視頻監控技術在川藏鐵路中的應用探討

嚴 瑾

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

川藏鐵路雅安至林芝段位于青藏高原東南部的四川省和西藏自治區境內，線路東起四川省雅安市，向西經天全、瀘定、康定、雅江、理塘、巴塘后，跨過金沙江進入西藏自治區境內，而后經貢覺、昌都、八宿、波密至林芝，具有“顯著的地形高差”、“強烈的板塊活動”、“頻發的山地災害”、“脆弱的生態環境”等四大特點[1]。

川藏鐵路是我國西藏自治區對外運輸通道的重要組成部分，是引導產業布局、促進沿線國土開發、整合旅游資源的黃金通道，也是鞏固國家邊防安全的重要戰略通道，對國家經濟、社會、交通運輸、國防安全有著重大意義。視頻監控系統作為鐵路建設和運營的“千里眼”，探討其在川藏鐵路中的應用，對保障川藏鐵路建設和運營安全具有重要意義。

1 需求分析

1.1 視頻監控應用需求更廣

1.1.1鐵路建設期視頻監控需求

川藏鐵路線路長，且沿線地質條件極端惡劣，在這種條件下進行鐵路建設，對視頻監控系統有巨大的應用需求。作為建設管理的有效手段，通過視頻監控系統能有效地管理施工現場，確保施工質量和進度。同時，還能做好現場紀錄監控日志，便于日后查詢。更重要的是，視頻監控系統能更有力地保障施工現場人員的安全，如遇突發情況，能夠及時有效地組織開展應急工作，并為事后分析提供圖像資料。

1.1.2特殊場景視頻監控需求

川藏鐵路途經的區域地質災害頻發，其中塌方、滑坡、泥石流、巖堆、高陡邊坡、危巖落石等對鐵路工程的影響尤為突出，因此，有必要對其開展實時圖像監測，實現事前預警，事中報警。

1.1.3設備遠程維護視頻監控需求

川藏鐵路運營環境復雜，鐵路養護維修工作條件十分艱苦，利用視頻監控系統，通過圖像和視頻分析技術，對鐵路沿線設備進行遠程維護，能有效提高工作效率，減輕維護人員的工作量。

1.2 安防需求更高

川藏鐵路是國家邊防安全的重要戰略通道，其安防監控系統尤為重要，主要體現在：

(1)對圖像的需求更高，不僅要“看得見”，更要“看得清”。

(2)對大場景和智能化的需求更高。

(3)前端攝像機的數量更多、更密集。

(4)對夜間視頻監控圖像的質量要求更高。

(5)需采用視頻監控方式進行周界入侵報警，對入侵行為進行實時監測、報警，為鐵路沿線巡防、警務人員及時處置非法入侵行為提供有效支持。

(6)需建立網絡安全防護體系，保障視頻監控系統的安全應用。

1.3 存儲數據量更大

川藏鐵路視頻需求大，攝像機數量多，監控系統數字化、高清化要求高，視頻數據量激增，存儲數據急速膨脹，且視頻監控數據的重要程度高，數據丟失所帶來的損失與影響大。因此，亟需構建一個高效、安全可靠、自由擴展、管理方便的視頻監控存儲平臺，提高視頻存儲處理能力，且更加有效地管理存儲數據。

1.4 系統接口需求更多

川藏鐵路視頻監控系統需要和諸多系統進行聯動，如電源及環境監控系統、門禁系統、旅客服務信息系統、消防系統、地質災害監測預警系統、牽引變電系統、接觸網系統、各運維管理系統等，以提高系統預警和報警的準確性和可靠性。

1.5 系統運維需求

川藏鐵路復雜環境對視頻監控系統運維有更多的智能化需求，對系統設備有更高的要求。如故障智能分析與預警、設備健康評價與全生命周期管理、遠程操控維護以及設備故障應急運維與決策，需要適應環境、低能耗、長壽命的設備等。

2 視頻監控技術的應用研究

2.1 視頻智能分析技術

2.1.1應用環境

視頻智能分析是保障川藏鐵路建設和運營的重要技術手段，其對象包括人、設備、物體等。主要應用有：

(1)人臉識別、復雜場景下的人員密度和數量統計、異常行為的檢測和分析。

(2)對關鍵設備運行情況的全天候全時段視頻智能巡檢。

(3)對塌方、滑坡、泥石流、巖堆、高陡邊坡、危巖落石等地質災害的監測、預警、報警等。

(4)對入侵和侵限事故的檢測與報警(包括人員和異物)，包括智能識別和判斷侵限物體類型，對入侵行為的分析、定位和跟蹤等。

2.1.2現狀分析

目前，視頻智能分析技術在軌道交通和高速鐵路領域，主要應用于人臉識別、客流統計等方面，其他方面的應用較少。夜間光照不足、惡劣天氣、圖像壓縮處理、網絡傳輸帶寬受限等造成圖像質量不佳，目標與背景相似或背景雜亂等導致目標分割以及特征信息提取困難，復雜異常行為、事件建模困難，相應的智能分析算法識別性能不高等，制約了智能視頻分析技術在鐵路沿線的應用[2]。

