无人驾驶车辆CCTV系统整体解决方案

杨 悫 ， 汪忠海

（长春轨道客车股份有限公司 吉 林 长 春 1 30062）

城市轨道交通运行模式的发展大致经历了 3个阶段:人工驾驶模式、人工驾驶的自动化运行模式、全自动无人驾驶模式。目前“全自动无人驾驶模式”在我国还有点陌生，但近20年来在国际上已得到了广泛的应用，并且已成功地应用于一些大运量的城市轨道交通系统中[1]。

全自动无人驾驶模式车辆的技术特点主要体现在:司机的职能完全由自动化的技术来替代，车辆与OCC（运营控制中心）的通信的信息量大幅增加，信号及综合监控系统的技术接口更加紧密和复杂，列车的各主要系统都由 OCC远程监控。由于司机室没有了司机，如果车辆发生什么情况，安装在客室和司机室的摄像机就充当了司机的眼睛，通过OCC的监控显示屏可以选择任意车辆的任意摄像机，用来监控每个车辆的状态，因此无人驾驶车辆的CCTV（closed-circuit television）系统的整体方案对于无人驾驶车辆来说至关重要。

1 系统构成

无人驾驶车辆CCTV系统运用了世界上最先进的传感技术、监控摄像技术、通讯技术和计算机技术，组成一个多功能全方位监控的高智能化的处理系统[2]。整个系统的工作流程是有视频输入设备完成视频数据的采集，将采集到的视频数据送入视频编码器进行编码，经过编码后的H.264码流通过无线传输模块和设备送入无线信道进行传输，接收端通过无线接收模块从Internet接收数据，一旦有数据到达，即送入视频解码器进行解码并且显示[3]。系统整体框架如图1所示。

图1 CCTV系统整体框架图Fig.1 Whole frame of the CCTV System

2 系统详细分析

2.1 视频采集

2.1.1 IP网络摄像机

无人驾驶车辆的视频采集工作是通过安装在客室和司机室的摄像机来完成的。目前的视频监控系统都是数字网络视频监控系统，因此通常选择网络摄像机。由于每条线路运行的车辆很多，每个车辆上又有很多摄像机，为了使OCC更好的访问每个车辆，车辆上通常安装IP网络摄像机。每一个IP网络摄像机都有自己的IP网址，数据处理功能，和内置的应用软件，可以当网络服务器使用。网络摄像机的应用，使得图像监控技术有了一个质的飞跃。首先，网络的综合布线代替了传统的视频模拟布线，实现了真正的三网（视频、音频、数据）合一，网络摄像机即插即用，工程实施简便，系统扩充方便；其次，跨区域远程监控成为可能，特别是利用互联网，图像监控已经没有距离限制，而且图像清晰，稳定可靠；再者，图像的存储、检索十分安全、方便、可异地存储，多机备份存储以及快速非线性查找等。

2.1.2 网络摄像机的工作原理

网络摄像机除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外，机内还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统，使得视频数据经压缩加密后，通过局域网，Internet或无线网络送至终端用户。网络摄像机可以直接接入到TCP/IP的数字化网络中，因此这种系统主要的功能就是在联网上面，通过互联网或者内部局域网进行视频和音频的传输[4]。网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。

2.1.3 IP网络摄像机在车辆的布置

每个客室安装2个或者4个网络摄像机，用来监控客室车辆的状态。要保证摄像机的视角范围要覆盖全车，不能有死角。安装位置可以考虑安装在侧顶活门和中顶。每个司机室安装一个网络摄像机，布置在司机台的前面，用来监控车辆前方轨道的好坏。

2.2 视频编码

由于网络摄像机采集的数字化视频信息占用的数据带宽很高，通常在20 MB/秒以上，因此计算机很难对之进行保存和处理。采用压缩技术以后通常数据带宽降到1-10MB/秒，这样就可以将视频信号保存在计算机中并作相应的处理。IP网络摄像机内置数字化压缩控制器，把采集来的数字信号进行编码压缩成如下格式：H.264、M-JPEG、MPEG1、MPEG2、MPEG4等，不同的压缩格式会呈现不同的图片质量和频宽占用情况。H.264能够在较低频宽上提供高质量的视频传输，适合车辆多、上传视频频宽相对有限的状况。在同等的画质下，H.264比MPEG-2平均节约64%的传输码流，比MPEG-4平均节约39%的传输码流。

