旅客列車移動音視頻信息管理系統研究與應用

唐新成 上海鐵路局合肥客運段

1 引言

隨著鐵路客流量的快速增長，鐵路開行的旅客列車等級、種類越來越多，市場對旅客列車服務質量的要求越來越高，鐵路企業對旅客列車乘務質量的要求也越來越高。確保現場各項工序流程和標準得到落實是提升乘務質量的關鍵所在。為了充分發揮管理效能，不斷提高列車服務質量，需要借助科技手段，實現在途旅客列車和生產指揮中心之間的音視頻信息傳輸，將旅客列車的在途狀態及其它的重要數據傳送到生產指揮中心。

2 系統概述

旅客列車移動音視頻信息管理系統以有效、快速、安全方式，滿足管理層對旅客列車狀態監控的直觀化管理需求。該系統基于無線網絡，以多平臺為基礎，集合數據、音視頻圖像傳輸為一體，同時以無線通訊系統為載體，實現多功能、多媒體協同指揮，并擁有安全可靠的數據保護，使得旅客列車服務質量控制得到大大的加強和改善。

3 系統特點

旅客列車移動音視頻信息管理系統的軟硬件具有先進性、兼容性、可擴展的特點，系統應用具有實用性、實時性、靈活性的特點。

該系統采用基于WEB嵌入式的視頻服務器為核心的視頻監控系統，采用H.264視頻編碼標準，采用3G無線單兵便攜設備，可傳輸單路25f/s的清晰圖像。在網絡中的授權用戶可通過IE瀏覽器實時監控前端現場，客戶端無需添加任何硬件。系統軟、硬件系統采用模塊化設計，用戶系統升級時，只需要增加前端的服務器，并升級相應的系統軟件即可。系統支持用戶的網絡監控需求，可多用戶多畫面實時監控、遠程控制、集中錄像，滿足了用戶的音視頻傳輸要求。系統組網靈活，適合在局域網、廣域網和無線網絡中使用。系統采用嵌入式實時操作系統和專用的硬件結構，保證了系統的安全、穩定、可靠。

4 系統結構

旅客列車移動音視頻信息管理系統主要由視頻采集壓縮模塊、無線數據傳輸模塊、監控中心管理軟件平臺三部分組成。

4.1 視頻采集壓縮模塊

前端視頻采集模塊實現的功能是從普通的視頻攝像頭中捕捉瞬時視頻信號，然后壓縮。該模塊支持不同的壓縮比和圖像大小。

前端視頻采集系統由便攜式網絡視頻服務器、子彈式攝像機和GPS設備等組成。其中網絡視頻服務器為核心設備，負責將攝像機采集的各監控點視頻圖像壓縮編碼，并通過3G網絡上傳到生產指揮中心，實現視頻的遠程觀看。具體設計為：前端子系統采用CR1012P帶屏單兵無線視頻服務器或背包式雙卡無線視頻服務器；便攜式無線視頻服務器采用內置鋰電池供電的方式；視頻服務器和鏡頭之間通過屏蔽同軸電纜線連接，長度應控制在在300M以內；視頻服務器可以外接GPS設備，用戶可以將GPS定位信息通過COM口方式發送到生產指揮中心；無線網絡視頻服務器正常工作需至少一張無線上網卡；無線視頻服務器自動撥號無線上網，獲取一個動態公網IP地址。撥號成功之后，通過3G無線通道，把H.264編碼后的圖像信息發送到3G網關程序中。

4.2 無線數據傳輸模塊

視頻采集壓縮后，就可以將壓縮好的視頻圖像文件傳送到生產指揮中心。傳送的方式是通過3G無線網絡。系統具有3G的PPP撥號過程，并嵌入TCP/IP協議、POP3/SMTP協議，同時支持動態IP。

生產指揮中心平臺可采用一臺小型服務器，安裝CreMedia5網絡視頻管理平臺軟件和移動視頻網關軟件。生產指揮中心根據需要安裝電視墻，通過專用網絡視頻解碼器(CR1100D)將列車圖像解碼成電視信號，輸出到電視墻。系統數據傳輸如圖1所示。

圖1 系統數據傳輸示意圖

生產指揮中心服務器負責對整個系統的管理，存儲服務器負責各監控點視頻資料的錄像。所需硬盤空間大小由錄像視頻數目、時間長短、保存周期和圖像質量、幀率、畫面復雜度等決定。通常1路運動畫面1h的錄像文件占用空間約70 M左右，靜止圖像占用空間約20M左右。

4.3 監控管理軟件系統平臺

生產指揮中心服務器設置公網IP或者域名。啟動服務后，就等待各個監控終端的連接，對于始終在線模式的終端，可以按照需要查詢當前的圖像情況，也可以自動不停地記錄監控點的圖像變化。

監控主機安裝“監視器”軟件，實現對各監控點的視頻瀏覽和攝象機姿態調整等功能；生產指揮中心安裝有網絡視頻解碼器，負責將前端采集來的數字信號解碼還原成圖像和聲音傳輸到電視墻上；手機用戶直接登陸中心服務器就可觀看前端視頻。系統網絡拓撲圖如圖2。

