基于嵌入式的鐵路平交道口視頻監控系統設計

中鐵第五勘察設計院集團有限公司 梁懿

隨著經濟持續提升，公路上的汽車變得更多，鐵路平交道口發生的因為汽車、路人與火車爭搶道路引起的交通安全事件也變得更多。之前的視頻監控體系防備鐵路口交通事件的作用正在變小，無法對鐵路平交道口進行動態管理[1]。建設安全高效率、成本較小、便利靈活、可以遠距離聯網監控、加強鐵路平交道口動態管理的視頻監控體系成為保護鐵路平交道口安全的緊迫需求[2]。嵌入式科技和媒體科技的成長給鐵路平交道口視頻監控系統帶來了可信的處理方案。

國家鐵路已經進入高速提升時期，國人外出變得便利快捷，但是集中的鐵路網絡也伴隨著大量安全隱憂。之前的監控方式已經不能確保鐵路平交道口安全，不管是體系實時監控特性還是其自身價值，建設一個性價比較高、可以實時反饋訊息的監控體系變得非常關鍵。現今嵌入式科技飛速成長，流媒體獲得普遍使用，這些都給規劃鐵路平交道口實時監控體系提供了科技基礎。

1 鐵路平交道口視頻監控的研究背景和研究意義

隨著國家經濟飛速提升，交通方面的需求變得更大[3]。在鐵路運送當中，鐵路線路上面火車運行的密度和速度都在快速提升。在公路運送當中，各個地方的道路交通情況隨著經濟提升大幅完善，機動汽車數量迅猛增長，而一部分鐵路口寬度卻沒有變化，鐵路平交道口出現擁堵情況。在鐵路平交道口寬度低于道路路面寬度的鐵路平交道口，一部分機動車司機和路人道路安全思想、法律觀念淡化，漠視鐵路平交道口的相關管理規定，汽車、路人搶奪道路的情況特別嚴重?，F今的鐵路口安全設備大部分都是警告性質的，在沒有人管理的鐵路平交道口，經常會出現路人或來往汽車與火車搶奪道路穿行導致的交通事件，引起人們傷亡和大量財產損失，給正常的鐵路運送秩序帶來較大影響。

人們最基本的信息源頭是視覺，視頻監控也是最安全的監控舉措之一。使用視頻監控體系可以實時獲得鐵路平交道口人流量、車流量的視頻訊息，加工之后交給多方管理者甚至火車司機，讓多方管理者及時了解鐵路平交道口現場狀況，從多個角度預防鐵路平交道口安全事件出現，事故出現的時候也可以實時記錄，辨別事故責任。探索鐵路平交道口視頻監控體系擁有很關鍵的意義和價值。

2 鐵路平交道口視頻監控系統的發展

2.1 視頻監控體系發展階段

從技術方面看視頻監控體系的成長大概經歷了3個時期[4]：

（1）閉路電視機監控體系：以模擬設施為主的閉路體系，被稱為初代監控體系。主要由攝像機器、視頻矩陣、監控儀器、錄像機器等構成[5]。

（2）本地數字監控體系：以數字視頻搜集卡為中心的視頻監控科技，被稱為二代視頻監控體系。

（3）數字互聯網監控體系：以網絡傳送為特性的數字視頻監控，被稱為三代視頻監控體系。主要由前部攝像設施、互聯網視頻服務器、傳送網絡和監控終端等構成，全部都使用數字訊號搜集、壓縮、保存、傳送和播放視頻，以局域網絡和互聯網絡為傳送媒介。

現今世界視頻監控相關科技正向著如下3個趨向發展：

（1）智慧監控。監控體系整合了視頻解析、人面辨別、移動檢測、自動追蹤等智慧科技，逐漸成為視頻監控科技提升的趨向。

（2）監控設施方便攜帶。采用嵌入式體系科技，高度集中前部視頻監控設施，模型設計，大幅度縮小了體系體積；同時應用嵌入式體系，提升了體系的平穩性和適應環境能力，簡化體系，最大程度降低成本開支。

（3）監控圖像高度清晰化。使用DSP圖形處置芯片制定高清晰度影像的視頻監控處理方案，利用圖像壓縮科技、流媒體傳送科技等節約帶寬，構建高清晰監控畫面，現今已經成為市場焦點。

（4）移動視頻監控。使用手持移動設施利用無線網絡進行視頻監控，同時把視頻監控和比如IPTV、視頻會議、其他傳感部件監控等其他監控業務相融合，為視頻監控成長注入更大活力。

