高速鐵路視頻監控新技術應用

2017-06-28 12:23:35陶有好上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發有限公司

上海鐵道增刊 2017年1期

陶有好上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發有限公司

高速鐵路視頻監控新技術應用

陶有好上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發有限公司

2016年夏季，上鐵電務公司按照上級部署，對杭州地區高鐵線路相關區域進行了高清視頻增補。結合安防行業及鐵路監控領域多年技術應用，評估低照解決方案和紅外燈補光解決方案的優劣，運用超低照度解決方案較為完善地解決了弱光環境下的安防監控成像；同時，在傳統鐵路SDH網絡出現技術帶寬瓶頸的情況下，引入城域以太網和工業以太網進入鐵路工業監控領域，取得較好的技術、經濟效益。

超低照度成像；夜視技術；城域以太網；工業以太網

1 超低照度視頻監控技術應用

1.1 超低照度

超低照度攝像機通常指感光度較好的攝像機，只需要一點點光，就可以呈現比較明亮的圖像。而星光級超低照度攝像機是目前在夜晚監控中效果最好的一類攝像機，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應用于平安城市、交通市政、港口海事、軍用等對攝像機低照度性能要求比較高但又不宜外加補光設備的應用環境中。

根據攝像機的不同照度值，可以對它們進行分類。以攝像機正常工作照度范圍劃分為普通型，其最低照度值在（0.1～1）Lux間;月光型，其最低照度值在0.01Lux左右;而星光型就需要達到0.001 Lux以下了。在同樣的光照條件下，與普通照度的攝像機相比，星光級超低照度攝像機可以呈現更加明亮的圖像。

超低照度成像器件的主要技術要因有：大光圈鏡頭、高靈敏度感光器、高增益下的噪音處理、圖像增強DSP算法等，業界技術發展情況：

①降噪技術全面提升，夜間圖像更加清晰細膩。

②通過全新的NDG無損增益技術，可使信噪比提升6dB。

③搭配SMDE智能運動降噪引擎，可使信噪比再次提升30%。

一個完整的攝像設備由有兩部分組成，即鏡頭和攝像機，而攝像機又由感光器件(CCD或者CMOS)、復雜的信號處理電路、濾光片等組成。如果想實現超低照度，那么鏡頭、傳感器、DSP、濾光片等均需要滿足一定的技術要求，缺一不可。如圖1、圖2為不同照度性能攝像機成像對比。

圖1 常規照度攝像機成像

圖2 低照度攝像機成像

夜間監控攝像機主要分為紅外攝像機、熱成像攝像機及超低照度攝像機三種類型。這三類攝像機因各自不同的成像原理，可應用于不同的監控環境中。

主要夜視技術對比見表1。

表1 主要夜視技術對比

1.2 紅外攝像機

當環境光線暗到一定程度時，紅外攝像機會自動開啟自帶的紅外燈，通過主動發射紅外光，照亮監控目標，再通過采集反射回來的紅外光，從而生成圖像，是一種主動式紅外。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說的可以達到0 Lux的照度值。因此，如果是比較空曠的環境，紅外燈沒有可反射的物體，這樣圖像的顯示效果就相對較差。

對紅外攝像機來說，紅外燈的壽命也是用戶普遍比較關注的問題，而溫度過高是導致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10℃，紅外燈的壽命可延長1年。因此，紅外燈電路的散熱設計、功率大小都至關重要，尤其是遠距離紅外，距離越遠，紅外燈的功率越高，發熱量也會越大，當溫度高到一定程度，甚至會影響到攝像機圖像傳感器的效果。在工程實際應用中紅外光源1年明顯衰減、3年故障率極高，這是紅外補光攝像機應用存在的客觀現實問題。如圖3、圖4為攝像機紅外補光成像對比。

圖3 攝像機夜間無紅外補光成像

圖4 攝像機夜間有紅外補光成像

1.3 熱成像攝像機

自然界中，一切高于絕對零度(-273℃)的物質每時每刻都在源源不斷地向外輻射與自身性質、溫度相關的電磁波，我們稱這一現象為熱輻射現象。不同溫度下，物體所發出熱輻射的波長不一樣。熱成像攝像機的探測機理是利用目標和背景或目標各部分之間的輻射差異形成的紅外輻射特征圖像來發現和識別目標，通常是由對紅外光透明，不透過可見光和紫外線的高純鍺單晶材質鏡頭，同時利用熱紅外探測器將紅外輻射轉變為電信號。

