鐵路機車檢修作業(yè)遠程視頻實時傳輸實習課堂的研究與實踐

張中央，王秀清

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450052)

一、引言

鐵路職業(yè)院校鐵道機車專業(yè)主要培養(yǎng)鐵路機務系統(tǒng)面向運用、檢修崗位群的技術技能型人才，要求學生有較強的實踐動手能力。在對學生的培養(yǎng)過程中，如果學生在工作前就能夠充分了解機務生產一線現(xiàn)場生產實際情況，有很多機會實際觀摩機車檢修或機車操縱主要崗位的詳細工作過程，則對幫助學生更好理解所學專業(yè)知識和提高學生的實踐動手能力、提高職業(yè)素養(yǎng)起到非常大的作用。通常的方法是組織學生到鐵路生產現(xiàn)場進行認識實習、生產實習等，在鐵路各專業(yè)教學計劃中也有專門安排。在鐵道機車專業(yè)長期的現(xiàn)場實習中，仍然存在著生產實習不能解決的問題，那就是機車中修整車解體、組裝和大型電器、機械設備解體組裝全部工藝流程與作業(yè)過程并不是每次現(xiàn)場實習時段都能遇到，再加上鐵路機務段在機車整車、大型設備檢修過程中參與工作人員較多，一般不太愿意有大量學生的實習而影響他們的正常工作。這樣，即使能遇到這樣的機會，也只能安排一定量的學生到現(xiàn)場觀摩學習，達不到生產實習的教學目標。為了彌補鐵路職業(yè)院校學生實踐教學中由于鐵路基層單位生產周期等原因沒能身臨生產一線進行實時學習的缺陷，我們與鄭州機務段聯(lián)合開發(fā)了“鐵路機車檢修現(xiàn)場作業(yè)遠程視頻實時傳輸播放系統(tǒng)”，建立基于移動3G 或普通互聯(lián)網的遠程視頻虛擬實習課堂，系統(tǒng)在不影響現(xiàn)場工人正常工作的前提下，同時為了實習教學的需要，老師在學校可以遠程實時查看生產現(xiàn)場情況，得知檢修車間要進行機車檢修作業(yè)時，并在得到機務段的允許下開啟遠程視頻實時傳輸系統(tǒng)傳送生產車間機車檢修作業(yè)畫面，并且還可以對錄像信息進行存儲、回放、加工處理等，攝錄資料加入教學資源庫，不斷豐富專業(yè)教學資源。該項目是國家骨干院校重點建設專業(yè)的子項目之一，是學院2013 年重點科研項目。

二、系統(tǒng)組成與技術要求

1.系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)以互聯(lián)網為傳輸基礎，采用網絡攝像技術將機務段架修車間現(xiàn)場的作業(yè)畫面實時傳回學院課堂，可以通過互聯(lián)網在學院終端對作業(yè)現(xiàn)場攝像頭進行遠程操作，調整最佳攝像角度和位置，拍攝工作場景畫面。

在一個工作場所，根據需要可以安裝多個攝像頭，多個攝像頭通過網絡交換機集中后連接互聯(lián)網。攝像頭可以采用固定式、云臺式和可調鏡頭式，達到采集全景影像、采集特寫鏡頭、采集特別崗位影像目的。視頻數據采集回來后，學院老師或管理員可以對視頻進行編輯、疊加講解語音、回放等操作。該系統(tǒng)主要組成有:視頻采集端(網絡攝像頭)，數據服務器(錄像文件存儲服務器，數據庫服務器)、本地操作端等，具體構成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2.技術要求

現(xiàn)場作業(yè)點選在鄭州機務段檢修車間機車架修區(qū)、電機檢修區(qū)，在此兩個作業(yè)區(qū)現(xiàn)場安裝網絡攝像頭，采用彩色一體化高速網絡球形攝像機、視頻服務器(DSN-M4T)(可選帶語音的)，需要工作現(xiàn)場有Internet 互聯(lián)網接入，直接將網絡鏈接到網絡攝像頭，使攝像頭攝錄的視頻信息直接接入互聯(lián)網;對于特殊地點，攝像頭攝錄信息也可以通過3G 網絡方式將其接入互聯(lián)網。

在學院“虛擬實習課堂”，學院作為本系統(tǒng)的主要控制端，主要包括數據庫服務器、錄像文件存儲服務器、本地操作端(即視頻錄像編輯臺和教學控制臺)。因為本系統(tǒng)主要以互聯(lián)網為基礎，現(xiàn)場的攝像頭是網絡攝像頭，所以學校必須配有互聯(lián)網平臺，任課教師通過使用遠程視頻教學軟件進行網絡教學和相應的視頻下載、加工和管理工作。

數據服務器用于安裝SQL Server 或Oracle 網絡數據庫，主要用于保存授課教師對錄像源文件的存儲、編輯等操作信息，以及其他的日常管理記錄;錄像文件存儲服務器主要用于存儲錄制和編輯完成的視頻文件;本地操作端，授課教師可以對遠程的網絡攝像頭進行操作，同時還可以對錄像信息進行編輯、存儲;遠程視頻教學系統(tǒng)采用分布式技術，支持與學院局域網系統(tǒng)、視頻服務器等對接，可提供遠程實時教學監(jiān)控、教學錄像存儲、機務段作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)聽、錄像智能檢索、輪巡查看、記錄管理等。

