青藏鐵路線路視頻監控系統關鍵技術選擇與應用

■ 趙慶偉 劉清華 鐘志鋼

青藏鐵路地處高原缺氧和多年凍土地區，其中海拔高度4 000 m以上的線路長達960 km，高原惡劣環境對鐵路運輸行車安全和日常維護提出嚴峻挑戰。隨著青藏鐵路的開通，沿線生態環境和人文環境對鐵路行車安全影響逐步凸顯，為提高運輸安全保障系數，建立了青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段線路視頻監控系統。

青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統是一套智能綜合視頻監控系統。該系統基于IP網絡傳輸，大量采用先進的數字視頻技術，實現了遠程監控、多級控制、資源共享，滿足青藏鐵路調度指揮、安全生產、公安等需要。

1 關鍵技術選擇與應用

1.1 RPR視頻承載網絡

青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統視頻圖像采集采用M PEG-4編碼格式，圖像顯示分辨率要求滿足4CIF（704×576）指標。由于全線車站、區間基站站間距分布不均衡，視頻業務流量也不平衡，經測試分析并綜合考慮視頻圖像的實時監控碼流、圖像存儲碼流、告警圖像上傳碼流，每路圖像傳輸占用的平均帶寬為2.6 M b/s。

青藏鐵路全線的通信線路可用光纜資源只有4芯，既有傳輸網絡無法滿足視頻傳輸帶寬需求，無法靈活接入視頻圖像業務。在有限的可用光纖資源、較大的傳輸帶寬容量需求情況下，必須選擇合適的干線傳輸技術以滿足全線視頻圖像業務傳輸。青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統的監控點較多，具有業務數據量大、流向復雜多樣、實時帶寬變化大等特點，因此選擇RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環）技術作為承載網絡。RPR的優勢在于：

（1）高效的帶寬利用率。RPR邏輯環的內環和外環同時工作，有人站區間業務的匯聚，利用空間重用技術在空間上互不影響，無人站向有人站業務的匯聚在最短路徑上傳輸，到有人站剝離，各自充分利用帶寬資源。而且不需為每個連接配置單獨的帶寬通道，帶寬統計復用并共享。

（2）多業務傳送平臺。在統一平臺上同時支持TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）業務和數據業務。

（3）簡單的業務配置和維護。RPR環網具有自動拓撲發現功能，系統自動監測網絡狀態，支持自動拓撲發現；每個站點都能了解環的完整結構，增減網絡節點時自動更新網絡拓撲結構，無需重新配置，真正做到即插即用。在配置業務時只需給出源節點、目的節點和業務等級。工程開通中，在網管中心就可實現全線各站點的數據配置、調試與開通，極大地減少了野外工作量。

（4）雙重安全保護機制。重要節點設置兩端設備，互為備份保護，避免單節點失效帶來的網絡業務中斷，且利用RPR無連接業務特性，無需額外配置保護業務通道，節省環網帶寬；RPR可提供與SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）類似的業務保護倒換，保護時間小于50 m s。

（5）節省光纖資源、減少站點數量。內嵌RPR組網方案既解決了環網保護問題，又可節省光纖資源，減少站點數量。如果采用分層組網方案，要形成核心層環網保護需用6根光纖，且需要增加很多中繼站點。

（6）完善的QoS（Qua lity o f Se rv ice）機制。RPR可根據優先級對業務級別進行劃分，以保證不同業務的QoS要求。A類業務優先級最高，延時和抖動小，一般用于視頻監視、Vo IP（Voice over IP）等對QoS要求高的業務。視頻監視是對QoS要求極高的業務，因此業務均采用A類優先級。在可靠性方面，網絡不依賴SDH層的保護，而采用RPR自身的W rap保護和Stee ring保護方式，保證在故障時倒換時間小于50 m s。工程實踐證明，RPR傳輸網絡可滿足視頻傳輸、存儲、調用的質量要求，RPR網絡成為青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統穩定可靠工作的基礎。

1.2 視頻接入

視頻接入定義從區間基站到車站視頻圖像的接入方式，區間基站視頻接入數量從3～7路不等，帶寬需求也從7～20 M不等，既有155 M接入層傳輸很難滿足視頻接入需求。因此，需要單獨組網滿足區間視頻接入。

考慮區間基站可用光纖只有2芯，且2芯光纖還作為區間基站光纜的備用纖芯預留。因此光纖資源緊缺，需要選擇經濟的接入方式。可選方案有波分以太網交換機和波分光端機兩種。波分以太網交換機實現技術簡單，具有良好的可擴展性，可滿足100 M b/s，1 000 M b/s帶寬需求，且投資較小；波分光端機具有傳輸時延小、圖像質量好等優點，但是可擴展性差，投資也較大。因此，選擇波分以太網交換機作為視頻接入方案。

