機車車載安全防護數(shù)字高清自動視頻技術研究

王健，高軒，張一洋

（沈陽鐵道科學技術研究所有限公司，沈陽 遼寧 110013）

1 背景

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的機車運行安全監(jiān)控設備己經(jīng)無法滿足機車司機和鐵路管理部門的需求。為了幫助機車司機更加安全地駕駛,避免重大事故的發(fā)生,很多科研院所及公司都在開發(fā)機車安全監(jiān)測防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠幫助司機更好地駕駛機車,使其在駕駛室內(nèi)就能掌握整個機車的運行狀況,甚至在設備出現(xiàn)異常時能夠發(fā)出警報,降低其工作強度,使其能夠更加安全地操控機車。同時,該系統(tǒng)還可以為地面管理部門提供機車運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控,對機車司機的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)控和全程的記錄,提高他們對機車運行安全的監(jiān)管能力。

近年來，和諧型機車都安裝了機車車載安全防護系統(tǒng)（簡稱6A系統(tǒng)），有效地提高了機車防范安全事故的能力。然而，現(xiàn)有機車6A系統(tǒng)中自動視頻監(jiān)控均采用的是模擬攝像頭，存在分辨率低、畫面圖像質(zhì)量不清晰等問題，已無法滿足現(xiàn)場運用需求；另一方面，仍有部分車型的機車還未安裝6A系統(tǒng)。因此，本文結(jié)合機車運用要求及實際情況出發(fā)，提出一種分布式機車車載安全防護數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)。

2 研制目標

本系統(tǒng)是在6A系統(tǒng)安全監(jiān)測視頻子系統(tǒng)的基礎上，將原有的模擬攝像頭及編碼組件替換為數(shù)字高清攝像頭，為6A視頻子系統(tǒng)提供高清視頻實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄。通過安裝在車前、車后、車內(nèi)等部位的多路數(shù)字高清攝像頭，使司機能及時了解機車內(nèi)外的情況；高分辨率的圖像質(zhì)量，使視頻存儲變得更有價值。

主要研制目標：

（1）實現(xiàn)實時采集各監(jiān)控區(qū)域的高清視頻圖像，并通過以太網(wǎng)方式發(fā)送，司機室視頻含音頻。

（2）實現(xiàn)視頻圖像疊加監(jiān)控區(qū)域、車次、機車號、時間、公里標、速度、硬盤錄像標識（●REC）和火災報警等信息。

（3）視頻存儲要求：①監(jiān)控視頻幀率不低于25幀/s、分辨率不低于720P格式存儲；②實時存儲監(jiān)控區(qū)域音視頻數(shù)據(jù)，存儲時間不少于10天；③音視頻存儲采用滾動方式，當占用的存儲介質(zhì)空間達到上限時，自動覆蓋早期的音視頻數(shù)據(jù)；④具備外掛USB存儲器同步存儲功能，插入授權的 USB 存儲器后一分鐘內(nèi)應開始同步存儲，采用滾動存儲方式。

（4）實現(xiàn)自動查殺視頻非法文件功能，通過判斷接入系統(tǒng)的存儲介質(zhì)（硬盤或U盤）中文件的命名及類型，可自動將存儲介質(zhì)中非法文件刪除。

（5）視頻數(shù)據(jù)下載要求：①通過USB接口進行數(shù)據(jù)下載，平均下載速度不小于50MByte/s；②通過以太網(wǎng)接口使用專用軟件下載，平均下載速度不小于3MByte/s；③通過直接拔出存儲介質(zhì)的方式，獲取整個存儲音視頻數(shù)據(jù)。

（6）視頻回放要求：①可根據(jù)監(jiān)控區(qū)域、時間、事件信息等在顯示終端或地面設備對歷史視頻數(shù)據(jù)進行回放； ②在歷史視頻回放過程中，應能快進、慢放和暫停；③在使用專用播放器播放歷史視頻時，可以實現(xiàn)與LKJ記錄項點的聯(lián)動分析。

（7）系統(tǒng)自檢：實時監(jiān)測攝像頭、存儲介質(zhì)的運行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給中央處理平臺，自檢故障應能自動恢復。

3 主要解決技術問題

3.1 編解碼方式改變

該系統(tǒng)去掉原有6A視頻子系統(tǒng)模擬攝像頭及編碼組件，直接使用數(shù)字高清攝像頭將視頻進行數(shù)字采集，高清編碼壓縮并IP封裝，通過以太網(wǎng)傳至視頻處理板進行存儲，數(shù)字高清攝像頭兼容現(xiàn)有的OSD疊加協(xié)議。

3.2 畫質(zhì)優(yōu)化

該系統(tǒng)數(shù)字高清攝像頭掃描方式為逐行掃描，畫面較改造前的模擬攝像頭視頻能夠更好地捕捉細節(jié)，圖像顯示質(zhì)量更清晰，更自然流暢。

3.3 干擾能力提升

原有6A視頻子系統(tǒng)，攝像頭信號通過同軸線纜將視頻圖像傳輸至編碼板進行圖像編碼處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳至視頻處理板進行顯示和存儲，視頻信號傳輸過程中易受環(huán)境電磁干擾影響，且信號轉(zhuǎn)換過程中易出現(xiàn)信號損耗，使圖像質(zhì)量受影響。

改進為數(shù)字高清攝像頭后，數(shù)字高清攝像頭對視頻進行數(shù)字采集，編碼后通過雙絞線傳輸至視頻處理板進行顯示和存儲，雙絞線受環(huán)境電磁干擾影響較小，整個視頻處理過程圖像質(zhì)量幾乎不受外界安裝環(huán)境影響。

