重載機車安全防控區段視頻上車推送算法研究

摘要：重載機車安全防控區段視頻上車推送算法具備完善、嚴謹的算法邏輯。通過設計機車位置公里標獲取函數、機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離計算函數、矢量值計算函數、最小安全距離獲取函數、視頻上車推送函數等多個自定義函數，完成數值、矢量計算，根據算法返回值可及時有效地將安全防控區段視頻推送至機車，在無須進行視頻推送時則終止推送，從而降低司機視頻分析強度，預防司機疲勞駕駛，提升視頻上車輔助效能，有效保證行車安全。

關鍵詞：重載機車；安全防控；視頻；推送算法

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.006

中圖分類號：TP 391.41；U 264" " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-00-03

Research on Video Onboarding Push Algorithm for Safety Prevention and Control Sections of Heavy Duty Locomotives

HAN Junlong， ZHANG Zhiguo， CHENG Fude， WANG Ping， JIA Guanwei

（Suning Branch of Guoneng Shuohuang Railway Development Co.， Ltd.， Cangzhou 062350， China）

Abstract： The video boarding push algorithm for heavy-duty locomotive safety prevention and control sections has a complete and rigorous algorithm logic. By designing multiple custom functions such as locomotive position kilometer post acquisition function， distance calculation function between locomotive position and safety prevention and control section （video range）， vector value calculation function， minimum safety distance acquisition function， and video boarding push function， numerical and vector calculations are completed. According to the algorithm return value， the safety prevention and control section video can be timely and effectively pushed to the locomotive. When there is no need to push the video， the push is terminated， thereby reducing the intensity of driver video analysis， preventing driver fatigue driving， improving the video boarding assistance efficiency， and effectively ensuring driving safety.

Keywords： heavy-duty locomotive; safety prevention and control; video; push algorithm

朔黃鐵路是我國重要的西煤東運通道，年運輸煤炭超3億噸。其西起山西省神池縣，東至河北省黃驊港，總里程近600千米，沿途高山、隧道眾多，起始點與終點海拔落差超1 500米。朔黃鐵路運行狀況較復雜，多長隧道區段、下坡道區段及制動帶閘區間，小半徑曲線（800米以下）200多條，因此對重載列車的操控要求極高。為避免過激操控對列車運行部件和線路造成沖擊損傷，需要司機時刻關注機車行進前方狀況，尤其是在安全防控區段應盡量做到對行車控制進行預判，使機車最大限度地平穩行駛，確保行車安全。

1" "研究意義

重載機車安全防控區段視頻推送上車可有助于機車司機做好行車預判，避免過激操控，預防事故的發生[1]。

通過在安全防控區段安裝各型攝像頭完成視頻采集，利用現場機車車載設備獲取機車運行位置并基于自研位置確認算法、視頻預告策略，由系統服務器將特定區段視頻傳送至車載視頻終端，將機車運行前方線路情況提前以視頻方式直觀地反饋給司機，提醒司機做出相應操控處理，以避免發生事故，有效保障運輸安全。

視頻推送時機的選擇在整個視頻推送過程中是極其重要的一環，其推送控制需要考慮如下兩方面的內容：一是在保證最小安全距離的前提下及時將視頻推送至機車。二是要避免視頻過度推送，分散機車司機注意力，降低視頻預判的敏感度，浪費網絡資源。

通過對重載機車安全防控區段視頻上車推送算法的研究，將視頻推送時機設定為最優，充分發揮重載機車安全防控區段視頻上車的作用，有效保障運輸安全[2]。

2" "研究內容

（1）機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離算法。

（2）對影響最小安全距離的諸多因素（實時車速、車重、線路耐受指數、最大通過速度）進行研究，在考慮機車行駛方向、與安全防控區段（視頻范圍）的距離、視頻推送時延等因素后形成最小安全距離算法。

（3）重載機車安全防控區段視頻上車推送算法。

3" "算法實例

3.1 機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離算法

通常情況下，可通過獲取兩點的GPS位置信息計算兩點間距離，這種方式得到的距離為兩點間的直線距離。而機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離應表征其兩點間的鐵路線路長度而非直線距離。