2.2 視頻監控在鐵路系統中的應用

20世紀90年代視頻監控體系正式在鐵路體系當中獲得廣泛使用，鐵路口、火車站所、候車房屋、調度房屋等地方都成立單獨的閉路電視監控體系。通過多年的發展，視頻監控科技在全部鐵路領域當中獲得大量普及使用。

現今國內的鐵路機構把火車站視頻監控體系、場合編組站點視頻監控體系、車或機務站地段視頻監控體系、鐵路線路區域安全視頻監控體系等大量分支組合成整體鐵路視頻監控體系，覆蓋了鐵路機構大部分地方和場地。通過各個視頻監控子體系，鐵路管理機構可以及時掌控各個地方的實際情況，有效地減少火車站道口事件、調度處置不恰當引起車輛晚點等意外事情，確保了正常的鐵路運轉秩序。

2.3 鐵路平交道口視頻監控的發展現狀

之前的鐵路視頻監控體系以模擬訊號閉路電視監控體系為主體，傳送間距較短，監控開支較高。這時候鐵路平交道口視頻監控體系設施比較龐大，但是作用單一，總模擬訊號傳送距離較短，只能在有人值班的鐵路平交道口進行粗略監控，視頻監控只作為鐵路平交道口安全防護的輔助設施，監控記錄鐵路平交道口視頻，當成事件發生之后判斷責任的方式之一。隨著經濟提升和計算機科技進步，數字視頻監控科技引入鐵路體系。在原先安全模擬訊號的閉路電視監控體系的基礎上，添加了計算機對視頻內容的數字處置，通過自動解析軟件，把視頻監控與報警部件、自動保護設備聯合構成智慧監控設施，當有危險出現的時候自動報警和開啟鐵路平交道口保護擋板，從而避免安全事件出現。

最近幾年互聯網科技和嵌入式科技飛速提升，更是給鐵路平交道口視頻監控系統注入全新的生命力，鐵路平交道口監控行業出現了互聯網球機等以微處置器和嵌入式操控體系一體高度集中的嵌入式互聯網視頻監控體系。嵌入式監控體系全部融合了音頻視頻數據搜集壓縮和打包發出進程，整個體系除了后面顯示設施之后，所有設施都已經轉變為IP，利用Web互聯網服務就可以完成遠距離監控。現今的嵌入式鐵路平交道口視頻監控體系大部分都使用MJPEG或MPEG4視頻處置科技，壓縮效率較低，對帶寬需求比較高，圖像模糊，給監控帶來較大阻礙。

嵌入式網絡監控體系為鐵路平交道口長時間的安全事件提供了高效率可執行、開支較低的處理方案。合并自動解析軟件科技的智慧嵌入式視頻監控體系是鐵路平交道口視頻監控未來的發展趨向。

3 嵌入式視頻監控系統設計方案

3.1 老式鐵路平交道口監控系統的缺陷和系統功能需求

老式的鐵路平交道口監控體系主要有以下3個方面的不足：

（1）中央解析層次和現場監控層次不能完成數據的及時分享。由于采用傳統方式，鐵路平交道口監控現場和保護管理中心主要利用互聯網方式傳輸鐵路平交道口數據訊息，而鐵路平交道口監控現場布局比較分散，且地理環境存在較大差異，不能在全部鐵路平交道口裝配互聯網接口。

（2）手工進程太多。比如搜集鐵路平交道口數據主要采用人工方法[6]。采取這種方法獲得的數據，有很大的可能出現差錯，從而讓中央解析層次解析出錯誤數據。

（3）不能監控鐵路平交道口維護人員工作情況。由于鐵路平交道口布局較廣，密度較大，而且現場作業人員不穩定，導致相關管理者不能及時監控現場作業人員狀態。如果沒有有效的監控管理舉措，那么很難確保鐵路平交道口監控現場工作正常進行[7]。

鐵路平交道口視頻監控體系是鐵路平交道口預警保護部件的重要補充，或者成為兩者聯動智慧保安體系的構成部分。嵌入式鐵路平交道口視頻監控體系功能需要滿足較遠距離監控，鐵路平交道口值班間、機車調度間、鐵路值班管理者、幾個駕駛間以及其他監控重點可以同時實時監控道路情況，并且獲得一定幅度的操控，比如報警、關掉鐵路平交道口等。鐵路平交道口視頻監控體系的應用環境如圖1所示。

圖1 鐵路平交道口視頻監控體系應用環境Fig.1 Application environment of video monitoring system for railway level crossing