4 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)實時采集車前、車后、車內(nèi)等部位的多路數(shù)字高清攝像頭，在視頻圖像上疊加監(jiān)測部位，公共報文信息中的車次、機車號、時間、公里標、速度和火災報警信息等，安裝在司機室的音視頻顯示終端可供司機實時查詢各位置攝像頭的實時狀況。

該系統(tǒng)將設備運行過程中采集的高清視頻流存儲于視頻存儲盤中，為用戶提供多種數(shù)據(jù)下載方式，對歷史視頻圖像進行回放，視頻圖像上疊加監(jiān)測部位、車次、機車號、時間、公里標、速度和火災報警信息等。

對于內(nèi)重聯(lián)機車，可通過配置視頻處理器及網(wǎng)絡攝像頭IP地址及上報CPU IP地址，使處于同一局域網(wǎng)的重連機車可在音視頻顯示終端實現(xiàn)互看AB節(jié)視頻，視頻存儲互不影響。非重聯(lián)機車的車載子系統(tǒng)配置與內(nèi)重聯(lián)機車A節(jié)的配置一致。

5 功能和組成

5.1 功能

5.1.1 視頻數(shù)據(jù)采集

安裝在路況、司機室、機械間、電氣間等的數(shù)字高清攝像頭采集的實時視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳至視頻處理板：

5.1.2 視頻數(shù)據(jù)畫面信息疊加

視頻處理板將攝像頭監(jiān)控位置信息、CPU發(fā)送的TAX數(shù)據(jù)經(jīng)過提取后發(fā)送至數(shù)字高清攝像頭進行畫面信息疊加，疊加信息包括：(1)時間。(2)速度、公里標。(3)車次、車號。(4)監(jiān)控位置。（5）防火報警信息。（6）硬盤錄像標志、USB實時錄像標志。

5.1.3 視頻數(shù)據(jù)實時查看

音視頻顯示終端使用TCP協(xié)議，通過調(diào)用私有協(xié)議取流庫對視頻處理板進行實時取流，可切換多種畫面模式實時查看各個通道監(jiān)控圖像。

5.1.4 視頻數(shù)據(jù)存儲

視頻數(shù)據(jù)通過H.264方式壓縮后，按規(guī)定的文件結(jié)構存儲于視頻存儲盤中。采用滾動覆蓋機制。

5.1.5 視頻數(shù)據(jù)下載

可支持U盤實時轉(zhuǎn)儲、U盤備份下載、FTP下載、直接使用數(shù)據(jù)讀取裝置讀取硬盤方式下載視頻數(shù)據(jù)。

5.1.6 視頻數(shù)據(jù)回放

地面分析軟件可兼容播放高清視頻圖像，可根據(jù)監(jiān)控區(qū)域、時間、事件信息等對歷史視頻數(shù)據(jù)進行回放。在歷史視頻回放過程中，能快進、慢放和暫停。

5.1.7 授時功能

具備授時功能，通過解析視頻處理板接收的TAX信息中的時間信息，實時對視頻處理板校時，視頻處理板進而對數(shù)字高清攝像頭校時。當TAX信息中的時間信息無效時，則使用視頻處理板自身RTC時間運行。

5.2 組成

5.2.1 視頻處理板

視頻處理板接收CPU下發(fā)的TAX信息后，對信息進行提取分析，將需疊加的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡高清攝像頭。對視頻數(shù)據(jù)按要求進行存儲。實時檢測視頻子系統(tǒng)故障，將故障信息上發(fā)至CPU。

5.2.2 SWT交換機板

SWT面板上設置有連接數(shù)字高清攝像頭ETH接口，可同時連接大于8個網(wǎng)絡高清攝像頭，且使各數(shù)字高清攝像頭及視頻處理板處于同一局域網(wǎng)中，以實現(xiàn)各模塊間以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信息交互。

5.2.3 數(shù)字高清攝像頭

支持1920×1080、1280×960、1280×720三種分辨率，其視頻芯片為百萬像素的1/2.7"Progressive Scan CMOS傳感器，實時采集視頻數(shù)字信號，將視頻數(shù)據(jù)進行編碼后通過以太網(wǎng)發(fā)送至視頻處理板。

6 系統(tǒng)特點

（1）兼容6A視頻當前所有傳輸協(xié)議，改造后仍符合《TJJW 001G-2018 機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）機車自動視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)技術條件》。

（2）標準化設計。系統(tǒng)對外接口和系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)通信接口采用滿足IEE802.3標準的以太網(wǎng)接口。

（3）改造范圍小。將現(xiàn)有6A視頻子系統(tǒng)采集卡位置替換為SWT交換機板卡，數(shù)字高清攝像頭供電仍沿用模擬攝像頭供電方式及供電線纜，整體改造費用低。

（4）可靠性高。由于系統(tǒng)采用模塊化設計，各模塊都通過了實際項目的充分驗證，所以系統(tǒng)可靠性高。

（5）可維護性好。由于系統(tǒng)采用模塊化設計，單個模塊升級時，不影響其他模塊，所以系統(tǒng)可維護性好。

（6）可擴展性好。因網(wǎng)絡高清攝像頭圖像顯示質(zhì)量更高，能更好地捕捉細節(jié)，方便集成智能分析功能。

7 結(jié)語

機車車載安全防護數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)實現(xiàn)了對機車高清視頻監(jiān)控實時監(jiān)測和存儲。充分考慮了6A視頻子系統(tǒng)當前安裝情況，不斷優(yōu)化安裝策略，減少現(xiàn)場改動范圍，降低系統(tǒng)改造費用。對視頻畫質(zhì)流暢度和兼容原6A視頻子系統(tǒng)字體有較全面的考慮，達到了機車車載安全防護數(shù)字高清自動視頻系統(tǒng)的研制目標，并進一步提高了機車防范安全事故的能力。