為機車前方50 m～100 m內(nèi)物體要清晰可見，可視距離達200 m以上。

司機室內(nèi)球型防爆紅外攝像機可以安裝在司機室頂棚，俯瞰司機室，將司機室內(nèi)標準化作業(yè)等情況拍攝下來存入車載主機硬盤內(nèi)，同時在顯示屏上顯示對應通道的圖像信息，調(diào)整好位置，將攝像頭正對著司機，以便攝錄司機標準化作業(yè)的情況。室內(nèi)攝像機拍攝范圍涵蓋正司機側(cè)的整個門窗、前方操縱臺玻璃和副司機坐凳位置，能看到司機的整個作業(yè)范圍。

機械間半球型紅外攝像機可以安裝在機械間頂棚，俯瞰機械間，將機械間室內(nèi)情況拍攝下來存入車載主機硬盤內(nèi)，同時可送監(jiān)視屏顯示畫面，乘務員可及時了解機械間情況。

2.2 在線預警分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)考慮由在線預警分析平臺網(wǎng)站和移動APP客戶端組成。通過在線預警分析平臺網(wǎng)站或者移動APP客戶端能夠進行查詢監(jiān)視。

2.3 地面綜合分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)考慮由音視頻綜合分析臺、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲上傳裝置組成。列車入段后能夠?qū)④囕d數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲上傳裝置上傳到服務器中，然后由相關(guān)分析人員，通過音視頻綜合分析臺，對列車視頻數(shù)據(jù)，運行數(shù)據(jù)，錄音數(shù)據(jù)等進行同步關(guān)聯(lián)播放顯示，對運行數(shù)據(jù)進行立體化分析。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

機車視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)實現(xiàn)功能考慮從三部分實現(xiàn)，分別為車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)、在線預警分析系統(tǒng)和地面綜合分析系統(tǒng)。軟件功能模塊如圖1所示。

圖1 軟件功能模塊

3.1 車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)

3.1.1 值乘報警

通過圖像采集設(shè)備，對司機室情況進行自動掃描分析，能夠識別司機面部特征，如是否正常了望，是否盹睡等，如果發(fā)現(xiàn)異常后，系統(tǒng)能夠自動進行語音提醒，并產(chǎn)生對應的報警記錄。如圖2所示。

圖2 車載視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)工作流程

3.1.2 車況報警

系統(tǒng)通過煙霧傳感器以及溫度傳感器，如果發(fā)現(xiàn)煙霧過濃或者溫度過高，將會自動產(chǎn)生煙霧報警或者高溫告警，再將報警時間、工作端自動上傳至服務器，可通過在線預警分析平臺或者地面綜合分析系統(tǒng)中能夠進行查看，并能夠?qū)獣r間段的時間進行定位回放。

3.1.3 項點分析

通過TAX分析運行數(shù)據(jù)，自動將運行過程中的一些項點進行判定，包括：“進站、出站、區(qū)間停車、站內(nèi)停車、管壓為零、信號降級、調(diào)車啟動、列車啟動、信號故障、站內(nèi)非正常停車”，項點數(shù)據(jù)，能夠自動上傳至數(shù)據(jù)服務器，通過在線預警分析系統(tǒng)，能夠?qū)崟r查看該機車本趟運行的項點信息。

3.1.4 數(shù)據(jù)實時上傳

考慮實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳功能，將設(shè)備各項狀態(tài)，以及所有相關(guān)數(shù)據(jù)，實時的上傳至數(shù)據(jù)服務器，包括設(shè)備硬件狀態(tài)，如：SD卡狀態(tài)、內(nèi)部存儲狀態(tài)、北斗狀態(tài)、TAX連接狀態(tài)、各攝像頭狀態(tài)、溫度、煙霧數(shù)據(jù)等等。

3.2 在線預警分析系統(tǒng)

3.2.1 實時監(jiān)控（見圖3）

圖3 實時監(jiān)控

考慮實現(xiàn)實時顯示全部在線機車，能夠根據(jù)車次、車號來進行查詢定位。機車在電子地圖中，能夠顯示列車前進方向，能夠?qū)㈣F路線路用加亮顏色顯示。能夠點擊機車查看詳細信息，如：車次、司機、速度、限速、管壓、色燈、交路、車站等等。能夠?qū)崟r播放該機車各個通道的視頻，例如司機室、機械間、車頂、路況等。還能夠查看該機車的運行記錄、報警記錄、運行事件、運行曲線以及設(shè)備狀態(tài)等信息，通過運行記錄、報警記錄、運行事件、運行曲線來將視頻定位到特定的時間點，查看分析指定時間的視頻內(nèi)容。還能夠進行運行回放，能夠選擇指定的時間段，回放該時間段的視頻，運行記錄進行查看分析。

3.2.2 在線報警

實現(xiàn)在線報警功能，能夠?qū)崟r刷新顯示當前所有機車的報警記錄，通過顏色來區(qū)別嚴重程度，能夠根據(jù)分類來篩選報警記錄，如值乘報警、LKJ報警、車況報警燈。相關(guān)管理人員能夠播放報警視頻（如果是煙霧或者高溫報警，能夠調(diào)取對應時間的視頻，能夠切換不同的通道來查看）。管理人員能夠根據(jù)報警情況，做出判斷，比如如果屬于違章，能夠直接添加兩違登記，以便日后統(tǒng)計查詢。