3.2 基于嵌入式技術鐵路平交道口監控系統的設計方案

以鐵路平交道口的這些使用需求為基礎，選用長時間在繁雜環境當中平穩運轉的ARM.Lillux嵌入式平臺探索規劃鐵路口的視頻監控體系。體系連入現今的鐵路道路網絡就可以完成較遠距離監控，選擇非常適合高清圖像和窄帶款傳送需要的H.264壓縮視頻計算方法當成處置圖像科技，從而完成高度實時和較高清晰的特性。使用現今的電腦網絡，鐵路平交道口值班工作人員、火車司機、火車調度管理者等監控終端只需要通過驗證就可以利用瀏覽器遠距離實時監控鐵路平交道口情況，并且可以在網頁操控攝像頭云臺旋轉，切換鐵路平交道口的監控角度。體系規劃以USB接口攝像頭作為搜集視頻設施，利用GPIO接口操控云臺，整體方案框架圖如圖2所示。

圖2 基于嵌入式技術鐵路平交道口監控系統的設計方案框架圖Fig.2 Design scheme framework of railway level crossing monitoring system based on embedded technology

3.2.1 系統硬件方案

由于這個監控體系以現今的IP網絡傳送方案為基礎，監控終端只需要連入網絡的一個或者幾個計算機就可以了，體系硬件規劃主要是選擇視頻服務器端口硬件。在綜合考慮使用需要、硬件開支和規劃難度之后，選擇的硬件部件如下：

（1）嵌入式處理部件：韓國三星ARM結構處置器；

（2）USB接口攝像頭：ANC Web Camera；

（3）攝像頭云臺：輕型云臺PTS306。

開發硬件平臺電路規劃采用中心板子和外面接口電路分開規劃的方式，中心板子集中了刪除處置器和儲存體系，底部電路規劃主要包含電源線路、USB連接口、互聯網連接口、UAI玎連接口、JTAG電路線路、GPIO連接口等。電路組成如圖3所示。

圖3 電路組成圖Fig.3 Circuit composition

圖片當中各個模塊描述如下：

（1）TQ2440核心板子：使用廣州天嵌的V2核心板子，集中嵌入式位處置器和儲存體系。

1）嵌入式處置器：使用韓國三星的32位鼬處置器，以刪920T構造為基礎，主要頻率是400（最大不能超過533）。片上面集中單獨的16KB命令和數據，主要用在虛擬儲存器管理，支持兩種LCD操控器，還包含NADN Flash、體系管理器（片子選擇邏輯和SDRAM操控器）、3個通道、4個通道、4個通道定時部件、I/O接口、RTC、8個通道10位ADC和相機操控接口、觸摸屏幕接口、IIC和IIS總線連接口、USB主設施和副設施、SD上通道接口、雙通道SPI和時鐘發生部件。2）儲存體系：板載64MB、256MB和2MB儲存體系。

（2）底部板外部電路主要包括USB連接口、互聯網連接口、UART連接口、JTAG電線電路、GPIO連接口等模塊。下面是外部電路的數個模塊的描述和電路原理圖片。

1）USB連接口：提供一個1.1的連接口，主要連通USB攝像頭等設施，連接口按照1.1規定，支持兩種傳送操控方式：12全速度傳送模型和1.5低速度傳送模型。

2）互聯網連接口：體系提供一個RJ45以太網連接口，利用雙絞線可以完成互聯網通訊和傳送數據，利用交叉網線與電腦連通或者利用直接連接網線和路由器連通，以太網操控器使用DM9000E，最高速率達到每秒100MB。

3）UART連接口：提供一個五線路異步串口連接口（全功效UART連接口），利用交叉串口線路和電腦連通通信，主要用在體系調節端口，輸送Bootloader訊息和操控Linux內部核心。

4）JTAG連接口：提供一個JTAG調試接口，可以連通刪仿真部件進行在線調節或者連通JTAG下載線直接編輯NOR FLASH程序。

5）GPIO連接口：提供GPIO拓展連接口連通云臺操控部件。

3.2.2 系統軟件方案

嵌入式網絡視頻監控體系整體構造分成服務器和監控終端兩個部分，服務器端口的主要任務是向監控終端提供視頻信息，使用者可以利用監控終端觀看視頻和操控云臺，視頻信息通過局域網絡或互聯網輸送?，F今這個網絡傳送構成主要分成兩種：C/S和B/S，本文使用后一種構成。

