鐵路客站視頻監控前端的設置方法與技術展望

趙一穎，姜志威

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 概述

鐵路作為國家重要的基礎設施和大眾化的交通工具，在現代運輸體系中發揮著重要的作用。鐵路旅客車站，特別是大型鐵路客運樞紐站，通常位于城市人口集散的主要區域，對客流的安全集散擔負著重要的社會責任[1]。在鐵路旅客車站內，候車區、樓扶梯、進/出站通道等處承載了大量的旅客客流流動，因此，車站管理面臨客流密度高、運營管理難度大、運輸組織復雜等諸多難題。視頻監控系統作為維護和保證運輸安全的重要手段，無論在日常運營管理，還是應急現場指揮中，均發揮著不可替代的作用。

隨著視頻監控設備高清化、多樣化的發展，鐵路旅客車站視頻監控前端設備也存在著選型標準各異、布點方式五花八門、覆蓋效果參差不齊的問題。在此背景下，本文首先分析視頻監控系統的工作原理，其次，分析對比半球、球機和槍機3 種類型的攝像機。再結合點狀、線形和矩形3 種典型場景，提出不同的布點方式建議，以滿足覆蓋要求，避免監控盲區。最后，簡要分析并展望智能視頻分析新技術在鐵路行業的應用。

2 視頻監控前端設備的選型

攝像機是鐵路旅客車站視頻監控系統的前端設備，主要由成像鏡頭、CMOS/CCD 傳感器等設備組成。以CMOS/CCD 傳感器為核心元器件，對現場畫面進行實時采集，在同步的視頻信號產生電流回路后，通過視頻信號處理芯片進行圖像處理和生成[2]。

鏡頭由光學鏡片組構成，研究中可等效近似為一片凸透鏡，主要參數包括焦距和光圈。其中，焦距決定物體在傳感器上成像的大小，光圈控制了鏡頭的景深、通光量。由于攝像機通常都具備自動對焦和自動調節光圈的功能，因此只需要根據凸透鏡成像規律，研究物體成像大小與鏡頭等效焦距之間的關系即可，如圖1 所示。

圖1 成像原理示意Fig.1 Schematic diagram of imaging principle

根據高斯成像原理，可得公式（1）：

公式（1）中：H：目標垂直方向尺寸。

S：目標與鏡頭之間距離。

f：鏡頭焦距。

h：目標在傳感器靶面上所成像的垂直方向尺寸。

變換后，可得公式（2）：

如公式（2）所示，可以計算出清晰可分辨的目標圖像，攝像機與目標圖像之間的最大距離。下面以1 920×1 080、200 萬像素、靶面大小約為1/2.8 英 寸、像 素 點 尺 寸 為2.4 μm×3.2 μm 的攝像機為例進行計算，參考約翰遜準則中的條紋線對數概念，若達到區分目標特征的標準，像素高度最少為16，則靶面成像的垂直尺寸h最小為0.051 2 mm。若目標垂直高度H為1.6 m（一般人體身高），目標與鏡頭距離S為40 m（一般車站候車廳寬度），可得鏡頭焦距f為1.28 mm。即鏡頭焦距為1.28 mm 的1 080 P 攝像機，最大覆蓋距離是40 m，隨著鏡頭焦距增加，覆蓋距離也會增加。

目前，鐵路旅客車站主要采用半球型攝像機、球型攝像機和槍型攝像機（固定焦距）等3 種類型的攝像機。根據《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》（Q/CR 575-2017）的規定，下面針對3 種類型攝像機在分辨率、信噪比、寬動態、最低照度、紅外等方面進行分析比較，具體內容如表1 所示。

