高速铁路钢轨伸缩调节器视频监控系统的研发与应用

张凤林，林永硕，李 鸣

(1.西安铁路局 工务处，陕西西安 710054;2.西安铁路局科研所，陕西西安 710054)

钢轨温度伸缩调节器是高速铁路轨道结构的重要设备部件，郑西高速铁路渭河特大桥铺设了10组伸缩调节器，用来调整无缝线路钢轨和大跨度连续梁梁体受温度影响产生的位移变形。据观察统计，发生最大位移的时间夏季大多在下午，冬季大多在凌晨。为保证钢轨伸缩调节器的位移值及结构状态在运营安全范围之内，需要每天观测检查;由于高速铁路观测检查只能在夜间综合天窗时间内进行，无法24 h实时掌握伸缩调节器结构和梁体位移的真实情况;因此，建立科学有效的远程自动检测监控系统，了解高速铁路基础设施的状态，对于作出正确的维护决策，保证高速铁路行车安全是至关重要的。

近年来铁路系统视频信息化建设得到了较快发展，已陆续建成安全生产指挥系统、防洪防灾监控系统、铁路客运监控系统等，实现了在铁路内部TMIS网络上的传输与共享。但是这些系统需要铁路光纤通道传输，以及供电系统配合，建设中甚至影响铁路行车。针对线路上的限制条件，研发了郑西高速铁路钢轨温度伸缩调节器太阳能无线3G-VPDN视频监控系统，可以不受区间传输通道及电源环境限制，在距离和空间上取得突破性进展。

1 3G-VPDN视频监控系统功能

随着3G技术在国内的逐步推广，3G技术在视频监控行业的应用已经成为热点。CDMA作为三种主流3G技术标准之一，在国内的应用发展迅速，在一个无线信道传送高速数据报文的情况下，理论上支持下行数据速率最高可达3.1 Mbps，上行速率最高达1.8 Mbps。中国电信数据业务费用按流量或时间计算，随着中国电信大力推广3G业务，费用也在逐步降低，为CDMA2000网络的应用普及提供有利的条件，3G网络视频监控也越来越受人们关注。

郑西高速铁路钢轨温度伸缩调节器视频监控系统是基于3G-VPDN的视频监控系统，系统采用无人执守方式，太阳能光伏转换装置供电，采集数据及图片，利用中国电信3G网络和铁路局既有TMIS网络，在数据传输方面采用VPDN技术，实现TMIS网中授权用户远程监控钢轨温度伸缩调节器的目的。

系统具有以下功能:①采用光伏电源设备，节省电池容量，解决高速铁路及铁路区间无电源问题，避免因从供电接触网取电而干扰行车，降低系统建设的造价;②前端视频服务器支持3G无线方式接入，实现免布线，提高安装速度;③VPDN保证信息安全，防止非法用户访问铁路TMIS网，并鉴别身份的真实性，防止假冒身份;④根据工作需要，定时上传设备状态图片(D1格式视频定时抓图回传)，定时查看前端动态图像;⑤TMIS网中有权限用户客户端调用或下载前端图像，3G移动客户端调用或下载前端图像。

2 系统结构及网络工作原理

2.1 系统总体结构

系统总体结构可以分为4层结构:设备接入层、网络传输层、中心管理层和业务处理层，如图1所示。

图1 系统结构

图2 VPDN工作原理

2.1.1 设备接入层

设备接入层主要指现场终端固定设备。

视频终端安装在专门设计的支架上，监控钢轨伸缩调节器的构件随温度变化的位移情况;其主要模块包括:太阳能供电设备、CCD视频信号采集摄像机、视频服务器(包含A/D转换模块、3G无线传输模块、存储器)、专用标尺等。

2.1.2 网络传输层

网络传输层是依托中国电信运营商的3G无线网络，充分利用3G的带宽资源传输视音频和数据信息。由运营商提供VPDN网络，各种无线设备需要使用特定的手机号及用户名和密码，才能访问该网络资源，实现“专网专号专用”，最大限度保证数据安全，防范外部入侵。

2.1.3 中心管理层

中心管理层包括:接入服务器、管理服务器、数据库、流媒体服务器、存储服务器、报警服务器等模块，为整个系统的运行提供管理支撑。

2.1.4 业务处理层

业务处理层是整个系统的最终展示，它提供了对视音频数据的浏览、对各种采集数据的汇总以及检索回放处理等功能。

2.2 VPDN工作原理

由于在传输过程中，使用了3G通道，如何解决网络安全就成了本系统建设中急需解决的关键问题。为此，经与中国电信协商，建立了西安铁路局基于3G无线接入方式的虚拟专用拨号网业务(3G+VPDN)，它是利用L2TP隧道传输协议，可以在现有的拨号网络上构建一条虚拟的、不受外界干扰的专用通道，从而实现采用有线专用网络方式访问企业内部资源，如图2所示。