圖2 系統網絡拓撲示意圖

系統的設計充分考慮系統擴展性，系統擴展時只需添加視頻服務器和攝像機等前端設備，即可在不影響系統正常運行的情況下，實現系統擴展。

5 系統功能

5.1 遠程圖像實時傳輸

根據鐵路旅客列車運行速度快、經行偏遠地區等特點系統設計用雙3G卡傳輸信息。其工作原理是：主卡工作副卡熱備，一旦主卡掉線副卡隨即撥號，一次減少或消除音視頻傳輸斷碼現象。不同的監控用戶可根據自己需求靈活切換遠程圖像進行多現場瀏覽，也可多人同時觀看一個現場。

5.2 雙向語音通話

指揮中心可通過客戶端和前端設備實現雙向語音通話，便于統一指揮，在網絡狀況相對較好的條件下，音質清晰無雜音，延時在5s以內。

5.3 多畫面監視

系統具有在同一客戶終端上同時監視一路、二路、四路、六路、八路、九路前端圖像的功能，用戶點擊某一路圖像時可放大實時監控。這樣可以方便管理層把握全局動態，進行全局規劃。

5.4 錄像與回放

用戶可以按時間、攝像機號等條件智能化檢索回放記錄的錄像資料，可以用軟件內置的播放器進行播放。

5.5 計劃錄像

系統管理員可設定多個時間段對多個監控前端的圖像進行錄制，圖像數據保存在圖像監控系統服務器的硬盤上。定時方式可選擇單次錄像和每天定時錄像，各個時段可以單獨設置。

5.6 錄像回放

用戶可以按時間、攝像機號、報警事件等條件智能化快速檢索回放記錄的錄像資料，可以用軟件內置的播放器進行播放。圖像播放速度可手動調節。

5.7 錄像管理

錄像空間管理采用自動循環覆蓋的方式，可根據用戶的需求保存相應時間段的文件，過時的記錄將被自動刪除；錄像文件可以有選擇地備份到光盤或網絡硬盤，以便重要錄像的長期保存；錄像文件刪除：可以隨時將沒有保存價值的錄像文件手動給以刪除；硬盤容量提示：提供可用磁盤存儲剩余空間容量提示，當達到預警位置，在服務器端將會有磁盤容量不足的提示。

5.8 移動視頻監控

在列車行進過程中，用戶可以通過便攜式移動終端實時將前端現場圖像實時傳送到生產指揮中心，一旦遇到緊急情況，可以實現遠程指揮和控制。

6 系統應用優勢

6.1 功能集成

該系統利用現代計算機網絡技術的先進性，將多個功能集成起來，不僅充分利用了網高速準確的優點，同時也容易將各種服務需求集成于Intranet，體現了先進性和經濟性。

6.2 優秀的圖像品質

該系統采用先進的H.264編解碼技術，圖像清晰、自然。標準分辨率352×288像素，最高達并可自定義。圖像無閃爍，連續性好。

6.3 系統結構靈活

該系統采用標準的組網方式，支持IP單播、組播功能，可以組成點對點的監控系統，又可以組成一個中心對各站點的系統；在網絡上可以設置多個分控圖像工作站，滿足多個用戶的需要，可以組成多級監控系統。

6.4 可擴容性強

該系統采用模塊化設計，能夠平滑實現端局擴容、中心擴容和分控臺擴容。無論單級擴容或多級擴容都可以充分利用前期資源，降低擴容投入成本。

6.5 易操作性

該系統控制界面、菜單全為中文，用戶可以非常迅速地熟悉操作軟件的使用。

7 系統安全

該系統采用多級用戶名/密碼保護認證機制，為本系統研發的嵌入式系統軟件，加密傳輸方式等措施，保障系統的安全不受侵害。

7.1 多級用戶名密碼認證

無線和有線網絡視頻服務器和系統，相互之間的通訊連接都是有用戶名、密碼保護的。“前端設備”、“中心服務器”、“用戶客戶端”三者之間都是通過網絡連接。系統網絡連接如圖3所示。

“用戶”登陸“前端設備”，“中心”登陸“前端設備”，以及用戶”登陸“中心”都是需要用戶名和密碼的，這些用戶名和密碼機制是系統安全最基本，最可靠的的措施。

圖3 系統網絡連接示意圖

7.2 DES加密傳輸協議

用戶名和密碼在網絡傳輸，如果是明碼傳輸，被竊取的可能性就很大，CreMedia軟件使得任何一次用戶名和密碼在網絡上傳輸都是經過加密的。即便被盜用也無法破解。DES加密方式理論上沒有破解的可能。

7.3 獨有的網絡傳輸協議

視頻數字流在視頻服務器中打包發送到IP網絡中的時候，打包的格式，以及流媒體的壓縮編碼格式都是獨有的。只有專有的解碼軟件才能解出正常的圖像，否則只是亂碼而已。

7.4 用戶管理功能

該系統提供安全完善的用戶帳號密碼管理功能和嚴格的控制權限分級制度。只有經過授權、擁有帳號密碼的用戶才能瀏覽、控制攝像機或進行其他相應復權操作。用戶進入遠程視頻監控系統必須事先進行輸入用戶名和密碼，系統管理員根據用戶授予相應的權限監視和控制權限。