高速鐵路鋼軌伸縮調節器視頻監控系統的研發與應用

張鳳林，林永碩，李 鳴

(1.西安鐵路局 工務處，陜西西安 710054;2.西安鐵路局科研所，陜西西安 710054)

鋼軌溫度伸縮調節器是高速鐵路軌道結構的重要設備部件，鄭西高速鐵路渭河特大橋鋪設了10組伸縮調節器，用來調整無縫線路鋼軌和大跨度連續梁梁體受溫度影響產生的位移變形。據觀察統計，發生最大位移的時間夏季大多在下午，冬季大多在凌晨。為保證鋼軌伸縮調節器的位移值及結構狀態在運營安全范圍之內，需要每天觀測檢查;由于高速鐵路觀測檢查只能在夜間綜合天窗時間內進行，無法24 h實時掌握伸縮調節器結構和梁體位移的真實情況;因此，建立科學有效的遠程自動檢測監控系統，了解高速鐵路基礎設施的狀態，對于作出正確的維護決策，保證高速鐵路行車安全是至關重要的。

近年來鐵路系統視頻信息化建設得到了較快發展，已陸續建成安全生產指揮系統、防洪防災監控系統、鐵路客運監控系統等，實現了在鐵路內部TMIS網絡上的傳輸與共享。但是這些系統需要鐵路光纖通道傳輸，以及供電系統配合，建設中甚至影響鐵路行車。針對線路上的限制條件，研發了鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節器太陽能無線3G-VPDN視頻監控系統，可以不受區間傳輸通道及電源環境限制，在距離和空間上取得突破性進展。

1 3G-VPDN視頻監控系統功能

隨著3G技術在國內的逐步推廣，3G技術在視頻監控行業的應用已經成為熱點。CDMA作為三種主流3G技術標準之一，在國內的應用發展迅速，在一個無線信道傳送高速數據報文的情況下，理論上支持下行數據速率最高可達3.1 Mbps，上行速率最高達1.8 Mbps。中國電信數據業務費用按流量或時間計算，隨著中國電信大力推廣3G業務，費用也在逐步降低，為CDMA2000網絡的應用普及提供有利的條件，3G網絡視頻監控也越來越受人們關注。

鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節器視頻監控系統是基于3G-VPDN的視頻監控系統，系統采用無人執守方式，太陽能光伏轉換裝置供電，采集數據及圖片，利用中國電信3G網絡和鐵路局既有TMIS網絡，在數據傳輸方面采用VPDN技術，實現TMIS網中授權用戶遠程監控鋼軌溫度伸縮調節器的目的。

系統具有以下功能:①采用光伏電源設備，節省電池容量，解決高速鐵路及鐵路區間無電源問題，避免因從供電接觸網取電而干擾行車，降低系統建設的造價;②前端視頻服務器支持3G無線方式接入，實現免布線，提高安裝速度;③VPDN保證信息安全，防止非法用戶訪問鐵路TMIS網，并鑒別身份的真實性，防止假冒身份;④根據工作需要，定時上傳設備狀態圖片(D1格式視頻定時抓圖回傳)，定時查看前端動態圖像;⑤TMIS網中有權限用戶客戶端調用或下載前端圖像，3G移動客戶端調用或下載前端圖像。

2 系統結構及網絡工作原理

2.1 系統總體結構

系統總體結構可以分為4層結構:設備接入層、網絡傳輸層、中心管理層和業務處理層，如圖1所示。

圖1 系統結構

圖2 VPDN工作原理

2.1.1 設備接入層

設備接入層主要指現場終端固定設備。

視頻終端安裝在專門設計的支架上，監控鋼軌伸縮調節器的構件隨溫度變化的位移情況;其主要模塊包括:太陽能供電設備、CCD視頻信號采集攝像機、視頻服務器(包含A/D轉換模塊、3G無線傳輸模塊、存儲器)、專用標尺等。

2.1.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層是依托中國電信運營商的3G無線網絡，充分利用3G的帶寬資源傳輸視音頻和數據信息。由運營商提供VPDN網絡，各種無線設備需要使用特定的手機號及用戶名和密碼，才能訪問該網絡資源，實現“專網專號專用”，最大限度保證數據安全，防范外部入侵。

2.1.3 中心管理層

中心管理層包括:接入服務器、管理服務器、數據庫、流媒體服務器、存儲服務器、報警服務器等模塊，為整個系統的運行提供管理支撐。

2.1.4 業務處理層

業務處理層是整個系統的最終展示，它提供了對視音頻數據的瀏覽、對各種采集數據的匯總以及檢索回放處理等功能。

2.2 VPDN工作原理

由于在傳輸過程中，使用了3G通道，如何解決網絡安全就成了本系統建設中急需解決的關鍵問題。為此，經與中國電信協商，建立了西安鐵路局基于3G無線接入方式的虛擬專用撥號網業務(3G+VPDN)，它是利用L2TP隧道傳輸協議，可以在現有的撥號網絡上構建一條虛擬的、不受外界干擾的專用通道，從而實現采用有線專用網絡方式訪問企業內部資源，如圖2所示。