即3G无线视频终端用户通过3G模块连入中国电信LAC服务器。LAC服务器通过用户名或接入号码识别出该用户为TMIS系统VPDN用户后，就和路局TMIS系统LNS进行连接验证，基于从LAC请求中获得的名字和隧道密钥。LNS会通过查找本地的VPDN配置，检查该LAC是否允许建立隧道。

如果认证通过，终端和LNS之间进入 IPCP(IP Control Protocol IP控制协议)阶段，路由被建立起来，对话也开始在终端和LNS之间进行。LAC负责转发数据，LAC和LNS之间的数据会在VPDN隧道中传输。VPDN用户与LNS成功建立连接，开始进行通信。3G网络中的视频终端使用UM卡，MSI号是UM卡的全球唯一标识，在得到UM卡的同时就有了与这个卡相关的MSI号，这个信息可以作为身份鉴别的一个因素。身份认证服务器主要功能为检验用户帐号的合法性和权限，并提供一定的审计功能。在身份认证系统中既对比用户使用的MSI号，也对比用户的帐号和密码，从4方面进行用户身份的鉴别。设备接入层视频服务器3G模块需要使用特定的手机号及用户名和密码，才能访问该网络资源，实现“专网专号专用”，只有4项输入全部正确时，远端的3G视频终端信息才能通过虚拟专用网络进入TMIS，通过虚拟的安全通道和用户内部的用户网络进行连接，而公共网络上的用户则无法穿过虚拟通道访问用户网络内部的资源。充分保证了TMIS数据安全，在系统中不仅MSI号是唯一的，而且一个帐号绑定一个MSI号，这样就防止了UM卡的窃取、盗用。如果不法分子窃取到UM卡，在不知道用户的帐号及口令的情况下，依然不能连接进入网络。

通过在路局TMIS防火墙上设置访问控制列表的目的地址，可设置一台服务器能被3G无线视频终端访问，TMIS网络中其它服务器不能被无线终端访问。通过设置，严格控制无线终端对服务器的访问规则，保证各种访问的合法性。

3 系统软件设计

在系统中要实现的功能有很多，可以分为以下几个组成部分:视频采集检测、视频编码、传输与客户端交互等主要线程，如图3。

系统的前端采集软件是基于嵌入式Linux平台，在进行系统应用软件设计之前，首先要完成搭建嵌入式Linux开发环境，建立引导装载程序Bootloader，移植Linux内核，移植根文件系统，编写、修改和移植Linux驱动程序等工作，然后对系统的应用程序进行开发。

图3 软件流程

客户端程序使用ANCI C对海康威视(Hikvision Ds-40xxhc+Ds-40xMD SDK)进行二次开发，真正达到了开发高效、稳定、简单、快速的效果。如对第三通道启动视频录像只需调用下面一句(Start_Video_Capture(3，”，1，3);网络监控 2.0 系列平台软件(如图 4)基于B/S和C/S构架模式，适用公网环境视频监控应用的解决方案，一方面面向大量终端用户提供监控服务，另一方面提供类似传统专网监控中的集中监控功能。B/S平台架构软件由Web管理中心和Web客户端组成，通过中心服务器构架数据库和Web Server服务，来实现B/S构架下的设备、用户权限管理以及预览和回放等操作。Web管理中心:主要完成系统的配置操作，进行区域、设备和用户的配置等功能。Web客户端:通过Web登录管理中心获取相关权限，进行预览、回放等操作，如图4。

经授权的客户端输入帐户、密码及服务器域名，完成区域设置、用户管理、数据库导入、导出设置，即可实现对远端视频图片的调用、查询、分组轮询及远程升级、系统重启等功能。

图4 客户端软件界面

4 结束语

高速铁路钢轨温度伸缩调节器视频监控系统的特性是利用3G+VPDN技术进行视频数据的无线网络传输，整合了太阳能供电技术、3G数据通讯功能和数字视频编码等多种技术。把光能转换为电能，把摄像机图像经过视频压缩编码模块压缩，通过智能无线通讯终端发射到3G网络，利用铁路TMIS网络传输通道，实现视频数据的交互、发送、接收、加解密、加解码、链路的控制维护等功能。尤其适合于普速铁路及高速铁路沿线固定设备集中监控系统，也适用于基建、电力、管线、交通、石油、公安、城市管理等行业重要场所安全防护的无线监控。

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[3]中华人民共和国铁道部.运基通信(2008)630号 铁路综合视频监控系统技术规范[S].北京:中国铁道出版社，2008.