3.2.3 手機APP終端

考慮通過收集APP來讓管理人員可以查看接收各種信息。管理人員的手機通過移動終端、或手機連接網(wǎng)絡(luò)，并進行身份驗證登錄，就能夠接收到各種事件報警通知，可以查詢相關(guān)報警信息信息，點擊后查看機車服務器可向各手機終端推送報警信息，查看本機收到的所有的報警通知，就像短信一樣，明顯區(qū)別已讀和未讀的報警通知，可以直接在線點播查看報警視頻。能夠查看在線機車的運的實時運行情況以及報警、運行記錄，包括運行情況、司機副司機信息、運行記錄、報警記錄等。如圖4所示。

圖4 手機APP終端

3.3 地面綜合分析系統(tǒng)

3.3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲上傳

通過自動快速轉(zhuǎn)儲裝置，支持6個U盤同時轉(zhuǎn)儲，轉(zhuǎn)儲速度每秒200 M以上，能夠自動讓U盤中的視頻、報警數(shù)據(jù)上傳至路網(wǎng)服務器，操作簡單，插入U盤進行轉(zhuǎn)儲，轉(zhuǎn)儲完畢后拔出U盤即可。

3.3.2 三合一同步分析

考慮以LKJ運行記錄為中心，實現(xiàn)機車乘務員作業(yè)LKJ運行記錄文件和音視頻文件的自動關(guān)聯(lián)檢索功能，同步定位播放；實現(xiàn)運行記錄和LKJ監(jiān)控顯示器的同步還原顯示；能夠通過多種記錄數(shù)據(jù)的綜合分析，完成關(guān)鍵項點作業(yè)情況分析，提高分析效率和真實程度，立體還原現(xiàn)場作業(yè)實際情況。如圖5所示。

圖5 三合一同步

運行曲線和LKJ監(jiān)控顯示器同步回放定位。根據(jù)LKJ運行記錄文件，同步還原顯示LKJ運行曲線和LKJ監(jiān)控顯示器界面，監(jiān)控數(shù)據(jù)跟隨時間進度自動移動，播放分析視頻的時候能夠有效直觀地進行顯示。如圖6所示。

圖6 運行曲線和LKJ監(jiān)控顯示器同步回放定位

LKJ運行記錄項點和LKJ運行事件同步定位。自動與LKJ運行記錄分析系統(tǒng)連接，自動獲取LKJ運行記錄分析軟件中的各類分析項點(緊急制動、管壓為0)，并支持用戶根據(jù)需要自定各種事件，例如開車事件、停車事件、進站、出站事件等。選擇指定事件后，會自動定位播放對應的音視頻信息。

運行揭示同步定位。根據(jù)LKJ運行記錄文件自動提取相關(guān)揭示信息，系統(tǒng)能夠?qū)⒋舜涡熊囘^程中啟用揭示和沒有啟用的揭示進行區(qū)分，啟用的揭示默認顯示在界面最上方，并且左側(cè)有綠色圖標指示。雙擊一條揭示信息后，能夠自動定位到該揭示啟控的時間，并同步播放相關(guān)音視頻信息。如圖7所示。

圖7 運行揭示同步定位

報警記錄定位。將轉(zhuǎn)儲記錄中出現(xiàn)的報警記錄列出來，用戶可以直接雙擊要查看的報警記錄，然后視頻以及對應的運行記錄，運行曲線能夠自動定位。

運行記錄同步定位?？紤]顯示本次轉(zhuǎn)儲記錄的全程運行記錄詳細信息。雙擊運行記錄后，能夠自動根據(jù)時間定位視頻和錄音，使視頻播放過程中，運行記錄也能隨著視頻自動往下切換。

視頻截取?？紤]通過視頻截取功能，能夠截取指定時間段的視頻，并且能夠?qū)匿浺羝芜M行合成，還能夠添加字幕信息，并且能夠設(shè)置字幕格式，如顏色、大小和位置等。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計與研究實現(xiàn)了對機車各監(jiān)控區(qū)域進行視頻圖像采集，使機車乘務員能及時了解機車各監(jiān)控區(qū)域的情況，對司機室監(jiān)控區(qū)域進行音頻采集，并對采集的音視頻信息進行實時記錄分析，是機器視覺在保證鐵路安全運輸方面應用的典型范例，這一研究成果可以為建立更全面、科學、合理的乘務員管理體系建立基礎(chǔ)。在地面分析時，通過音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲裝置和音視頻智能分析系統(tǒng)，可對車載設(shè)備記錄的音視頻進行高速轉(zhuǎn)儲，并自動分析關(guān)鍵項點。既實現(xiàn)了對機車乘務員值乘狀態(tài)的實時監(jiān)測提醒，又可有效提高地面分析人員的工作質(zhì)量和工作效率。