鐵路公里標作為鐵路建設過程中的常量，具備米級精度。因此在鐵路線路兩點距離計算上一般用鐵路公里標完成，而非兩點的GPS位置，同時通過兩點的公里標差值計算，可以得出兩點距離的矢量值。按照視頻采集的空間范圍，機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離分為L_u和L_d。

為有效獲得L_u和L_d值，首先對機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離計算函數f_l（）所需變量、子函數進行定義，詳細說明如下。

3.1.1 安全防控區段視頻采集攝像頭公里標（K）

安全防控區段視頻采集攝像頭公里標（K）為攝像頭安裝位置的鐵路公里標，可在設備安裝建設時獲取。

3.1.2 安全防控區段（視頻范圍）公里標（Ks）

視頻圖像在鐵路線路上表現為一段線路長度，因此ks又細分為Ks_u和Ks_d，即圖像的線路上行方向邊緣和圖像的線路下行方向邊緣，其值由鐵路公里標表征。Ks_u和Ks_d取值按照攝像頭及推送系統是否具備實時圖像分析功能進行細分，取值公式如下。

3.1.2.1 不具備實時圖像分析功能

Ks_u=圖像的線路下行方向邊緣公里標

Ks_d=圖像的線路上行方向邊緣公里標

3.1.2.2 具備實時圖像分析功能

⊙ 未檢測到影響行車安全的外因。

Ks_u=無窮大；Ks_d=無窮大

⊙ 檢測到一處影響行車安全的外因。

Ks_u=Ks_d=外因所在位置的線路公里標

⊙ 檢測到兩處及以上影響行車安全的外因。

Ks_u=最靠近上行方向的外因所在位置的線路公里標

Ks_d=最靠近下行方向的外因所在位置的線路公里標

3.1.3 機車位置公里標（Kj）

機車位置公里標（Kj）由鐵路公里標表征，可通過機車車載設備（TAX箱）獲得（Kt），同時也可以在GPS采集設備獲取經緯度信息后，用實時經緯度與經緯度鐵路公里標對照表進行模糊查詢獲得（Kg）。由于上述兩種方式獲取的公里標均存在誤差，在確定Kj時，需對兩者與安全防控區段視頻采集攝像頭公里標（K）的差值（絕對值）進行比較，取兩者最小值所對應的Kt或Kg值。機車位置公里標（Kj）獲取函數f_kj（）如下。

Kj=f_kj（abs（Kt-k），abs（Kg-k））

f_kj（）函數返回abs（Kt-k）、abs（Kg-k）結果的數值最小值所對應的Kt或Kg值。

機車位置與安全防控區段（視頻范圍）的距離計算函數f_l（）如下。

L_u=f_l（Ks_u-Kj）;L_d=f_l（Ks_d-Kj）

L_u為機車位置與安全防控區段（視頻范圍）圖像的線路上行方向邊緣Ks_u的距離，L_d為機車位置與安全防控區段（視頻范圍）圖像的線路上行方向邊緣Ks_d的距離。

⊙ f_l（）函數返回Ks與Kj的鐵路公里標數值差

值，當Ks_u、Ks_d=無窮大時，fl（）函數返回無窮大。

⊙當 f_l（）函數返回鐵路公里標數值差值為正數時，

其矢量值為“+”，矢量值含義為機車位置在安

全防控區段（視頻范圍）公里標（Ks）的下行方向。

⊙當 f_l（）函數返回鐵路公里標數值差值為負數時，

其矢量值為“-”，矢量值含義為機車位置在安

全防控區段（視頻范圍）公里標（Ks）的上行方向。

⊙當 f_l（）函數返回無窮大時，其矢量值為“0”，矢

量值含義為無須向機車推送視頻。

3.2 最小安全距離算法

實際最小安全距離（Lsmin）受諸多因素影響，例如實時車速、車重、線路耐受指數、最大安全通過速度等。重載機車實際最小安全距離（Lsmin）的計算已有眾多單位、科研機構進行研究，相應的計算結果可以在本算法中直接引用。實際應用中，考慮機車行駛方向，實際最小安全距離又可以細分為實際上行方向最小安全距離（Lsmin_u）和實際下行方向最小安全距離（Lsmin_d）。

