摘要：重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法具備完善、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ㄟ壿嫛Ｍㄟ^設(shè)計機(jī)車位置公里標(biāo)獲取函數(shù)、機(jī)車位置與安全防控區(qū)段（視頻范圍）的距離計算函數(shù)、矢量值計算函數(shù)、最小安全距離獲取函數(shù)、視頻上車推送函數(shù)等多個自定義函數(shù)，完成數(shù)值、矢量計算，根據(jù)算法返回值可及時有效地將安全防控區(qū)段視頻推送至機(jī)車，在無須進(jìn)行視頻推送時則終止推送，從而降低司機(jī)視頻分析強(qiáng)度，預(yù)防司機(jī)疲勞駕駛，提升視頻上車輔助效能，有效保證行車安全。

關(guān)鍵詞：重載機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(yùn)通道，年運(yùn)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(diǎn)與終點(diǎn)海拔落差超1 500米。朔黃鐵路運(yùn)行狀況較復(fù)雜，多長隧道區(qū)段、下坡道區(qū)段及制動帶閘區(qū)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(yùn)行部件和線路造成沖擊損傷，需要司機(jī)時刻關(guān)注機(jī)車行進(jìn)前方狀況，尤其是在安全防控區(qū)段應(yīng)盡量做到對行車控制進(jìn)行預(yù)判，使機(jī)車最大限度地平穩(wěn)行駛，確保行車安全。

1" "研究意義

重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻推送上車可有助于機(jī)車司機(jī)做好行車預(yù)判，避免過激操控，預(yù)防事故的發(fā)生[1]。

通過在安全防控區(qū)段安裝各型攝像頭完成視頻采集，利用現(xiàn)場機(jī)車車載設(shè)備獲取機(jī)車運(yùn)行位置并基于自研位置確認(rèn)算法、視頻預(yù)告策略，由系統(tǒng)服務(wù)器將特定區(qū)段視頻傳送至車載視頻終端，將機(jī)車運(yùn)行前方線路情況提前以視頻方式直觀地反饋給司機(jī)，提醒司機(jī)做出相應(yīng)操控處理，以避免發(fā)生事故，有效保障運(yùn)輸安全。

視頻推送時機(jī)的選擇在整個視頻推送過程中是極其重要的一環(huán)，其推送控制需要考慮如下兩方面的內(nèi)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(jī)車。二是要避免視頻過度推送，分散機(jī)車司機(jī)注意力，降低視頻預(yù)判的敏感度，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。

通過對重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法的研究，將視頻推送時機(jī)設(shè)定為最優(yōu)，充分發(fā)揮重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車的作用，有效保障運(yùn)輸安全[2]。

2" "研究內(nèi)容

（1）機(jī)車位置與安全防控區(qū)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(shí)時車速、車重、線路耐受指數(shù)、最大通過速度）進(jìn)行研究，在考慮機(jī)車行駛方向、與安全防控區(qū)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(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法。

3" "算法實(shí)例

3.1 機(jī)車位置與安全防控區(qū)段（視頻范圍）的距離算法

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

鐵路公里標(biāo)作為鐵路建設(shè)過程中的常量，具備米級精度。因此在鐵路線路兩點(diǎn)距離計算上一般用鐵路公里標(biāo)完成，而非兩點(diǎn)的GPS位置，同時通過兩點(diǎn)的公里標(biāo)差值計算，可以得出兩點(diǎn)距離的矢量值。按照視頻采集的空間范圍，機(jī)車位置與安全防控區(qū)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(jī)車位置與安全防控區(qū)段（視頻范圍）的距離計算函數(shù)f_l（）所需變量、子函數(shù)進(jìn)行定義，詳細(xì)說明如下。

3.1.1 安全防控區(qū)段視頻采集攝像頭公里標(biāo)（K）

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

3.1.2 安全防控區(qū)段（視頻范圍）公里標(biāo)（Ks）

視頻圖像在鐵路線路上表現(xiàn)為一段線路長度，因此ks又細(xì)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(biāo)表征。Ks_u和Ks_d取值按照攝像頭及推送系統(tǒng)是否具備實(shí)時圖像分析功能進(jìn)行細(xì)分，取值公式如下。

3.1.2.1 不具備實(shí)時圖像分析功能

Ks_u=圖像的線路下行方向邊緣公里標(biāo)

Ks_d=圖像的線路上行方向邊緣公里標(biāo)

3.1.2.2 具備實(shí)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(biāo)

⊙ 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(biāo)

Ks_d=最靠近下行方向的外因所在位置的線路公里標(biāo)

