張代昌

摘 要：本文剖析了當(dāng)前搭載6A系統(tǒng)的和諧型電力及內(nèi)燃機(jī)車(chē)視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)存在的問(wèn)題，利用5G技術(shù)構(gòu)建視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)方案，同時(shí)通過(guò)視頻分析技術(shù)智能分析車(chē)載視頻中的司機(jī)動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)判別結(jié)果與LKJ數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。此方案在哈爾濱機(jī)務(wù)段和諧內(nèi)燃型機(jī)車(chē)50142上進(jìn)行了測(cè)試，下載速率可穩(wěn)定達(dá)到1.13 Gbps，實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)高速傳輸，并準(zhǔn)確識(shí)別視頻中司機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作，滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。因此本文中的設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)6A視頻的高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)及視頻分析工作。同時(shí)也為鐵路其他部門(mén)大數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)分析類(lèi)工作提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)車(chē)6A;高速轉(zhuǎn)儲(chǔ);5G;視頻分析;LKJ數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

1 研究背景與目的

在“交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行”的大環(huán)境下，隨著鐵路改革的不斷深化和機(jī)務(wù)事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊笠苍絹?lái)越高。只有提升鐵路技術(shù)水平，才能促進(jìn)鐵路企業(yè)提高安全、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方面的效益，進(jìn)而提升區(qū)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)務(wù)系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的主要行車(chē)部門(mén)，負(fù)責(zé)鐵路機(jī)車(chē)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和檢修工作。如何通過(guò)技術(shù)手段轉(zhuǎn)儲(chǔ)大量視頻并智能分析機(jī)車(chē)視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)避行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)一直是機(jī)務(wù)部門(mén)研究的技術(shù)課題之一，也同樣是鐵路保障行車(chē)安全的技術(shù)突破。

為了滿(mǎn)足快速發(fā)展的鐵路需求，實(shí)現(xiàn)快速、智能、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)分析平臺(tái)，本文研究利用5G和視頻分析的高新技術(shù)，構(gòu)造機(jī)務(wù)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、作業(yè)監(jiān)控、安全預(yù)警等方面集數(shù)字、信息、智能、標(biāo)準(zhǔn)的一體化平臺(tái)。

2 調(diào)研結(jié)果及分析

機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生大量的6A監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，機(jī)車(chē)回到機(jī)務(wù)段需轉(zhuǎn)儲(chǔ)到地面分析系統(tǒng)?，F(xiàn)有機(jī)務(wù)段使用“U盤(pán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)+人工分析”的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。但由于車(chē)載數(shù)據(jù)越來(lái)越大，這種方式存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。一是U盤(pán)損壞率高，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或人為破壞的問(wèn)題，這不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也喪失了行車(chē)安全分析的數(shù)據(jù)支撐;二是視頻數(shù)據(jù)無(wú)法做到全分析。由于車(chē)載視頻數(shù)據(jù)過(guò)大，人工只能采用抽檢的方式對(duì)視頻進(jìn)行分析，這在一定程度上產(chǎn)生了視頻分析的盲區(qū);三是沒(méi)有對(duì)行車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析利用。目前各機(jī)務(wù)段只是人工利用LKJ的時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的聯(lián)動(dòng)分析。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由車(chē)上設(shè)備和地面設(shè)備組成，車(chē)上設(shè)備包括車(chē)載網(wǎng)關(guān)、華為車(chē)載天線(xiàn)，地面設(shè)備包括華為接收天線(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器。

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1 車(chē)地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)

本系統(tǒng)采用5G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)視頻圖像的車(chē)地?cái)?shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)。機(jī)車(chē)一個(gè)交路所產(chǎn)生的視頻圖像數(shù)據(jù)最大為30G，5G天線(xiàn)的理論傳輸速度可以達(dá)到1.5 Gbps，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸速度可以穩(wěn)定達(dá)到1.13 Gbps（140 M/s），將機(jī)車(chē)視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面服務(wù)器在3～5分鐘內(nèi)即可完成。

3.2.2 地面視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

系統(tǒng)需要將大量的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面服務(wù)器，并進(jìn)行存儲(chǔ)。要求交換機(jī)和服務(wù)器為萬(wàn)兆端口，交換機(jī)、服務(wù)器、地面基站通過(guò)光纖連接，服務(wù)器存儲(chǔ)硬盤(pán)使用固態(tài)硬盤(pán)以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寫(xiě)入的高效性。

3.2.3 司機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)分析

本系統(tǒng)采用視頻分析技術(shù)，通過(guò)比對(duì)LKJ數(shù)據(jù)分析機(jī)車(chē)視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)司機(jī)行為規(guī)范性進(jìn)行自動(dòng)、全面、智能審核。利用深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)打電話(huà)、偏頭、平躺睡覺(jué)等違規(guī)行為進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)比對(duì)LKJ行車(chē)時(shí)間對(duì)手比、確認(rèn)、握拳、探身、站立等規(guī)范動(dòng)作進(jìn)行分析，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)的分析大大提升了機(jī)務(wù)工作效率和安全管理能力。

3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)安全措施

（1）系統(tǒng)搭建在5G專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與專(zhuān)用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上，不與鐵路內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連通，從根本上保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（2）系統(tǒng)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間架設(shè)防火墻，杜絕了從外部侵入系統(tǒng)服務(wù)器的可能性。