計算最小安全距離（Lmin）前，首先對最小安全距離（Lmin）獲取函數f_min（）所需變量、子函數進行定義，詳細說明如下。

3.2.1 機車行駛方向矢量值（Dj）

根據機車位置公里標（Kj）單位時間內變化對機車行駛方向矢量屬性（Dj）進行賦值。當Kj隨時間遞增時，Dj矢量值為正“+”，矢量值含義為機車上行方向行駛；當Kj隨時間遞減時，Dj矢量值為負“-”，矢量值含義為機車下行方向行駛。

3.2.2 距離補償（L_offset）

在計算Lmin時，考慮視頻推送時延的影響，通過機車實時車速計算距離補償變量進行Lmin偏置。距離補償為機車在視頻推送延遲所行使的距離，利用其對Lmin進行修正以保證安全。L_offset的計算公式如下：

L_offset=V*Ts

機車行駛速度（V）可通過機車車載設備（TAX箱）獲取。視頻推送一般通過無線網絡完成，按照視頻流大小、無線網絡傳輸能力的不同，存在視頻自攝像頭采集至機車收到視頻的時間上的延遲。視頻推送延遲（Ts）可以通過現場實際測試的方式予以量化，計算過程中可視為常量。

3.2.3 矢量值計算函數f_v（x1，x2）

矢量值計算函數f_v（x1，x2）用于計算變量x1、x2矢量值的計算，返回結果為矢量值。L_u、L_d和Dj矢量值可分別代入函數中。f_v（x1，x2）函數計算規則見表1。

3.2.4 最小安全距離（Lmin）獲取函數f_min（）

Lmin=f_min（f_v（dj，f_v（L_u，L_d）），Lsmin_u+L_offset，Lsmin_d+L_offset，0）

⊙ 當f_v（dj，f_v（L_u，L_d））返回矢量值為“+”" 時，

表示L_u、L_d和Dj三者矢量值計算結果為機

車上行方向行駛，f_min（）返回Lsmin_u+L_offset，

Lmin應用Lsmin_u并用L_offset補償。

⊙ 當f_v（dj，f_v（L_u，L_d））返回矢量值為“-”時，表

示L_u、L_d和Dj三者矢量值計算結果為機車下

行方向行駛，f_min（）返回Lsmin_d+L_offset，

Lmin應用Lsmin_d并用L_offset補償。

⊙ 當f_v（dj，f_v（L_u，L_d））返回矢量值為“0”時，

表示L_u、L_d和Dj三者無矢量關系，Lmin取

0，無須進行視頻推送。

3.3 重載機車安全防控區段視頻上車推送算法

重載機車安全防控區段視頻上車推送算法由f_st（）函數完成，函數定義如下：

f_st（min（abs（L_u）-Lmin，abs（L_d）-Lmin），0）

⊙ abs（L_u）、abs（L_d）分別取L_u、L_d的數值

絕對值。

⊙ min（abs（L_u）-Lmin，abs（L_d）-Lmin）取abs（L_

u）-Lmin、abs（L_d）-Lmin數值差值的數值小者。

⊙ min（abs（L_u）-Lmin，abs（L_d）-Lmin）返回的

數值差值小者與數值0比較，若大于0，f_st（）函

數返回“true”，表征開始進行視頻推送；若小

于等于0，f_st（）函數返回“1”，表征結束正

在進行的視頻推送或不進行視頻推送。

4" "結束語

重載機車安全防控區段視頻上車推送算法具備完善、嚴謹的算法邏輯。通過對機車位置、機車速度、機車行駛方向、最小安全距離、視頻推送延遲等計算諸元的數值、矢量計算，根據算法返回值可及時將安全防控區段視頻推送至機車，在無須進行視頻推送時則終止推送，從而降低司機視頻分析強度，預防司機疲勞駕駛，提升視頻上車輔助效能，有效保證行車安全。重載機車安全防控區段視頻上車推送算法已經在朔黃鐵路重載機車安全防控區段視頻上車推送系統中得到實踐應用，取得了良好的經濟、社會效益。

參考文獻

[1] 王兢，吳頔，潘勇卓，等．重載機車車輛狀態遠程監控方案研究[J]．鐵道機車車輛，2020，40（5）：88-90.

[2] 王瀚昀．鐵路綜合視頻上車系統研究與實踐[J]．中國鐵路，2020（2）：122-128.