機務5G數據傳輸及視頻數據分析系統

張代昌

摘 要：本文剖析了當前搭載6A系統的和諧型電力及內燃機車視頻數據轉儲存在的問題，利用5G技術構建視頻轉儲方案，同時通過視頻分析技術智能分析車載視頻中的司機動作，并實現判別結果與LKJ數據的聯動。此方案在哈爾濱機務段和諧內燃型機車50142上進行了測試，下載速率可穩定達到1.13 Gbps，實現了視頻數據高速傳輸，并準確識別視頻中司機相應的動作，滿足了現場的實際應用。因此本文中的設計方案可以實現機車6A視頻的高速轉儲及視頻分析工作。同時也為鐵路其他部門大數據高速轉儲分析類工作提供了技術參考。

關鍵詞：機車6A;高速轉儲;5G;視頻分析;LKJ數據聯動

1 研究背景與目的

在“交通強國，鐵路先行”的大環境下，隨著鐵路改革的不斷深化和機務事業的不斷發展，人們對交通運輸的要求也越來越高。只有提升鐵路技術水平，才能促進鐵路企業提高安全、生產和經營方面的效益，進而提升區域市場競爭力。機務系統是鐵路運輸系統的主要行車部門，負責鐵路機車的運營、維護和檢修工作。如何通過技術手段轉儲大量視頻并智能分析機車視頻數據和監測數據來規避行車安全風險一直是機務部門研究的技術課題之一，也同樣是鐵路保障行車安全的技術突破。

為了滿足快速發展的鐵路需求，實現快速、智能、穩定的數據轉儲分析平臺，本文研究利用5G和視頻分析的高新技術，構造機務在數據轉儲、數據分析、作業監控、安全預警等方面集數字、信息、智能、標準的一體化平臺。

2 調研結果及分析

機車運行過程中，產生大量的6A監測數據，機車回到機務段需轉儲到地面分析系統。現有機務段使用“U盤轉儲+人工分析”的方式對數據進行存儲和分析。但由于車載數據越來越大，這種方式存在一定的安全風險。一是U盤損壞率高，經常出現數據丟失或人為破壞的問題，這不僅造成了經濟損失，同時也喪失了行車安全分析的數據支撐;二是視頻數據無法做到全分析。由于車載視頻數據過大，人工只能采用抽檢的方式對視頻進行分析，這在一定程度上產生了視頻分析的盲區;三是沒有對行車監測數據的綜合分析利用。目前各機務段只是人工利用LKJ的時間節點數據與視頻數據進行比對分析，沒有實現自動的聯動分析。

3 研究內容

3.1 系統組成

系統由車上設備和地面設備組成，車上設備包括車載網關、華為車載天線，地面設備包括華為接收天線、數據存儲服務器和數據分析服務器。

3.2 功能設計

3.2.1 車地數據轉儲

本系統采用5G無線傳輸技術，實現機車視頻圖像的車地數據高速轉儲。機車一個交路所產生的視頻圖像數據最大為30G，5G天線的理論傳輸速度可以達到1.5 Gbps，實測數據傳輸速度可以穩定達到1.13 Gbps（140 M/s），將機車視頻數據轉儲至地面服務器在3～5分鐘內即可完成。

3.2.2 地面視頻數據存儲功能

系統需要將大量的視頻數據轉儲至地面服務器，并進行存儲。要求交換機和服務器為萬兆端口，交換機、服務器、地面基站通過光纖連接，服務器存儲硬盤使用固態硬盤以保證數據存儲寫入的高效性。

3.2.3 司機標準化作業分析

本系統采用視頻分析技術，通過比對LKJ數據分析機車視頻數據，實現對機車司機行為規范性進行自動、全面、智能審核。利用深度學習算法，對打電話、偏頭、平躺睡覺等違規行為進行監控，同時比對LKJ行車時間對手比、確認、握拳、探身、站立等規范動作進行分析，通過視頻數據的分析大大提升了機務工作效率和安全管理能力。

