王健，高軒，張一洋

（沈陽鐵道科學(xué)技術(shù)研究所有限公司，沈陽 遼寧 110013）

1 背景

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的機(jī)車運(yùn)行安全監(jiān)控設(shè)備己經(jīng)無法滿足機(jī)車司機(jī)和鐵路管理部門的需求。為了幫助機(jī)車司機(jī)更加安全地駕駛,避免重大事故的發(fā)生,很多科研院所及公司都在開發(fā)機(jī)車安全監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠幫助司機(jī)更好地駕駛機(jī)車,使其在駕駛室內(nèi)就能掌握整個機(jī)車的運(yùn)行狀況,甚至在設(shè)備出現(xiàn)異常時能夠發(fā)出警報,降低其工作強(qiáng)度,使其能夠更加安全地操控機(jī)車。同時,該系統(tǒng)還可以為地面管理部門提供機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控,對機(jī)車司機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)控和全程的記錄,提高他們對機(jī)車運(yùn)行安全的監(jiān)管能力。

近年來，和諧型機(jī)車都安裝了機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（簡稱6A系統(tǒng)），有效地提高了機(jī)車防范安全事故的能力。然而，現(xiàn)有機(jī)車6A系統(tǒng)中自動視頻監(jiān)控均采用的是模擬攝像頭，存在分辨率低、畫面圖像質(zhì)量不清晰等問題，已無法滿足現(xiàn)場運(yùn)用需求；另一方面，仍有部分車型的機(jī)車還未安裝6A系統(tǒng)。因此，本文結(jié)合機(jī)車運(yùn)用要求及實際情況出發(fā)，提出一種分布式機(jī)車車載安全防護(hù)數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)。

2 研制目標(biāo)

本系統(tǒng)是在6A系統(tǒng)安全監(jiān)測視頻子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將原有的模擬攝像頭及編碼組件替換為數(shù)字高清攝像頭，為6A視頻子系統(tǒng)提供高清視頻實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄。通過安裝在車前、車后、車內(nèi)等部位的多路數(shù)字高清攝像頭，使司機(jī)能及時了解機(jī)車內(nèi)外的情況；高分辨率的圖像質(zhì)量，使視頻存儲變得更有價值。

主要研制目標(biāo)：

（1）實現(xiàn)實時采集各監(jiān)控區(qū)域的高清視頻圖像，并通過以太網(wǎng)方式發(fā)送，司機(jī)室視頻含音頻。

（2）實現(xiàn)視頻圖像疊加監(jiān)控區(qū)域、車次、機(jī)車號、時間、公里標(biāo)、速度、硬盤錄像標(biāo)識（●REC）和火災(zāi)報警等信息。

（3）視頻存儲要求：①監(jiān)控視頻幀率不低于25幀/s、分辨率不低于720P格式存儲；②實時存儲監(jiān)控區(qū)域音視頻數(shù)據(jù)，存儲時間不少于10天；③音視頻存儲采用滾動方式，當(dāng)占用的存儲介質(zhì)空間達(dá)到上限時，自動覆蓋早期的音視頻數(shù)據(jù)；④具備外掛USB存儲器同步存儲功能，插入授權(quán)的 USB 存儲器后一分鐘內(nèi)應(yīng)開始同步存儲，采用滾動存儲方式。

（4）實現(xiàn)自動查殺視頻非法文件功能，通過判斷接入系統(tǒng)的存儲介質(zhì)（硬盤或U盤）中文件的命名及類型，可自動將存儲介質(zhì)中非法文件刪除。

（5）視頻數(shù)據(jù)下載要求：①通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，平均下載速度不小于50MByte/s；②通過以太網(wǎng)接口使用專用軟件下載，平均下載速度不小于3MByte/s；③通過直接拔出存儲介質(zhì)的方式，獲取整個存儲音視頻數(shù)據(jù)。