表1 攝像機技術指標對比Tab.1 Comparison of camera technical indicators

綜上所述，3 種攝像機各有特點和適用范圍，應根據監控區域實際情況選擇最適合的攝像機類型。半球攝像機由于受外形體積制約，不可轉動，監控覆蓋能力有限，并且需要結合吊頂等建筑設施安裝，適用于小范圍監控，如人工售票服務區的工位。球型攝像機自帶云臺裝置，可轉動，具有監控視角靈活可變的優勢，適用于客流密集區域的定點調看，不適用于固定場景的連續監控。槍型攝像機具有安裝方式靈活、鏡頭類型多樣等特點，適用于大范圍監控，如售票廳、檢票口、候車廳、樓扶梯、站臺等諸多場景，是鐵路旅客車站視頻監控攝像機的主要選型對象。

3 典型場景的視頻監控前端設備布點方式

目前，不同監控區域視頻監控前端設備布點主要依據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）、《鐵路客運服務信息系統設計規范》（TB 10074-2016）和《鐵路客運服務信息系統設計規范》（Q/CR 9140-2018）。各設計規范布點原則相同，但視頻監控前端采集設備設置要求存在差異。

根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014），在鐵路旅客車站進/出站集散廳、候車區、安檢區、售票區、站臺、站前廣場等處設置攝像頭[3]。

根據《鐵路客運服務信息系統設計規范》（TB 10074-2016），在鐵路旅客車站站前廣場、售票廳、售票室、候車區、進/出站集散廳、站臺等人員密集的區域設置前端采集設備，對車站的客運服務作業以及自動檢票機、自動售票機、樓扶梯、垂直電梯、地道、站臺等設施進行監視。根據設置地點的不同，選擇高清晰度變焦攝像機或高清晰度定焦攝像機[4]。

根據《鐵路客運服務信息系統設計規范》（Q/CR 9140-2018），鐵路旅客車站售補票區域、進站區、候車區域等不同監控區域視頻監控前端設備布點方式要求，如表2 所示[5]。

表2 不同監控區域視頻監控設備布點要求Tab.2 Layout requirements for video monitoring devices in diff erent monitoring areas

通過梳理上述規范對監控區域的劃分，可以將鐵路旅客車站內視頻監控應用場景歸納為點狀、線形和矩形3 種。根據不同場景，提出相對應的監控終端設備布點原則。

點狀場景主要是人工售票服務區的工位、垂直電梯出入口等處，布點原則是結合現場安裝條件，選擇半球攝像機或槍型攝像機定點監控，如圖2 所示。

圖2 點狀場景視頻監控終端設備布點示意Fig.2 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in dot scene

線形場景主要是站臺、樓扶梯、進/出站通道等處，布點原則是選擇槍型攝像機順向覆蓋，且槍型攝像機方向應與旅客流線相對，利于捕捉旅客面部信息，如圖3 所示。

圖3 線形場景視頻監控終端設備布點示意Fig.3 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in linear scene

矩形場景主要是售票廳、安檢區、候車廳、檢票口等處，布點原則是使用槍型攝像機兩兩一組對射或交叉覆蓋；區域較大時應設置多組，并且覆蓋區域應適當交疊，避免監控盲區；對于客流密度較大的場景，還應補充設置球型攝像機，以滿足靈活調看的需求，如圖4 所示。

圖4 矩形場景視頻監控終端設備布點示意Fig.4 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in rectangular scene

4 智能視頻應用的前端設置優化

隨著視頻技術和應用的日漸成熟，視頻監控正朝著網絡化、模塊化、高清化、智能化、開放化方向發展[6]。智能視頻監控結合了計算機視覺技術與人工智能技術，通過對視頻圖像內容的描述、理解和分析，過濾圖像中的無效干擾信息，自動抽取視頻中的有效信息，對監控場景中的變化進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎上分析和判斷目標的行為，能在異常情況發生時及時發出警報或提供有用信息，有效協助車站工作人員處理危機，最大限度降低誤報和漏報現象[7]。

目前，智能視頻分析系統已在京張高鐵上線應用。智能視頻分析的實現可分為前端分析和后端分析2 種。京張高鐵在車站旅服系統設置視頻分析服務器，并安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內容進行分析，實現站臺越線檢測、站臺端部入侵檢測、客流密度檢測、排隊長度檢測和扶梯人流逆行檢測等功能[8]。