2.1.3研究方向

根據川藏鐵路的特點和需求，對視頻智能分析技術進行以下幾個方面研究：

(1)進一步研究視頻智能分析技術的主要應用場景，并根據需求分析梳理分類，研究對應的智能模式識別算法。

(2)研究與深度學習算法相結合，模擬神經網絡，通過不斷學習，提高智能分析的準確性。

(3)研究與塌方監控系統、滑坡監控系統、泥石流監控系統、危巖落石監控系統等多種系統的數據融合處理技術，實現主動預警，滿足事前預防、事中響應、事后追查的需求。

2.2 存儲技術

2.2.1應用環境

川藏鐵路視頻監控系統采用集中存儲方式，在車站設置存儲設備，對全線各類視頻數據進行存儲管理，重點區域的視頻存儲時間按90 d考慮。

2.2.2現狀分析

目前，鐵路視頻監控系統的存儲主要采用服務器+IPSAN架構存儲系統，前端監控數據通過服務器中的錄像存儲管理模塊存儲到IPSAN存儲設備中，存儲時間按15 d考慮。現有的存儲系統存在單一設備的局限性，一旦發生集中回放，容易造成單一節點性能瓶頸，且不同存儲單元之間的數據無法共享冗余[3]。無法滿足川藏鐵路綜合視頻監控系統視頻數據隨機讀寫量大、單站前端圖像并發壓力大、視頻存儲時間長的要求。

此外，目前也有部分鐵路的視頻監控系統采用了云存儲的方式，在車站級視頻監控系統設置云存儲系統，實現車站內視頻存儲資源云化，但不具備數據多云域間互為備份的功能，且各云存儲服務平臺均采用私有的接口規范，不同廠家間設備無法兼容，數據無法互通。

2.2.3研究方向

根據川藏鐵路的特點和需求，對存儲技術進行以下幾個方面研究：

(1)分析鐵路綜合視頻業務應用對存儲資源和計算資源的需求特點以及視頻流存儲寫入的特點。

(2)研究業務虛擬化技術，通過模塊化設計并搭載業務統計和智能分配策略，將業務分解進行智能分配，將多個主機虛擬化為一個業務集群。

(3)研究川藏鐵路視頻應用中的結構化數據應用，提出全面開放存儲模式，提高存儲系統兼容性。用戶的數據業務不再局限于某一個廠商或產品，可根據川藏鐵路的業務需求及特點選擇匹配的存儲設備。

(4)研究鐵路視頻數據的高效存儲和檢索技術。

2.3 夜視技術

2.3.1應用環境

夜間視頻監控是川藏鐵路安全保障系統非常重要的一部分。視頻監控系統需實現對鐵路沿線“全方位、全天候”監控，不僅包括7×24 h晝夜監控，還包括在刮風、下雨、大霧等不良天氣條件下的監控。夜間視頻監控范圍主要包括：

(1)車站咽喉區、隧道口、緊急救援站、緊急出口、避難所、公跨鐵立交橋兩側、橋梁救援疏散通道、調度局界口、沿線路基地段[4]。

(2)通信、信號、信息、牽引供電、電力等各類設備機房室內、外場所。

(3)客運站房的公共安全區域，包括車站出入口、車站通道、安檢區、候車廳、售票廳、站臺、檢票區等。

(4)貨運車站的重點安全區域，包括貨運倉庫、貨運站臺、貨場等[5]。

2.3.2現狀分析

目前，鐵路夜間視頻監控多采用超低照度和星光級的攝像機，輔助光源根據監控距離采用紅外LED、激光光源等，監測距離在200 m以內的攝像機采用無紅爆紅外LED輔助光源，監測距離在200 m以外的攝像機采用激光光源。

紅外LED和激光光源夜視技術均受不良天氣影響大。同時，紅外LED監控距離短，使用壽命短，維護成本較高，成像質量一般；激光光源監控范圍小，難以實現多點監控、維護成本高[6]。

