鐵路視頻監控智能控制系統設計

韋昀昊

中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西 西安 710043

引言

目前鐵路視頻監控系統應用中，由于區間線路冗長、地形地勢多樣、行車組織要求高等原因，造成視頻監控系統前端設備的維護管理難度大、安全隱患多等問題。根據鐵路運營維護單位的反饋，超過70%的攝像機故障可由重啟開關電源操作進行恢復[1]。傳統的鐵路視頻前端控制箱僅包含攝像機的配電、防雷等基礎功能，不具備故障檢測、運行環境監測、自適應故障處理等功能。因此當視頻出現掉線時，需要運營維護人員提前取得天窗作業時間、驅車往返故障點進行人工開閉電源空開操作；并且攝像機及控制箱地處無人值守的線路上，由于電源線虛接、老化可能引發的打火、漏電現象，也極可能引發設備火災事故，從而可能引發行車安全事故。

本文所討論的鐵路視頻監控智能控制系統可完美解決此類問題，在前端攝像機發生未知故障時，可采用遠程控制的方式對攝像機進行遠程開關閘以及初步設備故障排查。在設備存在打火、過壓過載、漏電等危險狀況時，進行自動跳閘處理，并第一時間對故障設備進行告警，并將告警信息推送至客戶端。該智能多路控制系統可節約人力物力，確保在第一時間發現問題解決問題，最大限度滿足運營及維護單位的需求。

1 智能控制系統架構

鐵路視頻監控智能控制系統采用高速微處理器芯片作為整個系統的核心構件，通過改進鐵路綜合視頻前端控制箱內組成，增加光保護模塊、電源控制模塊、光纖路由器模塊、數據采集模塊、溫濕度控制模塊等，并利用鐵路通信傳輸網、數據網作為傳輸通道，實現對前端攝像機配電裝置遠程控制、實時監測智能前端控制箱箱體內各項數據、統計管理相關數據等功能，其網絡構成詳見下圖。

圖1 鐵路視頻監控智能控制系統網絡構成圖

2 系統設計

鐵路視頻監控智能控制系統包含智能前端控制箱、智能數據傳輸系統及后端平臺[2]。智能前端控制箱的核心部件主要為電源控制模塊、光纖路由器模塊、數據采集模塊；數據傳輸系統主要包含網絡交換機及服務器；后端平臺主要包含監測數據的接收實現、系統信息管理的邏輯實現及軟件、App等終端管理方式的展示。

2.1 智能前端控制箱

智能前端控制箱中的電源控制模塊通過電流互感器及電子脫扣器實現對攝像機配電裝置進行開關閘操作；通過數據采集模塊實現攝像機配電數據信息及控制箱箱體內電源及環境信息的采集；通過光纖路由器模塊實現對控制箱的遠程控制及數據傳輸。

電源控制模塊中，電流互感器包括磁回路及電回路兩部分，分別由鐵柱、鐵軛及絕緣外殼、初級電回路線圈、次級電回路線圈等組成。因電流互感器精度無法達到理想值，通過功率平衡原理的計算，在理想模型中：（其中VT代表電源電壓、IT為互感器的初電流、為電源電壓與互感器初電流的相位角、為電源電壓與互感器反向電流的相位角、M為互感器的標稱比），互感器初級安匝應等于次級安匝。因此，在設計過程中需要對電流互感器的采樣電流及采樣電壓進行調整，對互感器中的小信號交流電流進行濾波處理，保持功率平衡原理成立。

電源控制模塊中，電子脫扣器起到漏電保護作用，其所需的電源由控制模塊中的電流傳感器對三相電源進行隔離取電產生。當電流經過傳感器一次側的三相電源時，其二次側相應會產生交流縮小信號，經整流變換由交流小信號變為直流小信號樓，經過一系列轉換形成電子脫扣電流。

