旅客列车移动音视频信息管理系统研究与应用

唐新成 上海铁路局合肥客运段

1 引言

随着铁路客流量的快速增长，铁路开行的旅客列车等级、种类越来越多，市场对旅客列车服务质量的要求越来越高，铁路企业对旅客列车乘务质量的要求也越来越高。确保现场各项工序流程和标准得到落实是提升乘务质量的关键所在。为了充分发挥管理效能，不断提高列车服务质量，需要借助科技手段，实现在途旅客列车和生产指挥中心之间的音视频信息传输，将旅客列车的在途状态及其它的重要数据传送到生产指挥中心。

2 系统概述

旅客列车移动音视频信息管理系统以有效、快速、安全方式，满足管理层对旅客列车状态监控的直观化管理需求。该系统基于无线网络，以多平台为基础，集合数据、音视频图像传输为一体，同时以无线通讯系统为载体，实现多功能、多媒体协同指挥，并拥有安全可靠的数据保护，使得旅客列车服务质量控制得到大大的加强和改善。

3 系统特点

旅客列车移动音视频信息管理系统的软硬件具有先进性、兼容性、可扩展的特点，系统应用具有实用性、实时性、灵活性的特点。

该系统采用基于WEB嵌入式的视频服务器为核心的视频监控系统，采用H.264视频编码标准，采用3G无线单兵便携设备，可传输单路25f/s的清晰图像。在网络中的授权用户可通过IE浏览器实时监控前端现场，客户端无需添加任何硬件。系统软、硬件系统采用模块化设计，用户系统升级时，只需要增加前端的服务器，并升级相应的系统软件即可。系统支持用户的网络监控需求，可多用户多画面实时监控、远程控制、集中录像，满足了用户的音视频传输要求。系统组网灵活，适合在局域网、广域网和无线网络中使用。系统采用嵌入式实时操作系统和专用的硬件结构，保证了系统的安全、稳定、可靠。

4 系统结构

旅客列车移动音视频信息管理系统主要由视频采集压缩模块、无线数据传输模块、监控中心管理软件平台三部分组成。

4.1 视频采集压缩模块

前端视频采集模块实现的功能是从普通的视频摄像头中捕捉瞬时视频信号，然后压缩。该模块支持不同的压缩比和图像大小。

前端视频采集系统由便携式网络视频服务器、子弹式摄像机和GPS设备等组成。其中网络视频服务器为核心设备，负责将摄像机采集的各监控点视频图像压缩编码，并通过3G网络上传到生产指挥中心，实现视频的远程观看。具体设计为：前端子系统采用CR1012P带屏单兵无线视频服务器或背包式双卡无线视频服务器；便携式无线视频服务器采用内置锂电池供电的方式；视频服务器和镜头之间通过屏蔽同轴电缆线连接，长度应控制在在300M以内；视频服务器可以外接GPS设备，用户可以将GPS定位信息通过COM口方式发送到生产指挥中心；无线网络视频服务器正常工作需至少一张无线上网卡；无线视频服务器自动拨号无线上网，获取一个动态公网IP地址。拨号成功之后，通过3G无线通道，把H.264编码后的图像信息发送到3G网关程序中。

4.2 无线数据传输模块

视频采集压缩后，就可以将压缩好的视频图像文件传送到生产指挥中心。传送的方式是通过3G无线网络。系统具有3G的PPP拨号过程，并嵌入TCP/IP协议、POP3/SMTP协议，同时支持动态IP。

生产指挥中心平台可采用一台小型服务器，安装CreMedia5网络视频管理平台软件和移动视频网关软件。生产指挥中心根据需要安装电视墙，通过专用网络视频解码器(CR1100D)将列车图像解码成电视信号，输出到电视墙。系统数据传输如图1所示。

图1 系统数据传输示意图

生产指挥中心服务器负责对整个系统的管理，存储服务器负责各监控点视频资料的录像。所需硬盘空间大小由录像视频数目、时间长短、保存周期和图像质量、帧率、画面复杂度等决定。通常1路运动画面1h的录像文件占用空间约70 M左右，静止图像占用空间约20M左右。

4.3 监控管理软件系统平台

生产指挥中心服务器设置公网IP或者域名。启动服务后，就等待各个监控终端的连接，对于始终在线模式的终端，可以按照需要查询当前的图像情况，也可以自动不停地记录监控点的图像变化。

监控主机安装“监视器”软件，实现对各监控点的视频浏览和摄象机姿态调整等功能；生产指挥中心安装有网络视频解码器，负责将前端采集来的数字信号解码还原成图像和声音传输到电视墙上；手机用户直接登陆中心服务器就可观看前端视频。系统网络拓扑图如图2。