即3G無線視頻終端用戶通過3G模塊連入中國電信LAC服務器。LAC服務器通過用戶名或接入號碼識別出該用戶為TMIS系統VPDN用戶后，就和路局TMIS系統LNS進行連接驗證，基于從LAC請求中獲得的名字和隧道密鑰。LNS會通過查找本地的VPDN配置，檢查該LAC是否允許建立隧道。

如果認證通過，終端和LNS之間進入 IPCP(IP Control Protocol IP控制協議)階段，路由被建立起來，對話也開始在終端和LNS之間進行。LAC負責轉發數據，LAC和LNS之間的數據會在VPDN隧道中傳輸。VPDN用戶與LNS成功建立連接，開始進行通信。3G網絡中的視頻終端使用UM卡，MSI號是UM卡的全球唯一標識，在得到UM卡的同時就有了與這個卡相關的MSI號，這個信息可以作為身份鑒別的一個因素。身份認證服務器主要功能為檢驗用戶帳號的合法性和權限，并提供一定的審計功能。在身份認證系統中既對比用戶使用的MSI號，也對比用戶的帳號和密碼，從4方面進行用戶身份的鑒別。設備接入層視頻服務器3G模塊需要使用特定的手機號及用戶名和密碼，才能訪問該網絡資源，實現“專網專號專用”，只有4項輸入全部正確時，遠端的3G視頻終端信息才能通過虛擬專用網絡進入TMIS，通過虛擬的安全通道和用戶內部的用戶網絡進行連接，而公共網絡上的用戶則無法穿過虛擬通道訪問用戶網絡內部的資源。充分保證了TMIS數據安全，在系統中不僅MSI號是唯一的，而且一個帳號綁定一個MSI號，這樣就防止了UM卡的竊取、盜用。如果不法分子竊取到UM卡，在不知道用戶的帳號及口令的情況下，依然不能連接進入網絡。

通過在路局TMIS防火墻上設置訪問控制列表的目的地址，可設置一臺服務器能被3G無線視頻終端訪問，TMIS網絡中其它服務器不能被無線終端訪問。通過設置，嚴格控制無線終端對服務器的訪問規則，保證各種訪問的合法性。

3 系統軟件設計

在系統中要實現的功能有很多，可以分為以下幾個組成部分:視頻采集檢測、視頻編碼、傳輸與客戶端交互等主要線程，如圖3。

系統的前端采集軟件是基于嵌入式Linux平臺，在進行系統應用軟件設計之前，首先要完成搭建嵌入式Linux開發環境，建立引導裝載程序Bootloader，移植Linux內核，移植根文件系統，編寫、修改和移植Linux驅動程序等工作，然后對系統的應用程序進行開發。

圖3 軟件流程

客戶端程序使用ANCI C對海康威視(Hikvision Ds-40xxhc+Ds-40xMD SDK)進行二次開發，真正達到了開發高效、穩定、簡單、快速的效果。如對第三通道啟動視頻錄像只需調用下面一句(Start_Video_Capture(3，”，1，3);網絡監控 2.0 系列平臺軟件(如圖 4)基于B/S和C/S構架模式，適用公網環境視頻監控應用的解決方案，一方面面向大量終端用戶提供監控服務，另一方面提供類似傳統專網監控中的集中監控功能。B/S平臺架構軟件由Web管理中心和Web客戶端組成，通過中心服務器構架數據庫和Web Server服務，來實現B/S構架下的設備、用戶權限管理以及預覽和回放等操作。Web管理中心:主要完成系統的配置操作，進行區域、設備和用戶的配置等功能。Web客戶端:通過Web登錄管理中心獲取相關權限，進行預覽、回放等操作，如圖4。

經授權的客戶端輸入帳戶、密碼及服務器域名，完成區域設置、用戶管理、數據庫導入、導出設置，即可實現對遠端視頻圖片的調用、查詢、分組輪詢及遠程升級、系統重啟等功能。

圖4 客戶端軟件界面

4 結束語

高速鐵路鋼軌溫度伸縮調節器視頻監控系統的特性是利用3G+VPDN技術進行視頻數據的無線網絡傳輸，整合了太陽能供電技術、3G數據通訊功能和數字視頻編碼等多種技術。把光能轉換為電能，把攝像機圖像經過視頻壓縮編碼模塊壓縮，通過智能無線通訊終端發射到3G網絡，利用鐵路TMIS網絡傳輸通道，實現視頻數據的交互、發送、接收、加解密、加解碼、鏈路的控制維護等功能。尤其適合于普速鐵路及高速鐵路沿線固定設備集中監控系統，也適用于基建、電力、管線、交通、石油、公安、城市管理等行業重要場所安全防護的無線監控。

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