（3）為了防止線(xiàn)路竊取，保證網(wǎng)絡(luò)會(huì)話(huà)完整性，將所有需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、文件、口令和控制信息進(jìn)行加密。對(duì)于接收數(shù)據(jù)方在客戶(hù)端和服務(wù)器上要進(jìn)行身份認(rèn)證，只有提供有效的安全密碼、信息卡，通過(guò)驗(yàn)證后才能獲取數(shù)據(jù)信息。

（4）定期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全漏洞掃描，及時(shí)發(fā)現(xiàn)未知漏洞并且及時(shí)修補(bǔ)已發(fā)現(xiàn)的漏洞。

（5）視頻分析查看終端和數(shù)據(jù)分析查看終端安裝殺毒及木馬查殺軟件，及時(shí)查殺病毒和木馬，及時(shí)下載和安裝補(bǔ)丁程序。

（6）做好移動(dòng)介質(zhì)使用防護(hù)，在使用前必須進(jìn)行殺毒。

3.4 研究的創(chuàng)新點(diǎn)

3.4.1 5G技術(shù)

本天線(xiàn)為軌道交通行業(yè)定制版天線(xiàn)，采用高頻毫米波，頻段在57 GHz～64 GHz，遠(yuǎn)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(jù)香農(nóng)定理其信道容量也更大，傳輸速度更快。

香農(nóng)定理：

C：信道容量;

B：信道寬帶;

s/n：信噪比。

5G高速傳輸應(yīng)用的天線(xiàn)為相控陣天線(xiàn)。相控陣天線(xiàn)技術(shù)最早用于相控陣?yán)走_(dá)，不同于機(jī)械掃描雷達(dá)通過(guò)天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁波定向發(fā)送，相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)信號(hào)單元發(fā)射不同相位的電磁波相互耦合實(shí)現(xiàn)不同方向的傳播。與傳統(tǒng)陣列天線(xiàn)相比，擺脫了機(jī)械掃描的模式，具有跟蹤速度快、可以同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)的特點(diǎn)。

相控陣天線(xiàn)中關(guān)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(jì)算出各個(gè)移相器的相移量，然后通過(guò)天線(xiàn)控制器來(lái)控制饋電網(wǎng)絡(luò)完成移相過(guò)程。由于移相能夠補(bǔ)償同一信號(hào)到達(dá)各個(gè)不同陣元而產(chǎn)生的時(shí)間差，所以此時(shí)天線(xiàn)陣的輸出同相疊加達(dá)到最大。一旦信號(hào)方向發(fā)生變化，只要通過(guò)調(diào)整移相器的相移量就可使天線(xiàn)陣波束的最大指向做相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描和跟蹤。

3.4.2 視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)

視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有良好的數(shù)據(jù)處理能力、可靠性和穩(wěn)定性。靈活拓展的軟硬件架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)良好的業(yè)務(wù)拓展性。同時(shí)網(wǎng)關(guān)適用于多種類(lèi)型機(jī)車(chē)部署應(yīng)用。網(wǎng)關(guān)提供多種接口，包括工業(yè)級(jí)的萬(wàn)兆和千兆數(shù)據(jù)接口，USB接口和其他擴(kuò)展業(yè)務(wù)接口，提供高功率的POE電源輸出，采用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)設(shè)計(jì)，使其方便與機(jī)車(chē)安裝部署。

車(chē)載網(wǎng)關(guān)高度集成處理器、內(nèi)存、SSD硬盤(pán)、2.5GbE網(wǎng)卡、1GbE網(wǎng)卡。在LINUX系統(tǒng)上進(jìn)行車(chē)載網(wǎng)關(guān)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)加密、斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)的功能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、完整和安全。

3.4.3 視頻分析算法

本系統(tǒng)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別，并選用Yolov3算法進(jìn)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(guò)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(xué)習(xí)模型進(jìn)行比對(duì)，提取目標(biāo)區(qū)域。在目標(biāo)區(qū)域提取后，將區(qū)域內(nèi)矩陣與深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行深度對(duì)比，通過(guò)設(shè)置成功率（本系統(tǒng)設(shè)置為50%），將識(shí)別出的結(jié)果返回。

系統(tǒng)對(duì)打電話(huà)、偏頭、平躺睡覺(jué)等違規(guī)行為進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)比對(duì)LKJ行車(chē)時(shí)間對(duì)手比、確認(rèn)、握拳、探身、站立等規(guī)范動(dòng)作進(jìn)行分析，大大提升了機(jī)務(wù)工作效率和安全管理能力。

4 結(jié)論

基于上述分析，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）通過(guò)5G天線(xiàn)可以做到3分鐘內(nèi)將機(jī)車(chē)一個(gè)交路所產(chǎn)生的視頻文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面服務(wù)器，相較于之前U盤(pán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的方式減輕了駕駛員的勞動(dòng)量，并且保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性，也減少了設(shè)備損壞所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）通過(guò)視頻分析算法識(shí)別可以對(duì)駕駛員及行車(chē)數(shù)據(jù)起到很好的識(shí)別監(jiān)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。

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