（6）視頻回放要求：①可根據(jù)監(jiān)控區(qū)域、時間、事件信息等在顯示終端或地面設(shè)備對歷史視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放； ②在歷史視頻回放過程中，應(yīng)能快進(jìn)、慢放和暫停；③在使用專用播放器播放歷史視頻時，可以實現(xiàn)與LKJ記錄項點的聯(lián)動分析。

（7）系統(tǒng)自檢：實時監(jiān)測攝像頭、存儲介質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給中央處理平臺，自檢故障應(yīng)能自動恢復(fù)。

3 主要解決技術(shù)問題

3.1 編解碼方式改變

該系統(tǒng)去掉原有6A視頻子系統(tǒng)模擬攝像頭及編碼組件，直接使用數(shù)字高清攝像頭將視頻進(jìn)行數(shù)字采集，高清編碼壓縮并IP封裝，通過以太網(wǎng)傳至視頻處理板進(jìn)行存儲，數(shù)字高清攝像頭兼容現(xiàn)有的OSD疊加協(xié)議。

3.2 畫質(zhì)優(yōu)化

該系統(tǒng)數(shù)字高清攝像頭掃描方式為逐行掃描，畫面較改造前的模擬攝像頭視頻能夠更好地捕捉細(xì)節(jié)，圖像顯示質(zhì)量更清晰，更自然流暢。

3.3 干擾能力提升

原有6A視頻子系統(tǒng)，攝像頭信號通過同軸線纜將視頻圖像傳輸至編碼板進(jìn)行圖像編碼處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳至視頻處理板進(jìn)行顯示和存儲，視頻信號傳輸過程中易受環(huán)境電磁干擾影響，且信號轉(zhuǎn)換過程中易出現(xiàn)信號損耗，使圖像質(zhì)量受影響。

改進(jìn)為數(shù)字高清攝像頭后，數(shù)字高清攝像頭對視頻進(jìn)行數(shù)字采集，編碼后通過雙絞線傳輸至視頻處理板進(jìn)行顯示和存儲，雙絞線受環(huán)境電磁干擾影響較小，整個視頻處理過程圖像質(zhì)量幾乎不受外界安裝環(huán)境影響。

4 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)實時采集車前、車后、車內(nèi)等部位的多路數(shù)字高清攝像頭，在視頻圖像上疊加監(jiān)測部位，公共報文信息中的車次、機(jī)車號、時間、公里標(biāo)、速度和火災(zāi)報警信息等，安裝在司機(jī)室的音視頻顯示終端可供司機(jī)實時查詢各位置攝像頭的實時狀況。

該系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行過程中采集的高清視頻流存儲于視頻存儲盤中，為用戶提供多種數(shù)據(jù)下載方式，對歷史視頻圖像進(jìn)行回放，視頻圖像上疊加監(jiān)測部位、車次、機(jī)車號、時間、公里標(biāo)、速度和火災(zāi)報警信息等。

對于內(nèi)重聯(lián)機(jī)車，可通過配置視頻處理器及網(wǎng)絡(luò)攝像頭IP地址及上報CPU IP地址，使處于同一局域網(wǎng)的重連機(jī)車可在音視頻顯示終端實現(xiàn)互看AB節(jié)視頻，視頻存儲互不影響。非重聯(lián)機(jī)車的車載子系統(tǒng)配置與內(nèi)重聯(lián)機(jī)車A節(jié)的配置一致。

5 功能和組成

5.1 功能

5.1.1 視頻數(shù)據(jù)采集

安裝在路況、司機(jī)室、機(jī)械間、電氣間等的數(shù)字高清攝像頭采集的實時視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳至視頻處理板：

5.1.2 視頻數(shù)據(jù)畫面信息疊加

視頻處理板將攝像頭監(jiān)控位置信息、CPU發(fā)送的TAX數(shù)據(jù)經(jīng)過提取后發(fā)送至數(shù)字高清攝像頭進(jìn)行畫面信息疊加，疊加信息包括：(1)時間。(2)速度、公里標(biāo)。(3)車次、車號。(4)監(jiān)控位置。（5）防火報警信息。（6）硬盤錄像標(biāo)志、USB實時錄像標(biāo)志。