3.1.3 機(jī)車位置公里標(biāo)（Kj）

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

Kj=f_kj（abs（Kt-k），abs（Kg-k））

f_kj（）函數(shù)返回abs（Kt-k）、abs（Kg-k）結(jié)果的數(shù)值最小值所對應(yīng)的Kt或Kg值。

機(jī)車位置與安全防控區(qū)段（視頻范圍）的距離計算函數(shù)f_l（）如下。

L_u=f_l（Ks_u-Kj）;L_d=f_l（Ks_d-Kj）

L_u為機(jī)車位置與安全防控區(qū)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(jī)車位置與安全防控區(qū)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(shù)返回Ks與Kj的鐵路公里標(biāo)數(shù)值差

值，當(dāng)Ks_u、Ks_d=無窮大時，fl（）函數(shù)返回?zé)o窮大。

⊙當(dāng) f_l（）函數(shù)返回鐵路公里標(biāo)數(shù)值差值為正數(shù)時，

其矢量值為“+”，矢量值含義為機(jī)車位置在安

全防控區(qū)段（視頻范圍）公里標(biāo)（Ks）的下行方向。

⊙當(dāng) f_l（）函數(shù)返回鐵路公里標(biāo)數(shù)值差值為負(fù)數(shù)時，

其矢量值為“-”，矢量值含義為機(jī)車位置在安

全防控區(qū)段（視頻范圍）公里標(biāo)（Ks）的上行方向。

⊙當(dāng) f_l（）函數(shù)返回?zé)o窮大時，其矢量值為“0”，矢

量值含義為無須向機(jī)車推送視頻。

3.2 最小安全距離算法

實(shí)際最小安全距離（Lsmin）受諸多因素影響，例如實(shí)時車速、車重、線路耐受指數(shù)、最大安全通過速度等。重載機(jī)車實(shí)際最小安全距離（Lsmin）的計算已有眾多單位、科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，相應(yīng)的計算結(jié)果可以在本算法中直接引用。實(shí)際應(yīng)用中，考慮機(jī)車行駛方向，實(shí)際最小安全距離又可以細(xì)分為實(shí)際上行方向最小安全距離（Lsmin_u）和實(shí)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(shù)f_min（）所需變量、子函數(shù)進(jìn)行定義，詳細(xì)說明如下。

3.2.1 機(jī)車行駛方向矢量值（Dj）

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

3.2.2 距離補(bǔ)償（L_offset）

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

L_offset=V*Ts

機(jī)車行駛速度（V）可通過機(jī)車車載設(shè)備（TAX箱）獲取。視頻推送一般通過無線網(wǎng)絡(luò)完成，按照視頻流大小、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的不同，存在視頻自攝像頭采集至機(jī)車收到視頻的時間上的延遲。視頻推送延遲（Ts）可以通過現(xiàn)場實(shí)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(shù)f_v（x1，x2）

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

3.2.4 最小安全距離（Lmin）獲取函數(shù)f_min（）

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

⊙ 當(dāng)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(jié)果為機(jī)

車上行方向行駛，f_min（）返回Lsmin_u+L_offset，

Lmin應(yīng)用Lsmin_u并用L_offset補(bǔ)償。

⊙ 當(dāng)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(jié)果為機(jī)車下

行方向行駛，f_min（）返回Lsmin_d+L_offset，

Lmin應(yīng)用Lsmin_d并用L_offset補(bǔ)償。

⊙ 當(dāng)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(guān)系，Lmin取

0，無須進(jìn)行視頻推送。

3.3 重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法

重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法由f_st（）函數(shù)完成，函數(shù)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(shù)值

絕對值。

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

u）-Lmin、abs（L_d）-Lmin數(shù)值差值的數(shù)值小者。

⊙ min（abs（L_u）-Lmin，abs（L_d）-Lmin）返回的

數(shù)值差值小者與數(shù)值0比較，若大于0，f_st（）函

數(shù)返回“true”，表征開始進(jìn)行視頻推送；若小

于等于0，f_st（）函數(shù)返回“1”，表征結(jié)束正

在進(jìn)行的視頻推送或不進(jìn)行視頻推送。

4" "結(jié)束語

重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法具備完善、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ㄟ壿?。通過對機(jī)車位置、機(jī)車速度、機(jī)車行駛方向、最小安全距離、視頻推送延遲等計算諸元的數(shù)值、矢量計算，根據(jù)算法返回值可及時將安全防控區(qū)段視頻推送至機(jī)車，在無須進(jìn)行視頻推送時則終止推送，從而降低司機(jī)視頻分析強(qiáng)度，預(yù)防司機(jī)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(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送算法已經(jīng)在朔黃鐵路重載機(jī)車安全防控區(qū)段視頻上車推送系統(tǒng)中得到實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

參考文獻(xiàn)

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