王健，高軒，張一洋

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

1 背景

隨著我國(guó)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(wú)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(cè)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(gè)機(jī)車的運(yùn)行狀況,甚至在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)能夠發(fā)出警報(bào),降低其工作強(qiáng)度,使其能夠更加安全地操控機(jī)車。同時(shí),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(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)機(jī)車司機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和全程的記錄,提高他們對(duì)機(jī)車運(yùn)行安全的監(jiān)管能力。

近年來(lái)，和諧型機(jī)車都安裝了機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(dòng)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(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(dòng)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)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(shí)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(chǔ)變得更有價(jià)值。

主要研制目標(biāo)：

（1）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集各監(jiān)控區(qū)域的高清視頻圖像，并通過(guò)以太網(wǎng)方式發(fā)送，司機(jī)室視頻含音頻。

（2）實(shí)現(xiàn)視頻圖像疊加監(jiān)控區(qū)域、車次、機(jī)車號(hào)、時(shí)間、公里標(biāo)、速度、硬盤錄像標(biāo)識(shí)（●REC）和火災(zāi)報(bào)警等信息。

（3）視頻存儲(chǔ)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(chǔ)；②實(shí)時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)控區(qū)域音視頻數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)間不少于10天；③音視頻存儲(chǔ)采用滾動(dòng)方式，當(dāng)占用的存儲(chǔ)介質(zhì)空間達(dá)到上限時(shí)，自動(dòng)覆蓋早期的音視頻數(shù)據(jù)；④具備外掛USB存儲(chǔ)器同步存儲(chǔ)功能，插入授權(quán)的 USB 存儲(chǔ)器后一分鐘內(nèi)應(yīng)開始同步存儲(chǔ)，采用滾動(dòng)存儲(chǔ)方式。

（4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查殺視頻非法文件功能，通過(guò)判斷接入系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)（硬盤或U盤）中文件的命名及類型，可自動(dòng)將存儲(chǔ)介質(zhì)中非法文件刪除。

（5）視頻數(shù)據(jù)下載要求：①通過(guò)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(guò)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(guò)直接拔出存儲(chǔ)介質(zhì)的方式，獲取整個(gè)存儲(chǔ)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(shí)間、事件信息等在顯示終端或地面設(shè)備對(duì)歷史視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放； ②在歷史視頻回放過(guò)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(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與LKJ記錄項(xiàng)點(diǎn)的聯(lián)動(dòng)分析。

（7）系統(tǒng)自檢：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攝像頭、存儲(chǔ)介質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給中央處理平臺(tái)，自檢故障應(yīng)能自動(dòng)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(guò)以太網(wǎng)傳至視頻處理板進(jìn)行存儲(chǔ)，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(hào)通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳至視頻處理板進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，視頻信號(hào)傳輸過(guò)程中易受環(huán)境電磁干擾影響，且信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中易出現(xiàn)信號(hào)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(duì)視頻進(jìn)行數(shù)字采集，編碼后通過(guò)雙絞線傳輸至視頻處理板進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，雙絞線受環(huán)境電磁干擾影響較小，整個(gè)視頻處理過(guò)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(shí)時(shí)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(cè)部位，公共報(bào)文信息中的車次、機(jī)車號(hào)、時(shí)間、公里標(biāo)、速度和火災(zāi)報(bào)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(shí)時(shí)查詢各位置攝像頭的實(shí)時(shí)狀況。

該系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中采集的高清視頻流存儲(chǔ)于視頻存儲(chǔ)盤中，為用戶提供多種數(shù)據(jù)下載方式，對(duì)歷史視頻圖像進(jìn)行回放，視頻圖像上疊加監(jiān)測(cè)部位、車次、機(jī)車號(hào)、時(shí)間、公里標(biāo)、速度和火災(zāi)報(bào)警信息等。

對(duì)于內(nèi)重聯(lián)機(jī)車，可通過(guò)配置視頻處理器及網(wǎng)絡(luò)攝像頭IP地址及上報(bào)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(shí)現(xiàn)互看AB節(jié)視頻，視頻存儲(chǔ)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(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(shí)間。(2)速度、公里標(biāo)。(3)車次、車號(hào)。(4)監(jiān)控位置。（5）防火報(bào)警信息。（6）硬盤錄像標(biāo)志、USB實(shí)時(shí)錄像標(biāo)志。

5.1.3 視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看

音視頻顯示終端使用TCP協(xié)議，通過(guò)調(diào)用私有協(xié)議取流庫(kù)對(duì)視頻處理板進(jìn)行實(shí)時(shí)取流，可切換多種畫面模式實(shí)時(shí)查看各個(gè)通道監(jiān)控圖像。

5.1.4 視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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

5.1.5 視頻數(shù)據(jù)下載

可支持U盤實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、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(shí)間、事件信息等對(duì)歷史視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。在歷史視頻回放過(guò)程中，能快進(jìn)、慢放和暫停。

5.1.7 授時(shí)功能

具備授時(shí)功能，通過(guò)解析視頻處理板接收的TAX信息中的時(shí)間信息，實(shí)時(shí)對(duì)視頻處理板校時(shí)，視頻處理板進(jìn)而對(duì)數(shù)字高清攝像頭校時(shí)。當(dāng)TAX信息中的時(shí)間信息無(wú)效時(shí)，則使用視頻處理板自身RTC時(shí)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(duì)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(duì)視頻數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)連接大于8個(gè)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(shí)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(wàn)像素的1/2.7"Progressive Scan CMOS傳感器，實(shí)時(shí)采集視頻數(shù)字信號(hào)，將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至視頻處理板。

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

（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(dòng)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(jì)。系統(tǒng)對(duì)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(fèi)用低。

（4）可靠性高。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊都通過(guò)了實(shí)際項(xiàng)目的充分驗(yàn)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(jì)，單個(gè)模塊升級(jí)時(shí)，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(yǔ)

機(jī)車車載安全防護(hù)數(shù)字高清自動(dòng)視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車高清視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。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(chǎng)改動(dòng)范圍，降低系統(tǒng)改造費(fèi)用。對(duì)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(dòng)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。