無(wú)人駕駛車輛CCTV系統(tǒng)整體解決方案

楊 愨 ， 汪忠海

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉 林 長(zhǎng) 春 1 30062）

城市軌道交通運(yùn)行模式的發(fā)展大致經(jīng)歷了 3個(gè)階段:人工駕駛模式、人工駕駛的自動(dòng)化運(yùn)行模式、全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式。目前“全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式”在我國(guó)還有點(diǎn)陌生，但近20年來(lái)在國(guó)際上已得到了廣泛的應(yīng)用，并且已成功地應(yīng)用于一些大運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)中[1]。

全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式車輛的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:司機(jī)的職能完全由自動(dòng)化的技術(shù)來(lái)替代，車輛與OCC（運(yùn)營(yíng)控制中心）的通信的信息量大幅增加，信號(hào)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)接口更加緊密和復(fù)雜，列車的各主要系統(tǒng)都由 OCC遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于司機(jī)室沒(méi)有了司機(jī)，如果車輛發(fā)生什么情況，安裝在客室和司機(jī)室的攝像機(jī)就充當(dāng)了司機(jī)的眼睛，通過(guò)OCC的監(jiān)控顯示屏可以選擇任意車輛的任意攝像機(jī)，用來(lái)監(jiān)控每個(gè)車輛的狀態(tài)，因此無(wú)人駕駛車輛的CCTV（closed-circuit television）系統(tǒng)的整體方案對(duì)于無(wú)人駕駛車輛來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)人駕駛車輛CCTV系統(tǒng)運(yùn)用了世界上最先進(jìn)的傳感技術(shù)、監(jiān)控?cái)z像技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，組成一個(gè)多功能全方位監(jiān)控的高智能化的處理系統(tǒng)[2]。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是有視頻輸入設(shè)備完成視頻數(shù)據(jù)的采集，將采集到的視頻數(shù)據(jù)送入視頻編碼器進(jìn)行編碼，經(jīng)過(guò)編碼后的H.264碼流通過(guò)無(wú)線傳輸模塊和設(shè)備送入無(wú)線信道進(jìn)行傳輸，接收端通過(guò)無(wú)線接收模塊從Internet接收數(shù)據(jù)，一旦有數(shù)據(jù)到達(dá)，即送入視頻解碼器進(jìn)行解碼并且顯示[3]。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 CCTV系統(tǒng)整體框架圖Fig.1 Whole frame of the CCTV System

2 系統(tǒng)詳細(xì)分析

2.1 視頻采集

2.1.1 IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

無(wú)人駕駛車輛的視頻采集工作是通過(guò)安裝在客室和司機(jī)室的攝像機(jī)來(lái)完成的。目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，因此通常選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。由于每條線路運(yùn)行的車輛很多，每個(gè)車輛上又有很多攝像機(jī)，為了使OCC更好的訪問(wèn)每個(gè)車輛，車輛上通常安裝IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。每一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)都有自己的IP網(wǎng)址，數(shù)據(jù)處理功能，和內(nèi)置的應(yīng)用軟件，可以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用，使得圖像監(jiān)控技術(shù)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。首先，網(wǎng)絡(luò)的綜合布線代替了傳統(tǒng)的視頻模擬布線，實(shí)現(xiàn)了真正的三網(wǎng)（視頻、音頻、數(shù)據(jù)）合一，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)即插即用，工程實(shí)施簡(jiǎn)便，系統(tǒng)擴(kuò)充方便；其次，跨區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能，特別是利用互聯(lián)網(wǎng)，圖像監(jiān)控已經(jīng)沒(méi)有距離限制，而且圖像清晰，穩(wěn)定可靠；再者，圖像的存儲(chǔ)、檢索十分安全、方便、可異地存儲(chǔ)，多機(jī)備份存儲(chǔ)以及快速非線性查找等。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的工作原理

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)除了具備一般傳統(tǒng)攝像機(jī)所有的圖像捕捉功能外，機(jī)內(nèi)還內(nèi)置了數(shù)字化壓縮控制器和基于WEB的操作系統(tǒng)，使得視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮加密后，通過(guò)局域網(wǎng)，Internet或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送至終端用戶。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以直接接入到TCP/IP的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，因此這種系統(tǒng)主要的功能就是在聯(lián)網(wǎng)上面，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行視頻和音頻的傳輸[4]。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一般由鏡頭、圖像傳感器、聲音傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、圖像、聲音、控制器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、外部報(bào)警、控制接口等部分組成。

2.1.3 IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在車輛的布置

每個(gè)客室安裝2個(gè)或者4個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，用來(lái)監(jiān)控客室車輛的狀態(tài)。要保證攝像機(jī)的視角范圍要覆蓋全車，不能有死角。安裝位置可以考慮安裝在側(cè)頂活門和中頂。每個(gè)司機(jī)室安裝一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，布置在司機(jī)臺(tái)的前面，用來(lái)監(jiān)控車輛前方軌道的好壞。

2.2 視頻編碼

由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集的數(shù)字化視頻信息占用的數(shù)據(jù)帶寬很高，通常在20 MB/秒以上，因此計(jì)算機(jī)很難對(duì)之進(jìn)行保存和處理。采用壓縮技術(shù)以后通常數(shù)據(jù)帶寬降到1-10MB/秒，這樣就可以將視頻信號(hào)保存在計(jì)算機(jī)中并作相應(yīng)的處理。IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)置數(shù)字化壓縮控制器，把采集來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮成如下格式：H.264、M-JPEG、MPEG1、MPEG2、MPEG4等，不同的壓縮格式會(huì)呈現(xiàn)不同的圖片質(zhì)量和頻寬占用情況。H.264能夠在較低頻寬上提供高質(zhì)量的視頻傳輸，適合車輛多、上傳視頻頻寬相對(duì)有限的狀況。在同等的畫質(zhì)下，H.264比MPEG-2平均節(jié)約64%的傳輸碼流，比MPEG-4平均節(jié)約39%的傳輸碼流。