5.1.3 視頻數(shù)據(jù)實時查看

音視頻顯示終端使用TCP協(xié)議，通過調(diào)用私有協(xié)議取流庫對視頻處理板進(jìn)行實時取流，可切換多種畫面模式實時查看各個通道監(jiān)控圖像。

5.1.4 視頻數(shù)據(jù)存儲

視頻數(shù)據(jù)通過H.264方式壓縮后，按規(guī)定的文件結(jié)構(gòu)存儲于視頻存儲盤中。采用滾動覆蓋機(jī)制。

5.1.5 視頻數(shù)據(jù)下載

可支持U盤實時轉(zhuǎn)儲、U盤備份下載、FTP下載、直接使用數(shù)據(jù)讀取裝置讀取硬盤方式下載視頻數(shù)據(jù)。

5.1.6 視頻數(shù)據(jù)回放

地面分析軟件可兼容播放高清視頻圖像，可根據(jù)監(jiān)控區(qū)域、時間、事件信息等對歷史視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。在歷史視頻回放過程中，能快進(jìn)、慢放和暫停。

5.1.7 授時功能

具備授時功能，通過解析視頻處理板接收的TAX信息中的時間信息，實時對視頻處理板校時，視頻處理板進(jìn)而對數(shù)字高清攝像頭校時。當(dāng)TAX信息中的時間信息無效時，則使用視頻處理板自身RTC時間運(yùn)行。

5.2 組成

5.2.1 視頻處理板

視頻處理板接收CPU下發(fā)的TAX信息后，對信息進(jìn)行提取分析，將需疊加的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭。對視頻數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行存儲。實時檢測視頻子系統(tǒng)故障，將故障信息上發(fā)至CPU。

5.2.2 SWT交換機(jī)板

SWT面板上設(shè)置有連接數(shù)字高清攝像頭ETH接口，可同時連接大于8個網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭，且使各數(shù)字高清攝像頭及視頻處理板處于同一局域網(wǎng)中，以實現(xiàn)各模塊間以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信息交互。

5.2.3 數(shù)字高清攝像頭

支持1920×1080、1280×960、1280×720三種分辨率，其視頻芯片為百萬像素的1/2.7"Progressive Scan CMOS傳感器，實時采集視頻數(shù)字信號，將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后通過以太網(wǎng)發(fā)送至視頻處理板。

6 系統(tǒng)特點

（1）兼容6A視頻當(dāng)前所有傳輸協(xié)議，改造后仍符合《TJJW 001G-2018 機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）機(jī)車自動視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)技術(shù)條件》。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。系統(tǒng)對外接口和系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)通信接口采用滿足IEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口。

（3）改造范圍小。將現(xiàn)有6A視頻子系統(tǒng)采集卡位置替換為SWT交換機(jī)板卡，數(shù)字高清攝像頭供電仍沿用模擬攝像頭供電方式及供電線纜，整體改造費用低。

（4）可靠性高。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊都通過了實際項目的充分驗證，所以系統(tǒng)可靠性高。

（5）可維護(hù)性好。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，單個模塊升級時，不影響其他模塊，所以系統(tǒng)可維護(hù)性好。

（6）可擴(kuò)展性好。因網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭圖像顯示質(zhì)量更高，能更好地捕捉細(xì)節(jié)，方便集成智能分析功能。

7 結(jié)語

機(jī)車車載安全防護(hù)數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)實現(xiàn)了對機(jī)車高清視頻監(jiān)控實時監(jiān)測和存儲。充分考慮了6A視頻子系統(tǒng)當(dāng)前安裝情況，不斷優(yōu)化安裝策略，減少現(xiàn)場改動范圍，降低系統(tǒng)改造費用。對視頻畫質(zhì)流暢度和兼容原6A視頻子系統(tǒng)字體有較全面的考慮，達(dá)到了機(jī)車車載安全防護(hù)數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)的研制目標(biāo)，并進(jìn)一步提高了機(jī)車防范安全事故的能力。