為保證智能視頻分析功能的實現，需對鐵路旅客車站視頻監控前端按以下原則進行優化補強。

第一，站臺兩側的槍型攝像機覆蓋范圍按照不超過110 m 進行控制，保證監控對象在攝像機的成像單元上有足夠多的像素數量，用于智能視頻應用。

第二，站房內外的攝像機逐類區域細化布點原則，選擇最佳的監控視角，客流密度大的區域采用“槍型攝像機+球型攝像機”的組合方案，并且對覆蓋盲區進行監控補強，為智能視頻應用提供豐富的信息量。

第三，考慮到光照是影響智能視頻應用效果的重要因素，攝像機應支持寬動態功能、強光抑制及逆光補償功能，并且具備紅外補光功能。同時，室外攝像機具備低照度的性能。

5 視頻監控領域新技術的展望

鐵路旅客車站視頻監控終端設備正在不斷向高清化、網絡化和智能化方向發展，新型設備為其提供多種解決方案，包括前端分析型智能攝像機、全景拼接攝像機及4K 超高清攝像機等。下面對于這幾種新型設備進行簡要分析。

1）前端分析型智能攝像機：得益于數字化芯片技術的飛速發展，市場中涌現出大量的前端分析型智能攝像機，能夠從視頻監控系統獲取視頻流，并對其進行智能分析，進而對車站候車廳、站臺等關鍵場所中旅客的聚集、斗毆、丟包、絆黃線等異常行為觸發告警提示[9]。但是，由于各廠家的智能信息數據采用私有協議傳輸，無法保證通信專業設置的綜合視頻監控系統后端設備與攝像機同廠家，所以前端分析型智能攝像機在鐵路旅客車站視頻監控系統中尚未廣泛應用。

2）全景拼接攝像機：全景拼接并不是一個新概念，早期產品主要依靠后端服務器實現圖像拼接，如目前仍能見到的多臺槍型攝像機架加智能拼接服務器組成的180°全景或360°全景產品[10]，實際使用效果欠佳。雖然目前全景拼接攝像機已全面更新換代，采用一體化超高清多鏡頭的架構，甚至集成魚眼鏡頭，可實現360°全景監控，適用于進站區域、候車大廳的整體性監控。相較于目前人工多畫面“腦補”拼接，優勢明顯。但是，各廠家全景拼接攝像機的設計架構差異較大，沒有統一的標準進行規范，而且拼接視頻流的傳輸大多也是采用私有協議，所以全景拼接攝像機在鐵路旅客車站視頻監控系統中尚未廣泛應用。

3）4K 超高清攝像機：圖像分辨率是視頻監控攝像機的重要指標之一，目前鐵路旅客車站視頻監控，其他綜合視頻監控系統的前端攝像機，均采用1 920×1 080 的全高清分辨率，但是視頻監控領域的主流產品，已經經歷2K、3K 的過渡，可以達到4K，甚至是6K、8K 的分辨率。以4K 為例，國際電信聯盟對4K 超高清的定義是水平清晰度3 840，垂直清晰度2 160，寬高比16：9，830 萬像素[11]。從定義中可以看出，4K 超高清攝像機的分辨率是1 080 P 攝像機的4 倍。盡管4K 超高清攝像機的設備單價正在逐步走低，但是受限于通信專業綜合視頻監控系統的接入條件限制，以及傳輸帶寬需求和存儲成本的4 倍增加等問題，所以4K 超高清攝像機在鐵路旅客車站視頻監控系統中尚未廣泛應用。

除了前文提到的幾種新型攝像機，還可以在視頻監控領域探索BIM 技術的應用，在鐵路旅客車站三維場景內，對攝像機監控覆蓋區域、覆蓋效果進行仿真[12]。隨著科技的進步和鐵路綜合視頻監控系統的優化升級，新產品、新技術必將在鐵路旅客車站視頻監控領域得到更為廣泛的應用。