2.3 視頻發(fā)送

每個(gè)客室和司機(jī)室分別安裝一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，每臺(tái)車的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與本車的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接，構(gòu)成車輛上的CCTV監(jiān)控系統(tǒng)。司機(jī)室的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的視頻服務(wù)器，用于視頻信息的發(fā)送。為了使一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的故障不影響下一臺(tái)車，推薦使用冗余環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。冗余環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示。

圖2 冗余環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的拓?fù)鋱DFig.2 Topological graph of the exchange board in redundance link

冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)其中一臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到故障點(diǎn)，并自動(dòng)重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接路徑，確保除故障交換機(jī)之外的其它交換機(jī)能夠保持連接，不影響其它交換機(jī)所連接設(shè)備通訊。

2.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸

2.4.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

由于車輛和OCC之間距離很遠(yuǎn)，不適宜布線，因此車輛和OCC之間可以利用無(wú)線電波來(lái)傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號(hào)，達(dá)到視頻監(jiān)控的作用。無(wú)線視頻監(jiān)控分為：模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。數(shù)字微波傳輸就是先把視頻編碼壓縮（HD-6001D），然后通過(guò)數(shù)字微波（HD-9500）信道調(diào)制，再通過(guò)天線發(fā)射出去[5-6]。

由于采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞绞艿綗o(wú)線信道資源的限制，因此可以采用如下4種方式上傳視頻信息：

1）在OCC上只能顯示一個(gè)攝像機(jī)的圖像，每個(gè)攝像機(jī)的帶寬經(jīng)過(guò)H.264壓縮后為1.5 M，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬為1.5 M，可以上傳至OCC。

2）在OCC上可以同時(shí)顯示4個(gè)攝像機(jī)的圖像，車輛上的CCTV系統(tǒng)需要提供一個(gè)解碼器（Encoder）。當(dāng)OCC上顯示一個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，同上面所示；當(dāng)OCC上需要同時(shí)顯示4個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，用解碼器實(shí)現(xiàn)截取4個(gè)畫面的圖像，這樣四個(gè)畫面的帶寬也為1.5 M，可以上傳至OCC。

3）在OCC上可以同時(shí)顯示 4個(gè)攝像機(jī)的圖像，利用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠提供雙碼流的功能。當(dāng)OCC上顯示一個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，利用車輛CCTV系統(tǒng)和地面設(shè)備的高帶寬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（帶寬為1.5 M），1～15幀/秒的速率上傳，圖片尺寸為795×596，同上面所示；當(dāng) OCC上需要同時(shí)顯示 1個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，利用車輛CCTV系統(tǒng)和地面設(shè)備的低帶寬無(wú)線網(wǎng)絡(luò) （帶寬為11 kps），1幀/4秒的速率傳輸，圖片尺寸為320×240這樣 4個(gè)攝像機(jī)的帶寬小于 11 kps，可以上傳至OCC。

4）在OCC上可以同時(shí)顯示4個(gè)攝像機(jī)的圖像，車輛上的視頻接收系統(tǒng)需要提供一個(gè)解碼器（Encoder）。當(dāng)OCC上顯示一個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，同上面所示；當(dāng)OCC上需要同時(shí)顯示4個(gè)攝像機(jī)的圖像時(shí)，用解碼器實(shí)現(xiàn)截取4個(gè)畫面的圖像，這樣1個(gè)畫面的帶寬也為1.5 M，方便上傳至OCC。

2.4.2 無(wú)線天線

由于OCC與車輛的距離較遠(yuǎn)，因此在車輛上需要安裝無(wú)線視頻傳輸天線來(lái)傳輸視頻信息。天線的類型比較多，一種是鍋狀的定向天線，一種是棒狀的全向天線。對(duì)于車輛來(lái)說(shuō)，適合選擇全向天線。

2.5 視頻接收

視頻接收有如下3種接收方式。

2.5.1 無(wú)線網(wǎng)橋模式

①點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

圖3 無(wú)線網(wǎng)橋點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式Fig.3 Wireless network bridge in point to point mode

②點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)

圖4 無(wú)線網(wǎng)橋點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式Fig.4 Wireless network bridge in point to multi-point mode

2.5.2 無(wú)線AP覆蓋模式

圖5 無(wú)線AP覆蓋模式Fig.5 wireless AP in covering mode

2.5.3 混合模式

圖6 混合模式Fig.6 Admixture mode

2.6 視頻解碼

經(jīng)過(guò)視頻解壓縮，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

2.7 視頻顯示

最后的模擬信號(hào)將顯示在OCC上。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人駕駛車輛在司機(jī)室沒(méi)有司機(jī)的問(wèn)題，本文提出了無(wú)人駕駛車輛CCTV系統(tǒng)整體解決方案，使車輛在沒(méi)有司機(jī)的情況下，也能夠時(shí)時(shí)監(jiān)控車輛上的狀態(tài)，保證車輛的整車運(yùn)行和乘客的安全。

圖7 視頻顯示圖Fig.7 Video display chart

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