智能前端控制箱中的數據采集模塊由箱體電源及環境監控裝置、一體化采集器、探測器（溫/濕度、煙霧、水浸、紅外等）組成。實現對攝像機電源引入、攝像機交流設備工作運行狀況、智能前端控制箱環境的監控。其遙測量精度可達到交直流電壓小于±0.5%；各類電量測量誤差小于±2%；非電量測量誤差小于±5%；溫度測量誤差小于±1℃；在環境溫度為25℃、濕度范圍為30%RH～80%RH時，濕度測量誤差小于5%RH；當濕度超出30%RH～80%RH時，濕度測量誤差小于10%RH[3]。

智能前端控制箱中的光纖路由器模塊包含鐵路FE（E）、FE（O）、2M接口，可通過2芯光纖與區間基站、中繼站內的數據網交換機/SDH傳輸設備相連，將采集的數據信息匯聚至區間節點。模塊支持千兆以太網、快速以太網、SDH、DDN、Frame Relay鏈路，支持速率范圍在2Mbps、100Mbps、155Mbp。連接用戶網絡的方式包括通過POS和以太網技術等。

2.2 智能數據傳輸系統

智能數據傳輸系統由網絡交換機、服務器及操作終端構成，預留接入鐵路綜合視頻監控系統接口。系統在鐵路沿線基站、中繼站通信機房內設置匯聚交換機，分別利用兩芯光纖將每一區間內所有智能前端控制箱接入交換機，實現監測數據及控制信息的點對點匯聚[4-5]。再利用區間節點的鐵路數據網交換機/SDH傳輸設備將匯聚后的信息通過鐵路專網傳送至通信維修車間/工區及路局中心站段。在路局通信段設置智能控制系統服務器及操作終端，完成對前端視頻采集設備的遠程運維控制及數據監測、統計等功能。

2.3 軟件平臺

軟件平臺采用SSH框架及Mina框架共同構建而成，具有對系統收集數據進行統計、顯示、分析及處理等功能。軟件能夠根據用戶需求生成統計表格，對各項數據進行在線展示，同時對異常數據進行報警提示。根據終端操作的處理結果，儲存操作信息，動態橫向比對歷史信息，進行系統自主校對，為下一步的決策提供參考依據。其軟件功能架構詳見圖2。

圖2 軟件功能架構圖

3 現場測試驗證

根究研究內容，選擇在西安鐵路局陽安線管段內區間基站進行現場設備安裝測試，通過將系統接入鐵路傳輸專網，模擬跳閘、設備故障、光纖斷點、人為破壞等突發狀況，測試鐵路視頻監控智能控制系統的遠程合關閘成功率、報警推送及故障點鐵路里程定位成功率及設備電氣指標實時數據顯示等功能，具體測試結果詳見表1系統測試結果統計。

表1 系統測試結果統計

4 分析比對

與傳統鐵路視頻前端控制箱相比，本次研究的鐵路視頻監控智能控制系統具有以下優勢[6-7]：

4.1 故障告警，遠程解決

鐵路前端攝像機出現死機、斷電等常見故障時，視頻監控智能控制系統內置智能斷路器，可做到遠程控制電源分路重合閘操作，結合一體化運營軟件平臺的故障告警分析，70%故障現象都能迎刃而解，大幅節約人力物力成本。

4.2 智能芯片，實時監測

視頻監控智能控制系統內置智能芯片，可對電壓電流負載數據以及漏電、溫度異常等事件進行實時監測，遇到異常第一時間將告警信息傳至一體化運營軟件平臺，同時即刻切斷電源保障設備安全。為設備的安全運營保駕護航。

4.3 鐵路專網，定制開發

針對鐵路數據傳輸安全性、穩定性、可靠性的特點，特別為鐵路視頻系統定制設計了具備鐵路FE或RJ45口的有線傳輸接口，具備接入鐵路傳輸網或數據網的條件。

5 結束語

通過現場測試結果，結論如下：①本次研究的鐵路視頻監控智能控制系統可替代傳統的鐵路視頻前端控制箱對前端攝像機進行智能控制、管理及保護。②本次研究的鐵路視頻監控智能控制系統性能穩定，安全可靠，能夠有效減少鐵路維護人員的工作量。