图2 系统网络拓扑示意图

系统的设计充分考虑系统扩展性，系统扩展时只需添加视频服务器和摄像机等前端设备，即可在不影响系统正常运行的情况下，实现系统扩展。

5 系统功能

5.1 远程图像实时传输

根据铁路旅客列车运行速度快、经行偏远地区等特点系统设计用双3G卡传输信息。其工作原理是：主卡工作副卡热备，一旦主卡掉线副卡随即拨号，一次减少或消除音视频传输断码现象。不同的监控用户可根据自己需求灵活切换远程图像进行多现场浏览，也可多人同时观看一个现场。

5.2 双向语音通话

指挥中心可通过客户端和前端设备实现双向语音通话，便于统一指挥，在网络状况相对较好的条件下，音质清晰无杂音，延时在5s以内。

5.3 多画面监视

系统具有在同一客户终端上同时监视一路、二路、四路、六路、八路、九路前端图像的功能，用户点击某一路图像时可放大实时监控。这样可以方便管理层把握全局动态，进行全局规划。

5.4 录像与回放

用户可以按时间、摄像机号等条件智能化检索回放记录的录像资料，可以用软件内置的播放器进行播放。

5.5 计划录像

系统管理员可设定多个时间段对多个监控前端的图像进行录制，图像数据保存在图像监控系统服务器的硬盘上。定时方式可选择单次录像和每天定时录像，各个时段可以单独设置。

5.6 录像回放

用户可以按时间、摄像机号、报警事件等条件智能化快速检索回放记录的录像资料，可以用软件内置的播放器进行播放。图像播放速度可手动调节。

5.7 录像管理

录像空间管理采用自动循环覆盖的方式，可根据用户的需求保存相应时间段的文件，过时的记录将被自动删除；录像文件可以有选择地备份到光盘或网络硬盘，以便重要录像的长期保存；录像文件删除：可以随时将没有保存价值的录像文件手动给以删除；硬盘容量提示：提供可用磁盘存储剩余空间容量提示，当达到预警位置，在服务器端将会有磁盘容量不足的提示。

5.8 移动视频监控

在列车行进过程中，用户可以通过便携式移动终端实时将前端现场图像实时传送到生产指挥中心，一旦遇到紧急情况，可以实现远程指挥和控制。

6 系统应用优势

6.1 功能集成

该系统利用现代计算机网络技术的先进性，将多个功能集成起来，不仅充分利用了网高速准确的优点，同时也容易将各种服务需求集成于Intranet，体现了先进性和经济性。

6.2 优秀的图像品质

该系统采用先进的H.264编解码技术，图像清晰、自然。标准分辨率352×288像素，最高达并可自定义。图像无闪烁，连续性好。

6.3 系统结构灵活

该系统采用标准的组网方式，支持IP单播、组播功能，可以组成点对点的监控系统，又可以组成一个中心对各站点的系统；在网络上可以设置多个分控图像工作站，满足多个用户的需要，可以组成多级监控系统。

6.4 可扩容性强

该系统采用模块化设计，能够平滑实现端局扩容、中心扩容和分控台扩容。无论单级扩容或多级扩容都可以充分利用前期资源，降低扩容投入成本。

6.5 易操作性

该系统控制界面、菜单全为中文，用户可以非常迅速地熟悉操作软件的使用。

7 系统安全

该系统采用多级用户名/密码保护认证机制，为本系统研发的嵌入式系统软件，加密传输方式等措施，保障系统的安全不受侵害。

7.1 多级用户名密码认证

无线和有线网络视频服务器和系统，相互之间的通讯连接都是有用户名、密码保护的。“前端设备”、“中心服务器”、“用户客户端”三者之间都是通过网络连接。系统网络连接如图3所示。

“用户”登陆“前端设备”，“中心”登陆“前端设备”，以及用户”登陆“中心”都是需要用户名和密码的，这些用户名和密码机制是系统安全最基本，最可靠的的措施。

图3 系统网络连接示意图

7.2 DES加密传输协议

用户名和密码在网络传输，如果是明码传输，被窃取的可能性就很大，CreMedia软件使得任何一次用户名和密码在网络上传输都是经过加密的。即便被盗用也无法破解。DES加密方式理论上没有破解的可能。

7.3 独有的网络传输协议

视频数字流在视频服务器中打包发送到IP网络中的时候，打包的格式，以及流媒体的压缩编码格式都是独有的。只有专有的解码软件才能解出正常的图像，否则只是乱码而已。

7.4 用户管理功能

该系统提供安全完善的用户帐号密码管理功能和严格的控制权限分级制度。只有经过授权、拥有帐号密码的用户才能浏览、控制摄像机或进行其他相应复权操作。用户进入远程视频监控系统必须事先进行输入用户名和密码，系统管理员根据用户授予相应的权限监视和控制权限。