1.3 智能視頻分析

在進行安全監控時，每個監視人員一般只能有效管理10個左右攝像機，且注意力會隨時間延長而大幅度下降（30 m in后下降80％）。青藏鐵路線路視頻監控系統全線部署上千路攝像機，很難用人工方法進行有效監視。工程中創新采用智能視頻分析技術（行為分析），通過對實時視頻監視圖像的智能分析處理，自動發現人、動物侵入軌道（報警區），向監視人員發出自動報警提示，從而極大地提高了系統的有效性，降低了監控人員的勞動強度（見圖1）。

智能視頻分析技術是指利用現代計算機視覺方法，在無需人為干預情況下，通過對攝像機拍攝的視頻序列進行實時自動分析，實現對視頻場景中所關注目標的定位、識別和跟蹤，并在此基礎上分析和判斷目標的行為，實現對異常情況的偵測和告警。由于是第一次在鐵路線路視頻監控中大規模采用智能視頻分析技術，面臨的主要技術挑戰有：四季或全天光照變化；攝像機抖動；云層陰影；列車干擾；系統規模的挑戰（1∶1 000的問題）；兼顧個體和系統的功能指標；現場試驗驗證困難。

為攻克以上難關，智能視頻分析需要經過確定分析場景、防區設置、場景學習、場景優化調整、算法優化、場景再學習優化的循環過程。青藏鐵路線路視頻監控系統經過4次優化過程，持續時間為2年。圖2為經過4次優化的分析統計數據，其中橫坐標代表時間（2008年3月1—31日），縱坐標代表報警次數（藍色柱代表正報警次數，紫色柱代表誤報警次數）。從統計數據不難看出，經過優化后，每臺攝像機每天的報警次數小于2次，正報警率在80％以上。

青藏鐵路線路視頻監控系統首次大規模在室外復雜環境條件下采用智能視頻分析技術，并成功應用，為鐵路視頻監控系統采用智能分析技術積累了寶貴經驗。

1.4 長距攝像機的應用

青藏鐵路具有線路長、范圍大、氣候惡劣等特點，在實現線路監控時，對攝像機及其防護等技術提出較大挑戰。首先需要解決的是產品選擇，其次是產品對環境的適應性，最后是設備安裝、施工工藝和加固。在最初的產品選擇時，經過3個月的現場測試，以確定設備技術指標，然后在環境實驗室低壓艙中進行24 h的高低溫測試。根據產品尺寸和重量，專門設計支架保證較好的穩定性和抗風等級（8級以上），同時系統平臺后端加入硬件消抖裝置，以保證在遠距離監視情況下的圖像效果（見圖3）。

1.5 熱成像攝像機的應用

目前國際上通用的夜視技術主要有3類：（1）主動紅外：依賴于紅外燈，監視距離最遠100 m；（2）微光夜視：依賴于自然光，全黑條件不能用；（3）熱成像技術（也稱被動紅外技術）：通過探測物體溫度，將探測器和物體的溫差轉變為可見光放大后成像，不受自然環境影響，可在完全無光、濃厚煙霧、云霧或者距離較遠情況下成像。

考慮到青藏鐵路的特殊環境，系統對重點目標采用熱成像攝像機以實現全天候監視（見圖4）。

2 系統應用

青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統自2007年5月開通以來，經歷了高海拔、高寒、雨雪、大風等各種嚴酷條件的考驗，一直穩定運行，為保證青藏鐵路運輸安全，改善鐵路公安、運輸、工務等部門工作條件，保障各級指揮機關高效工作發揮了重要作用。主要體現在：實現了青藏鐵路格拉段全線監視和視頻資源共享；通過視頻行為識別分析技術，提高了全線的自動安全防護能力；通過視頻監視功能，可減少維護人員的高原線路巡查，降低工作強度；災害情況下對線路的監視及對無人車站道岔融雪裝置的監視，有效地提高了運輸安全保障能力。

3 結束語

青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統在系統平臺、遠距離監視、線路視頻圖像分析及高原地區室外設備適應性等領域取得了重大突破和創新，是集工程設計、施工、系統集成和科研開發為一體的綜合項目，也是在我國鐵路首次實現大規模線路監控的視頻系統。系統的成功建設和運用，使青藏鐵路全線處于可監視并受控狀態，同時大大減輕鐵路相關部門對青藏沿線困難地段巡視與監督工作量，對破壞和偷盜行為有極大的威懾力。系統的建設也有利于沿線自然生態和環境保護，對誤入鐵路的動物可及時報警驅趕，具有極好的社會效益。

青藏鐵路格拉段線路視頻監控系統的應用將鐵路管理帶入視頻監控時代，標志著鐵路管理進入一個嶄新的階段，它的成功運用極大地提高了運輸安全保障能力，并推動鐵路視頻監控技術的深入研究和綜合視頻監控系統的全面建設與發展。