鐵路防洪區段視頻監控防護系統

周樂

【摘 要】針對南昆線K107+600-K108+630防洪看守區的狀況，確定設備布局方案，對多款攝像機進行對比研究，采集不同天氣條件下的視頻監控圖像，選出了比較適合使用在鐵路防洪區段視頻監控的攝像機，形成了一套鐵路防洪區段視頻監控防護系統，系統達到了部分替代人工看守的實際效果，為使用視頻監控防護系統替代人工看守提供了科學的決策依據。

【關鍵詞】防洪安全；智能視頻監控；系統設計；降低成本

中圖分類號： U216.41 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0048-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.021

南寧鐵路局線路大多處于亞熱帶山區地段，雷多且雨量較大，線路兩旁常有懸崖峭壁，或是陡峭的護坡。危巖落石、邊坡坍塌和泥石流等自然災害時有發生，嚴重威脅鐵路行車安全，加之汛期時間長，給鐵路沿線防洪帶來巨大壓力。工務部門在易發生危巖落石、邊坡坍塌和泥石流等險情的地段設置了有人看守點，安排專人進行24小時看護，便于及時發現、解除危及行車安全的險情。據統計，南寧鐵路局長期有人看守點共計124處，雇傭看守人員496名，一年要付出約2000多萬元費用，人力成本較高[1]。

南昆線K107+600-K108+630防洪看守區線路情況復雜，位于懸崖、江河邊上，彎道較大，早晚霧氣濃重，視野范圍較小，且存在落石及滑坡的危險，對于安全防護有很高的要求。因此在此區段安裝視頻監控設備，對該區段進行全天候的視頻監控，著重研究夜間及大雨、大霧等惡劣自然條件下的視頻監控效果，分析判斷是否能夠達到人工看護的實際效果，為使用視頻監控防護系統替代人工看守提供決策依據。

1 系統研究方案

1.1 系統結構

根據線路概況，視頻監控系統需覆蓋約1.5km長的線路范圍，而且該區段大部分屬于防洪Ⅱ級路段，需要進行長期看守，視頻監控系統需要對此路段進行實時監控，并將實時視頻畫面傳輸到最近的看守房中，以便現場看守人員能夠實時了解看守線路的具體情況。視頻監控系統由前端攝像機、防雷單元、傳輸設備、供電單元、高清硬盤錄像機、顯示設備等組成。系統設備總體布局結構如圖1所示：

2 圖像采集設備的選型

目前視頻監控市場上存在著各種各樣的攝像機，不同性能的攝像機拍攝得到的視頻圖像效果也存在著較大的差別[2]。根據本項目的研究內容，需要對監控區域進行全天候的視頻監控，著重研究夜間及大雨、大霧等惡劣自然條件下的視頻監控效果，因此在對攝像機進行選型的時候需要考慮所選攝像機的透霧能力、補光要求等。

2.1 攝像機透霧功能的研究

由于可見光在通過空氣中的煙塵或霧氣時，會被阻擋反射而無法通過，所以只能接收可見光的人眼是看不到煙塵霧氣后面的物體的。而近紅外光線由于波長較長，可以繞過煙塵和霧氣并穿透過去，并且攝像機的感光元件可以感應到這部分近紅外光，所以就可以利用這部分光線來實現穿塵透霧的監控，這就是 透霧原理。在不可見光的范圍內，有一定頻率的紅外光可以穿透霧氣，但是由于其波長和可見光不同，所以需要在攝像機和鏡頭上進行處理，以達到對其聚焦的目的， 同時還需要在攝像機上進行重新設計，用來將這一頻率的不可見光進行成像。由于這個不可見光沒有對應的可見光色彩圖，所以在監視器上呈現的圖像為黑白顏色[3]。透過云霧、水氣拍攝物體，相當于透過了兩重透鏡（水珠與實際透鏡），除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的GB均無法正常的投射在CCD成像面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像。

現代紅外熱像儀的工作原理是使用光電設備來檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系。所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

對具有透霧功能的透霧攝像機、紅外熱像儀及不具備透霧功能的非透霧攝像機三款設備獲得的圖像進行比較，透霧攝像機雖然能夠拍攝到霧氣后面的景象，但霧氣仍然很重，圖像畫面不夠清晰，透霧效果不理想；非透霧攝像機基本上無法拍攝到霧氣后面的景象，圖像畫面基本上被霧氣完全覆蓋；而紅外熱像儀從原理上基本不受霧氣的影響，但是由于拍攝的對象為鐵路線路狀況及其周邊環境，它們之間的溫度基本相同，通過紅外熱圖像基本無法分辨它們之間的差別，所以在圖像上無法看清線路狀況。