3.3 網絡設計

3.3.1 網絡架構

3.3.2 網絡安全措施

（1）系統搭建在5G專用無線網絡與專用數據網絡上，不與鐵路內網或互聯網連通，從根本上保證了網絡的安全性。

（2）系統在無線網絡與有線網絡之間架設防火墻，杜絕了從外部侵入系統服務器的可能性。

（3）為了防止線路竊取，保證網絡會話完整性，將所有需要通過網絡傳輸的數據、文件、口令和控制信息進行加密。對于接收數據方在客戶端和服務器上要進行身份認證，只有提供有效的安全密碼、信息卡，通過驗證后才能獲取數據信息。

（4）定期進行網絡安全漏洞掃描，及時發現未知漏洞并且及時修補已發現的漏洞。

（5）視頻分析查看終端和數據分析查看終端安裝殺毒及木馬查殺軟件，及時查殺病毒和木馬，及時下載和安裝補丁程序。

（6）做好移動介質使用防護，在使用前必須進行殺毒。

3.4 研究的創新點

3.4.1 5G技術

本天線為軌道交通行業定制版天線，采用高頻毫米波，頻段在57 GHz～64 GHz，遠離民用5G頻段（6 GHz以下），因此干擾小。而本頻段由于頻譜資源豐富，信道帶寬大，根據香農定理其信道容量也更大，傳輸速度更快。

香農定理：

C：信道容量;

B：信道寬帶;

s/n：信噪比。

5G高速傳輸應用的天線為相控陣天線。相控陣天線技術最早用于相控陣雷達，不同于機械掃描雷達通過天線轉動來實現電磁波定向發送，相控陣雷達通過信號單元發射不同相位的電磁波相互耦合實現不同方向的傳播。與傳統陣列天線相比，擺脫了機械掃描的模式，具有跟蹤速度快、可以同時跟蹤多個目標的特點。

相控陣天線中關鍵部件為微處理器和移相器。微處理器接收到包含通信方向的控制信息后，計算出各個移相器的相移量，然后通過天線控制器來控制饋電網絡完成移相過程。由于移相能夠補償同一信號到達各個不同陣元而產生的時間差，所以此時天線陣的輸出同相疊加達到最大。一旦信號方向發生變化，只要通過調整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向做相應的變化，從而實現波束掃描和跟蹤。

3.4.2 視頻轉儲網關

視頻轉儲網關設備具有良好的數據處理能力、可靠性和穩定性。靈活拓展的軟硬件架構可實現良好的業務拓展性。同時網關適用于多種類型機車部署應用。網關提供多種接口，包括工業級的萬兆和千兆數據接口，USB接口和其他擴展業務接口，提供高功率的POE電源輸出，采用標準架構設計，使其方便與機車安裝部署。

車載網關高度集成處理器、內存、SSD硬盤、2.5GbE網卡、1GbE網卡。在LINUX系統上進行車載網關軟件開發，實現數據傳輸、數據加密、斷點續傳、數據完整性校驗的功能，保證了數據傳輸的穩定、完整和安全。

3.4.3 視頻分析算法

本系統對視頻數據進行智能分析，通過深度學習算法進行動作識別，并選用Yolov3算法進行圖像特征提取以保證分析速度。

Yolov3首先將圖像分割成256*256像素的矩陣，通過多次卷積算法將圖像分割成13*13像素的矩陣，將得到的矩陣與深度學習模型進行比對，提取目標區域。在目標區域提取后，將區域內矩陣與深度學習模型進行深度對比，通過設置成功率（本系統設置為50%），將識別出的結果返回。

系統對打電話、偏頭、平躺睡覺等違規行為進行監控，同時比對LKJ行車時間對手比、確認、握拳、探身、站立等規范動作進行分析，大大提升了機務工作效率和安全管理能力。

4 結論

基于上述分析，現總結如下：

（1）通過5G天線可以做到3分鐘內將機車一個交路所產生的視頻文件轉儲至地面服務器，相較于之前U盤轉儲的方式減輕了駕駛員的勞動量，并且保證了數據轉儲的穩定性和安全性，也減少了設備損壞所帶來的經濟損失。

（2）通過視頻分析算法識別可以對駕駛員及行車數據起到很好的識別監控作用，相較于之前人工抽查的方式，在效率上有了很大的提高。

參考文獻：

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