基于云平臺的鐵路安全智慧預警系統應用研究

張新錦

（中國鐵路昆明局集團有限公司，云南昆明 650011）

0 引言

云南省地處我國西南山區，所建鐵路穿越許多貧困地區，由于早期普速鐵路線路封閉標準低、當地群眾穿越鐵路困難等原因，對鐵路周邊造成一定安全隱患。據統計，原昆明鐵路局每年防撞停車事件達300～400件，既嚴重影響鐵路運輸秩序，又威脅鐵路行車安全。另外，由于山區土質邊坡溜坍、滑坡、泥石流、落石等自然災害頻發，防洪壓力巨大，對鐵路沿線Ⅰ、Ⅱ級防洪地段設置多個巡查看守點、配置多名巡查看守人員，不僅耗費巨大人力、物力、財力，并且災害的可控性和準確性并未有效提升。因此，亟需利用科學手段逐步取代人工手段，對影響鐵路安全的路外及防洪隱患進行有效實時監控。

近年來，安全預警系統隨著信息技術飛速發展，傳統的人工定時巡查方式已轉變為利用智能監控設備對鐵路周邊、防洪重點地段進行實時監控。在早期建設的安全預警系統中，監測終端攝像頭采用數據中心機房建設、普通電力供應和網絡長距離布線，成本高、施工復雜、建設周期長，僅適用于靠近鐵路站點的設備，難以適應普速鐵路沿線安全預警監控智能化的需求［1]。

研究建設基于云平臺的鐵路安全智慧預警系統，應用4G 無線通信及紅外夜視功能的專用高清智能球機（簡稱智能球機），解決了普速鐵路沿線通信線纜布設、夜間實時監控等難題，也為汛期夜間落石、滑坡、邊坡溜坍、擋墻垮塌、泥石流等自然災害的實時、準確監控創造了條件［2-3]；4G 無線移動通信和光伏供電裝置有效解決了普速鐵路沿線通信線纜和電力供電成本高、實施難度大等問題；應用視頻智能分析，可節省流量、減少誤報率、降低成本，并通過自動巡航提高鐵路周邊安全監控效率，彌補了人員非巡查期間的空檔，及時發現突發狀況［4-6]。

1 鐵路預警分類

鐵路安全智慧預警系統主要對普速鐵路關鍵地段（如防洪重點地段、橋梁出入口，隧道出入口及道岔等）進行安全預警，包含設備安全預警、生產安全預警和人員安全預警。其中，設備安全預警重點對鐵路設施設備是否移動或被盜，設備是否受周邊自然災害影響而發生變化進行監控；生產安全預警重點對橋梁、隧道出入口設施損壞，邊坡危石侵入線路，邊坡溜坍侵入鐵路限界進行監控；人員安全預警重點對現場作業人員安全生產進行監控，并對非法闖入鐵路的路外人員進行安全預警［7]。

2 設計思路

基于當前主流的智能球機，研究基于云平臺的鐵路安全智慧預警系統。該系統支持異物侵入報警、語音報警、移動偵測報警、視頻遮擋報警、非法操作報警、網絡斷線報警等多種報警方式，具備自動巡航、數據存儲、前端一次智能視頻分析、云平臺二次報警視頻分析、遠程數據查閱、預警系統管理平臺延伸拓展功能。研究前端設備工作的電力需求情況，設計光伏供電裝置；研究攝像頭的監控參數，選擇適當的4G前端存儲模式及無線通信方案，完成系統集成模塊化配套安裝和功能聯調，從而達到設備狀態監控、周邊異常預警和自然災害報警的目的［8]。

3 關鍵技術

3.1 整體架構

系統整體架構采用分離獨立的模塊化設計，由前端節點、云端服務器和管理中心/分控端3 部分組成?；谠破脚_的鐵路安全智慧預警系統拓撲示意見圖1。

圖1 基于云平臺的鐵路安全智慧預警系統拓撲示意圖

3.2 前端節點

3.2.1 智能跟蹤

將專業定制的4G物聯網鐵路預警專用AI人形識別智能跟蹤球應用于前端節點攝像機，該智能球機支持精準AI 人形識別和人臉檢測功能。當畫面內出現人臉時，自動跟蹤并放大人臉；跟蹤結束后，智能球機返回設定的監控位置（看守位功能）。檢測目標大小、靈敏度可實現自動調節。

3.2.2 自然災害及異物侵入識別

完成對路肩、邊坡、隧道口等處設備的實時監控、實時采集，通過基于傳感器的形變檢測系統，建立大量統計數據進行分析判斷，對線路設備和異物狀態作出及時判定，自動排除風、雨、雪、飛鳥、反光、陰影等干擾功能，并向調度指揮中心發送信息，再次通過視頻監控判斷并采取應急措施。

3.2.3 報警關聯設置

檢測到人形目標時，關聯觸發蜂鳴器（揚聲器、高音喇叭等）發出警報（警報聲可上傳），觸發報警視頻及報警信息，傳輸至分控電腦及智能移動終端顯示。

3.2.4 語音對講功能

支持語音對講，智能球機內置拾音器，視頻、聲音同步監控。外置音頻接口接高音喇叭，用于遠程喊話。發生警情后，通過遠程客戶端開展現場通話。

3.2.5 智能語音提醒

蜂鳴器發出的警報聲可由工作人員錄音上傳（普通話、使用地點當地方言均可），或通過輸入文字進行語音合成。

3.2.6 電子圍欄區域報警

系統除支持AI 人形精準自動跟蹤以外，還支持電子圍欄區域報警功能（見圖2）。如圖2 所示，設置當前畫面內檢測跟蹤的，區域外監控不跟蹤、不報警。每個預置點設置1 個電子圍欄區域，最大支持16 個預置點作為1條巡航路徑。當監控范圍較大時，將大區域拆分為多個小（如16 個小區域），每個小區域設置1 個電子圍欄區域，設置完成后，16 個預置點設為1 條巡航路徑，即可完整監控大范圍內所有區域，一旦發生異物侵入、邊坡溜坍等情況系統就會立刻報警。