三、系統(tǒng)功能及實現(xiàn)方法

遠程視頻教學系統(tǒng)是以計算機網絡為核心，結合IP 視頻技術、視頻和音頻數據壓縮及解壓處理技術、計算機網絡技術的一種集成化遠程視頻教學系統(tǒng)，它將遠程視頻信息通過網絡和終端通信，與信息管理系統(tǒng)結合使用，提高學校的教學管理水平和效率，該系統(tǒng)主要包括以下主要功能。

1.多路現(xiàn)場視頻顯示

系統(tǒng)能夠同時顯示多路視頻信息，并可顯示現(xiàn)場攝像頭工作狀態(tài)信息，根據需要可以進行4 路、9路、16 路視頻的切換，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)攝錄傳輸的多路生產現(xiàn)場畫面

2.遠程控制攝像頭云臺控制

根據現(xiàn)場教學的需要，通過遠程控制配置云臺裝置的攝像頭進行角度切換、拉近拉遠等操作。

3.現(xiàn)場視頻信息采集

采集現(xiàn)場視頻信息分為預約采集和實時采集兩種。當選擇預約采集時系統(tǒng)可以在指定的時間開啟攝像頭采集現(xiàn)場視頻;如果選擇實時采集，用戶可以不間斷地對現(xiàn)場視頻進行采集。

4.多路視頻同時錄制、播放

可以實現(xiàn)多路視頻同時錄制和播放，并且可以隨時在一個畫面與多個畫面之間進行快速切換。

5.視頻文件的非線性編輯

為了更好地服務教學，學校教師可以對采集的視頻信息進行非線性編輯處理，可以選擇任意現(xiàn)場視頻對其進行任意剪輯、合成，同時還可以根據需要添加畫外音和在視頻上添加額外的文字說明，待編輯完成后，可以將其輸出并保存。

6.歷史錄像記錄回放

可以對采集過的現(xiàn)場錄像文件進行回放，也可以對編輯好的視頻文件進行回放。

7.錄像文件格式轉換

可以將視頻文件進行格式轉換，方便視頻文件的保存和擴充視頻文件播放的兼容性。

視頻數據采集回來后學校教師或管理員可以對視頻進行編輯、疊加講解語音、回放等操作，所以該系統(tǒng)主要有:視頻采集端(網絡攝像頭)、數據服務器(錄像文件存儲服務器、數據庫服務器)、本地操作端等。

四、系統(tǒng)技術特點

遠程視頻教學系統(tǒng)是以數字網絡為傳輸介質、網絡視頻服務器為核心，綜合全面使用數字視頻處理技術、自動控制、網絡傳輸技術和人工智能等技術。有快速視頻處理能力、數字信息抗干擾能力、快速查詢記錄等，主要特點有以下幾個方面。

1.結構清晰簡單

監(jiān)控主機通過網絡視頻集中監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件實現(xiàn)了模擬系統(tǒng)中視頻矩陣、畫面分割器等設備的眾多功能，并通過電腦硬盤實現(xiàn)錄像功能，使系統(tǒng)結構大為簡化、集成度高。

2.管理應用簡便

由于數字監(jiān)控系統(tǒng)基于計算機和網絡設備，絕大部分系統(tǒng)控制管理功能通過計算機實現(xiàn)，無須在模擬系統(tǒng)中設眾多繁雜的設備，減輕了操作維護人員的管理工作強度。

3.強大的操作功能

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種顯示模式;多畫面智能切換輪巡、隨時啟停等多種錄像方式、圖片抓拍打印、智能快速錄像回放查詢等。

4.監(jiān)控查看簡便

由于全數字化網絡視頻集中監(jiān)控模式基于網絡的特性，無須增加設備投資，網絡上的遠程或學校遠程教學中心均可以實時監(jiān)控、錄像或任意回放一個或多個監(jiān)控現(xiàn)場畫面，授權的聯(lián)網電腦也可以實現(xiàn)監(jiān)控功能，避免了地理位置原因造成監(jiān)督管理的不便和缺位。

5.極高的安全性能

圖像掩碼技術，防止非法篡改錄像資料;只有網絡上的授權電腦才可以進行錄像備份，有效防止惡意破壞;網絡故障斷網緩存功能，有效保護視頻數據;視頻中斷主機報警功能;設置授權分級管理功能和強大日志管理功能。

6.無限的無縫擴展能力

監(jiān)控攝像機的增加主要是前端的遠程監(jiān)控點增加，而監(jiān)控前端通過IP 地址進行標識，增加設備只需把IP 地址擴充即可，這樣，應用簡單的結構可以組成龐大的多級監(jiān)控網絡。

五、結論

歷時近一年的研究，該系統(tǒng)成功應用于鐵道機車專業(yè)實習教學，有效彌補了專業(yè)學生到不了實習現(xiàn)場的缺憾，積累了豐富的機車檢修作業(yè)視頻資源，對專業(yè)實習教學發(fā)揮了積極的作用。

［1］彭強，楊天武，陳維榮，等.分布式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻傳輸技術研究［J］.鐵道學報，2002(2):49-54.

［2］宋秀萍，龔猷龍.基于MPEG-4 的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.安防科技，2010(2):20-23.

［3］李樹前.基于MPEG-4 的網絡視頻監(jiān)控技術研究與系統(tǒng)實現(xiàn)［D］.南京:南京航空航天大學，2007.

［4］方志剛.遠程實踐教學:理念·環(huán)境·創(chuàng)新［J］.中國遠程教育，2013(1):58-64.

［5］張信和.遠程開放教育廣告設計專業(yè)實踐教學模式的構建與實施策略［J］.中國遠程教育，2013(10):65-70.