以B/S構造為基礎的視頻監控服務器端口分成2個部分：視頻和Web服務器。視頻服務器的主要任務是通過USB攝像頭搜集視頻圖形數據，并且壓縮解碼和傳送圖形；Web服務器的主要任務是提供嵌入式播放控件的Web面當成作業界面，處置源自客戶端的交互需求，并且提供用戶登入驗證、觀看視頻影響、操控云臺旋轉方向功能。

3.2.3 構建嵌入式Linux系統

嵌入式體系的軟件構造從下到上一般可以分成4個層面：設備驅使、電腦系統、實用編程連接口和使用程序。電腦系統的主要任務是系統整體的時鐘管控、內存劃分、同步體制、中斷掌控和任務調配，并且提供互聯網和文件服務，是嵌入式系統的基礎。嵌入式Linux系統由于擁有開放的源代碼、豐富的驅使程序、管理模塊、較強的裁剪特性，可以移植特性、提供高效率強大的支撐網絡、多任務線程科技支持、平穩可信性較高等優點，最近幾年獲得普遍使用。本文使用嵌入式Linux當成系統軟件平臺，建設嵌入式Linux工作包含構建交叉編輯翻譯環境、建設B00tloader、移植Linux內部核、構建根文件體系。

由于受到本身資源限制，嵌入式系統根本沒有相應的編輯翻譯鏈條工具，不能像一般電腦那樣直接編輯翻譯需要運轉的程序代碼，需要利用擁有大量系統資源的電腦完成編輯翻譯。嵌入式系統的這種程序編輯翻譯過程被稱為交叉編輯翻譯，即在一個平臺上編輯可以在另外一個平臺上面運轉進行的代碼，把程序轉變成運轉這個程序的CPU可以辨識的機器代碼。一般進行交叉編輯翻譯的主機稱為宿主機器，而程序的運轉環境及嵌入式系統被稱為目標機器。宿主機器和目標機器利用串口、USB連接口或者交叉網站實施通訊，在宿主機器上面編輯翻譯產生程序可以實施的代碼之后，把可以實施代碼下載到目標機器上運轉。

在嵌入式系統當中使用最多的Bootloader分成兩種，分別是U-Boot和VIVI，本文主要使用后者。它是韓國一家公司專門為ARM處理器構思的源碼，大家可以在網上免費下載使用，然后按照硬件體系的實際情況配備和編輯翻譯源碼，最后寫到系統的儲存器里面。

隨后是移植Linux內部核。它是嵌入式Linux的中心，內部核移植是嵌入式開發當中一個很關鍵的進程，一般包含內部核配備、內部核編輯翻譯、內部核下載3個步驟。

最后是建設根文件系統?，F今的Linux系統內部核映像內容保存到根文件體系當中，開啟內核的時候利用根文件系統下載編輯文件，系統引導開啟程序會從這個根文件系統設施上面把內部核運行代碼引入到內存里面運轉。Lilux系統的Busybox工具集合了大部分常見的命令軟件，可以利用自定義配備制作根文件系統，它非常適合嵌入式系統使用。

這樣一個完備的嵌入式Linux系統已經在目標機器上面構建完成，監控功能完成依靠操作系統開發相應的軟件模塊完成。

4 結語

本文探索構建的嵌入式視頻監控體系體積較小，工作平穩，可以對鐵路平交道口現場進行有效率的視頻監控，視頻畫面清楚順暢，完成了類似實時的網絡視頻監控。系統擁有登錄驗證功效，用戶可以遠距離操控攝像頭云臺，調節系統監控角度，擁有一些操控功能。這個鐵路口監控管控體系可以深入提升國家鐵路口保護事業的管控和應用水準，減少安全事件，推動鐵路安全防護管控體系當中科技含量持續提升。

引用

[1]李電強.礦區鐵路平交道口無人值守系統研究與應用[J].煤炭與化工,2021,44(07):87-89.

[2]金其炳,郭俊豪.構建基于VPDN網絡的鐵路平交道口智能視頻監控系統的研究[J].上海鐵道科技,2017(2):21-22.

[3]楊怡.芻議低碳經濟下水路運輸經濟發展具備的優勢[J].珠江水運,2018(15):87-88.

[4]李國萍,莊洪衛,王其成.遠程監控系統在無人值守變電站中的應用[J].中國新技術新產品,2017(6):10-11.

[5]李月蘭.淺析數字視頻監控系統和網絡視頻監控系統的區別[J].民營科技,2016(10):88-89.

[6]王璽.鐵路道口安全防護系統集中控制的研究與應用[J].現代信息科技,2018,2(06):19-20+23.

[7]曾惠明.鐵路平交道口預警防護及遠程監控系統[J].鐵道運營技術,2021,27(2):38-40.