因為熱成像攝像機的特殊工作原理，（3～5）μm和（8～14）μm的熱紅外線是大氣空間傳播的透明窗口，其成像不受光線影響，適用于完全黑暗、強光、逆光、眩光、雨、霧霾等環境之中，能清楚分辨不同物體、識別偽裝及隱蔽的目標。相對于普通攝像機而言，熱成像攝像機擁有更遠的探測距離，根據選配鏡頭焦距的不同，最遠監控距離可以達到幾公里以外。如圖5、圖6為可見光攝像機和紅外熱像儀成像對比。

圖5 普通攝像機成像

圖6 紅外熱像儀成像

簡要對比超低照度攝像機相對于紅外補光和熱像儀的綜合指標見表2。

表2 簡要對比超低照度攝像機相對于紅外補光和熱像儀的綜合指標

1.4 應用效果對比

（1）紅外補光燈應用方案

如圖7為為紅外補光攝像機的典型問題。

圖7 紅外補光攝像機的典型問題

（2）超低照度應用方案

如圖8、圖9為超低照度攝像機的技術優勢。

圖8 優異的低照性能，畫面均勻舒適，暗部細節完整，或可呈現低照度彩色圖像

圖9 優異的動態范圍，不受外部強光源影響

2 大規模城域以太網及工業以太網的應用

2.1 城域以太網在鐵路監控的應用

鐵路通信網絡經過幾十年發展，高度成熟的應用了電信傳輸網和IP數據網，承載著鐵路運行各專業數十個數據通信系統，這些系統的底層核心網絡是SDH同步傳輸網，具有穩定可靠、性能優異、業務豐富等多種優良特點，但隨著技術發展，數據通信業務爆炸式增長，各行各業的基礎通信設施都出現資源緊張也是客觀現實；在安防監控領域，無論是平安城市還是鐵路行業綜合視頻監控系統，高清IP監控技術的爆發式增長使得上述情況尤為突出，使得無論是接入層通信鏈路還是骨干層、核心層干線網絡帶寬全都捉襟見肘，甚至鐵路線路建設階段花大代價建設的10G/40G同步傳輸網的80%的資源都給視頻業務用了，同步傳輸網的高質量通信聯絡、電信級服務保證、端到端鏈路服務，這些優良的本為話音設計電信業務服務，用在統計復用的對抖動容忍相對寬松的IP數據包通信網絡，顯得有些牛刀殺雞、大材小用，而且，即使是電信運營商傳統話音業務，也基本上都承載在IP網絡上面了，IP的通信容量和服務質量已經沒有任何問題。

因此，對于視頻監控系統這種高帶寬要求、一般質量要求、低網管需求的常規IP數據通信網絡，采用以太網（城域）技術、以及適應鐵路行業前端設備的工業環境的工業以太網技術，是技術可靠、性價比優良的技術方向。

在本次工程中，對突發增長的1080 p高清IP監控業務，每路監控視頻需占用（4～6）Mbit/s實時傳輸帶寬，多個鐵路通信基站接入若干個前端監控點以后，將實時視頻信號匯集傳輸至車站集中存儲、分發、轉發，以一個車站I/II類視頻節點管轄20個基站、每個基站5路視頻共100路IP高清監控為例，共計需要約500 M左右的總帶寬，那么對于鐵路區間SDH傳輸網的622 M基礎帶寬來說，是個不小的挑戰，而且SDH傳輸網還有其他很多重要業務需要承載，不可能提供所有的帶寬給視頻監控業務使用，這樣利用區間既有光纖資源車站-基站層自建光纖以太網絡，是必然的選擇，除了優異的帶寬優勢，可以高性價比的搭建長途GE/10GE通信網，光纖以太網同樣具備多業務隔離和服務保證、復雜環網保護特性、統一網管等多種網絡服務特性。

（1）視頻匯聚節點與視頻采集點間接入層

新增各視頻采集點設置現場攝像機，各視頻匯聚節點（區間GSM-R基站、車站、部分區間節點）內設置帶光口的三層交換機，現場攝像機通過光纖工業以太網接入設備點對點直連至匯集點處的三層交換機，組成星形網絡，實現視頻圖像從視頻采集點向視頻匯聚節點的傳送。

視頻采集點至視頻匯聚節點間組網示意圖見圖10。

（2）視頻接入節點與視頻匯聚節點的匯聚層

新敷或利用線路既有光纜，利用各匯聚節點內三層以太網交換機及新敷設光纜中的2芯光纖通過GE（O）直連組建若干個 GE通道環形上聯至兩端視頻匯集點三層交換機。

視頻接入節點至綜合視頻匯聚點組網示意圖見圖11。