2.3.3研究方向

根據川藏鐵路的需求，進一步研究其他夜視技術在鐵路上的應用，如將熱成像攝像機不同光譜成像優勢作為普通攝像機的補充，采用多種夜視技術相結合的方式，實現全天候監控，在保證監控場景的同時，感知生命體禁區闖入，為夜間實現智能分析功能奠定良好的基礎。

2.4 數據挖掘技術

2.4.1應用環境

在大數據時代，數據挖掘技術在鐵路視頻監控系統中有非常廣泛的應用。數據挖掘技術能夠高效、及時且低容錯率地進行數據統計、分析和計算，是提高視頻智能分析效率和準確度的基礎[7]。

2.4.2現狀分析

目前，鐵路視頻監控系統的功能較單一，未實現與其他系統的深度融合、資源共享、信息聯動，視頻圖像一般是被動調用，未實現視頻圖像資源的分類管理和主動推送。

2.4.3研究方向

運用數據挖掘技術從海量視頻數據及其他相關系統數據中提取重要信息，為川藏鐵路不同部門提供快速的智能化視頻搜索、查詢、轉發、推送，是需要研究的重要內容。

2.5 物聯網技術

2.5.1應用環境

川藏鐵路沿線地質條件惡劣，建設期臨時視頻監控系統及運營期部分災害工點(如塌方、滑坡、泥石流、危巖落石等)的視頻監控采集點至視頻匯集點的視頻信息均無法采用有線通信系統進行傳輸，建立一套安全可靠的現場視頻數據承載網絡是亟需解決的問題。

2.5.2現狀分析

目前，鐵路視頻監控系統視頻采集點通過光纜或電纜等有線方式接入視頻匯集點；視頻匯集點通過通信傳輸系統或三層交換機組網的方式接入視頻接入節點；視頻接入節點通過IP數據網接入視頻區域節點。物聯網技術在視頻監控系統上的應用尚處于研究階段。

2.5.3研究方向

物聯網是一種高密度、低功耗、低時延的無線連接，是目前實現艱險山區鐵路沿線設備信息傳輸的有效技術手段，其研究方向包括以下兩方面：

(1)隨著鐵路物聯網技術的發展，提供一種能適配多源異構、滿足寬窄帶數據統一接入的信息傳輸通道，將成為了鐵路通信技術的發展趨勢，是現場視頻數據傳輸方案的重要選擇之一。

(2)研究前端攝像機作為“視頻傳感器”與物聯網技術的融合[8]。

3 研究解決方案建議

隨著視頻智能分析、智能聯動、數據共享、大數據相關業務的廣泛應用，川藏鐵路的建設、運營、維護、管理將更加精細化、一體化、全過程化。根據川藏鐵路的視頻監控需求分析，結合智能分析、存儲、夜視、數據挖掘及物聯網等視頻監控技術的應用發展，對川藏鐵路的視頻監控系統解決方案進行初步構想。

(1)采用基于云平臺的視頻監控系統。以線路為單位，建立統一云平臺系統，具有分布式架構，全局存儲虛擬化，對外提供整體云資源池服務，實現多業務共享數據應用。系統需采用標準接口協議，提供開放的Iaas基礎存儲資源池，為建立多云管理平臺提供條件。

(2)基于深度學習的智能分析技術，采用邊緣視頻分析技術和后臺視頻分析相結合的方案。同時采用與其他監測技術多手段融合的方案，滿足全天候、全方位的安全需求。

(3)夜間監控采用采用紅外LED、激光光源、熱成像等多種夜視技術相結合的方式。

(4)視頻監控系統通過數據挖掘、關聯與分析，對視頻數據進行全方位大數據分析，并結合物聯網技術，建立一套川藏鐵路智能視頻監控系統。

4 結束語

川藏鐵路是迄今為止人類歷史上最具挑戰性的鐵路建設工程，如何通過系統科技創新，確保川藏鐵路建設“高效、優質、安全、環保”是值得深入思考的問題。 本文圍繞川藏鐵路“高起點、高標準、高質量”的建設和運營的需求，以科技創新為主線，結合智能分析、存儲、夜視、數據挖掘及物聯網等視頻監控技術的應用發展和研究，建立了一套安全、穩定可靠、高效的智能視頻監控系統，使川藏鐵路視頻監控系統在理論、技術和標準上均取得了新突破，提高了系統的智能化和集成化水平，對提升川藏鐵路建設水平、安全水平和綜合效益具有重大意義，將為適應經濟社會發展新常態、服務國家發展戰略提供強有力的支撐。