2.3 视频发送

每个客室和司机室分别安装一台网络交换机，每台车的网络交换机与本车的网络摄像机连接，构成车辆上的CCTV监控系统。司机室的网络交换机作为整个系统的视频服务器，用于视频信息的发送。为了使一台网络交换机的故障不影响下一台车，推荐使用冗余环网交换机。冗余环网的结构图如下所示。

图2 冗余环网交换机的拓扑图Fig.2 Topological graph of the exchange board in redundance link

冗余环网结构的优点是：当其中一台交换机出现故障时，系统会自动检测到故障点，并自动重新调整网络连接路径，确保除故障交换机之外的其它交换机能够保持连接，不影响其它交换机所连接设备通讯。

2.4 无线网络传输

2.4.1 无线网络传输方式

由于车辆和OCC之间距离很远，不适宜布线，因此车辆和OCC之间可以利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号，达到视频监控的作用。无线视频监控分为：模拟微波传输和数字微波传输。数字微波传输就是先把视频编码压缩（HD-6001D），然后通过数字微波（HD-9500）信道调制，再通过天线发射出去[5-6]。

由于采用无线网络传输的方式受到无线信道资源的限制，因此可以采用如下4种方式上传视频信息：

1）在OCC上只能显示一个摄像机的图像，每个摄像机的带宽经过H.264压缩后为1.5 M，无线网络的带宽为1.5 M，可以上传至OCC。

2）在OCC上可以同时显示4个摄像机的图像，车辆上的CCTV系统需要提供一个解码器（Encoder）。当OCC上显示一个摄像机的图像时，同上面所示；当OCC上需要同时显示4个摄像机的图像时，用解码器实现截取4个画面的图像，这样四个画面的带宽也为1.5 M，可以上传至OCC。

3）在OCC上可以同时显示 4个摄像机的图像，利用网络摄像机能够提供双码流的功能。当OCC上显示一个摄像机的图像时，利用车辆CCTV系统和地面设备的高带宽无线网络（带宽为1.5 M），1～15帧/秒的速率上传，图片尺寸为795×596，同上面所示；当 OCC上需要同时显示 1个摄像机的图像时，利用车辆CCTV系统和地面设备的低带宽无线网络 （带宽为11 kps），1帧/4秒的速率传输，图片尺寸为320×240这样 4个摄像机的带宽小于 11 kps，可以上传至OCC。

4）在OCC上可以同时显示4个摄像机的图像，车辆上的视频接收系统需要提供一个解码器（Encoder）。当OCC上显示一个摄像机的图像时，同上面所示；当OCC上需要同时显示4个摄像机的图像时，用解码器实现截取4个画面的图像，这样1个画面的带宽也为1.5 M，方便上传至OCC。

2.4.2 无线天线

由于OCC与车辆的距离较远，因此在车辆上需要安装无线视频传输天线来传输视频信息。天线的类型比较多，一种是锅状的定向天线，一种是棒状的全向天线。对于车辆来说，适合选择全向天线。

2.5 视频接收

视频接收有如下3种接收方式。

2.5.1 无线网桥模式

①点对点模式

图3 无线网桥点对点模式Fig.3 Wireless network bridge in point to point mode

②点对多点

图4 无线网桥点对多点模式Fig.4 Wireless network bridge in point to multi-point mode

2.5.2 无线AP覆盖模式

图5 无线AP覆盖模式Fig.5 wireless AP in covering mode

2.5.3 混合模式

图6 混合模式Fig.6 Admixture mode

2.6 视频解码

经过视频解压缩，数字信号转换为模拟信号。

2.7 视频显示

最后的模拟信号将显示在OCC上。

3 结束语

针对无人驾驶车辆在司机室没有司机的问题，本文提出了无人驾驶车辆CCTV系统整体解决方案，使车辆在没有司机的情况下，也能够时时监控车辆上的状态，保证车辆的整车运行和乘客的安全。

图7 视频显示图Fig.7 Video display chart

[1]刘晓艳，陈宝印.法国巴黎全自动无人驾驶地铁车辆[J].国外铁道车辆，2006（3）：3.

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