圖2 電子圍欄區域報警

3.2.7 視頻本地存儲

系統不僅支持視頻上傳，還可內置Micro-SD 卡或設置網絡硬盤錄像機（NVR）進行視頻本地存儲。工作人員可通過遠程客戶端對視頻進行查詢、篩選、播放和下載等操作。

3.2.84 G模組

系統采用軍工級設計全網通4G 模組，方便調試及使用。通過設備Nano-SIM 卡槽位置的信號燈，判斷設備是否正常通電、4G模組是否撥號成功等。4G模組自帶AP 熱點功能，可通過手機連接熱點，搜索、添加設備并調試。同時，4G 模組自帶Web，可登錄網頁查看4G模組的狀態及其他信息。

3.2.920倍自動變焦

智能球機采用1080 P 高清一體機芯，支持20 倍自動變焦，白天拍攝距離可達800～1000 m。

3.2.10 耐高溫高壓電子電路

設備電子電路采用耐高溫高壓的軍工級設計標準，可在惡劣環境中穩定工作，視頻畫面流暢、不卡頓。

3.2.11 跟蹤定位精準

攝像機云臺采用高精度步進電機驅動，預置點點位精準，跟蹤定位精準可靠，7 d×24 h 全天候穩定工作。

3.2.12 光伏供電裝置

由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、負責前端系統組成光伏供電裝置，為系統提供不間斷電源（見圖3）。

圖3 光伏供電裝置

3.3 云端服務器

3.3.1 服務器

集中管理云存儲服務器采用Linux 專用操作系統。硬件配置：志強E34 核CPU、8 GB 內存、20 GB 硬盤、1000 MB 以太網接口。采用外網固定IP，按照目前攝像機數量112臺，每臺攝像機碼流3 MB/s計算，如同時存儲112路攝像機圖像，所需下行帶寬為336 MB/s。考慮網絡損耗及其他情況，帶寬增加20%，下行帶寬為403 MB/s。

3.3.2 攝像機

前端攝像機采用1080 P 分辨率高清攝像機，每臺攝像機拍攝速度為1.3 GB/h，90 d 所需硬盤空間約為2808 GB。NVR 的4 TB 硬盤可存儲約129 d 的視頻，滿足昆明鐵路公安局的數據存儲90 d的國家反恐要求。

3.3.3 流量

每個前端攝像機使用流量為500 GB/月。按照一直存儲的碼流計算，攝像機需要1.3 GB/h的流量，按每月30 d 計算，如滿足連續存儲，所需流量至少937.5 GB/月，遠超過每個前端攝像機每月使用流量，考慮到其他損耗，建議流量1000 GB/月。

3.3.4 存儲

基于帶寬和云存儲空間的費用考慮，前端攝像機直接使用SD 卡存儲。攝像機內置128 GB SD 卡可存儲5～7 d 的監控視頻，云服務器軟件支持攝像機直接上傳。當攝像機監測到人員經過監控區，直接將報警視頻上傳存儲于云服務器。攝像機內置SD 卡和現場NVR不間斷持續拍攝并存儲。由于AI 智能識別采用人工智能識別算法，準確率無法達到100%，如攝像機未報警，可通過遠程客戶端查詢攝像機的本地SD 卡或NVR錄像情況。

3.4 管理中心/分控端

3.4.1 中心管理主機

中心管理主機采用內網IP，以確保設備正常聯網，通過配置軟件可連接集中管理云服務器，對云服務器進行管理和配置，如添加攝像機、添加存儲硬盤、配置錄像計劃、配置電子圍欄和報警信息推送、分配不同用戶的觀看、控制、回放權限等。管理主機內置全功能的綜合管理平臺軟件，可實時觀看、對講、錄像查詢、回放、下載、控制云臺、報警推送和聲音提醒。

3.4.2 PC客戶端和智能移動終端

遠程PC 客戶端和智能移動終端（手機安卓端）連接互聯網，根據用戶級別分配不同的權限，限制用戶查看設備、視頻。通過查詢和回放以及控制功能，客戶端接收到報警信息的推送會顯示具體的點位信息，如點位名稱和有聲提醒，此時有權限的用戶可對該點位進行觀看、控制以及視頻回放等操作。

4 結束語

基于云平臺的鐵路安全智慧預警系統應用研究，取得了良好的經濟效益和社會效益。經濟效益方面：較好地解決了傳統安全預警系統在普速鐵路沿線布線難度大、成本高的問題，具備施工周期短、建設運營成本低、架設簡單、維護方便等優勢；系統運用后成本節約效果顯著。社會效益方面：通過系統實時監控、自動分析和及時告警，及時發現安全隱患并作出應對，避免行車事故，進一步保障鐵路交通運營安全；按照相關規定和要求定期存儲現場視頻，后期調用查看、分析，為執法或秩序維護提供相應證據，有效提高現場侵入事件處置能力，節約人力投入；將視頻數據作為可共享資源，工務、電務、供電等相關單位可調用查看，及時了解線路及設備的現場情況，節省時間，提高現場應急處置效率。