2.2 補光效果的研究

系統位于鐵路線路上，夜間補光是必不可少的。而且根據現場環境及供電要求，所選擇的補光燈功率不能太大，功率太大，耗電多；補光燈發光強度也不能太亮，燈光太亮會影響列車司機的瞭望。但是，若補光不足，攝像機拍攝得到的視頻圖像則會出現圖像畫面暗淡的問題，不利于監控人員的查看。因此，在對攝像機進行選型的時候，應選擇低照度攝像機。

根據經驗，在選擇補光燈的時候需要確保補光燈的功率不得大于30W[4]，而且結合鐵路線路的走勢，為了使燈光照射得足夠遠，補光燈的發散角度需要限定在45°以內。根據補光燈的照射距離，補光燈的安裝距離應保持在40～60米之間，太近則會增加補光燈的投入，太遠則會有部分路段無法得到有效的補光。同時為了避免補光燈直射攝像機形成監控盲區，特別是雨天、霧天造成的燈光折射和散射使得攝像機的監控區域完成被光線覆蓋，補光燈的照射方向與攝像機的拍攝方向應一致。

2.3 視頻周界防范

視頻周界防范是建立在傳統周界防護概念基礎上，通過應用智能視頻分析技術，對入侵者進行探測、報警，從而實現對住宅小區、大型工廠、邊海防、武警軍區等領域的周界防范[5]。視頻周界防范系統在視頻監控綜合管理系統上進行開發，基于嵌入式智能視覺分析技術，在周界防范的問題上利用它所具有入侵檢測報警和目標自動跟蹤功能模塊，除了能實現傳統周界防范系統終端報警的功能外，它最大的優勢是可以實時查看監控畫面、對入侵目標進行及時定位跟蹤、對越界行為進行聲光示警等智能化創新功能，對入侵事件能夠及時遏制，從而最大限度的將損失降低到最小。本系統中，需要防范的是落石或其他物體侵入到鐵路線路，對列車行車安全造成威脅，所以需將視頻監控范圍內的鐵路線路設定為防入侵范圍，只要有異物侵入設定的范圍，監控終端即發出警報，提醒看守人員注意，及時排除列車行車安全隱患。

3 鐵路防洪區段視頻監控方案

基于以上幾點，系統選定了具有防入侵功能的高清攝像機Ⅰ、高清攝像機Ⅱ、高清低照度槍機、高清低照度球機這幾款攝像機做氣候條件為白天晴天、雨天、霧天和夜間晴天、雨天、霧天的視頻圖像對比研究。經過試驗圖像對比分析，得出表1結論。

從表1對比可知，在各種不同的氣候條件下，高清低照球機拍攝得到的視頻圖像色彩度、清晰度均優于其他三款攝像機拍攝得到的視頻圖像。

結合高清低照度球機的試驗要求，得出了比較適合使用在鐵路防洪區段的視頻監控方案，方案如表2示。

4 結論

試驗結果表明，在選用試驗高清低照度球機作為監控攝像機的系統技術方案條件下（表2），晴好天氣白天和夜晚，視頻圖像清晰，監視系統能滿足監控需求，視頻監控能起到替代人工看守的作用；其他氣候條件下，視頻圖像不夠清晰，有效監控距離較短，只能起到部分替代作用，此時需縮減攝像機的安裝間距，投資加大，而且需加強巡防。

該系統采集到晴天白天和夜間情況下的視頻圖像清晰，能夠達到人工看護的實際效果；而在大霧、雨天等天氣情況下，該系統采集到的視頻圖像則不夠清晰，監控有效距離短，只能起到部分替代作用，在這些情況下需要加強巡邏。該系統還具有異物入侵報警功能，當落石等異物侵入鐵路線路時，系統將發出報警信號，及時提醒看守人員查看線路狀況，確保列車行車安全。“鐵路防洪區段視頻監控防護系統”達到了部分替代人工看守的實際效果，為使用視頻監控防護系統替代人工看守提供了科學的決策依據。

【參考文獻】

[1]張翠兵.鐵路防洪應急管理系統研究與應用[J].中國鐵路，2015，（3）：66-70.

[2]陶有好.高速鐵路視頻監控新技術應用[J].上海鐵道科技，2017，（01）：125-127.

[3]樊麗健，龔宗洋.基于透霧攝像機的車載監控系統[J].安防科技，2010，（01）：19-21.

[4]汪旭瑩，鄧衛燕，張飛，韓朋.紅外球形攝像機補光系統的設計與實現[J].電子技術應用，2015，（01）：36-38，45.

[5]魏成洪.淺談智能視頻分析在門崗和周界防范中的應用[J].科技資訊，2011，（01）：25-26.