铁路机车检修作业远程视频实时传输实习课堂的研究与实践

张中央，王秀清

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

一、引言

铁路职业院校铁道机车专业主要培养铁路机务系统面向运用、检修岗位群的技术技能型人才，要求学生有较强的实践动手能力。在对学生的培养过程中，如果学生在工作前就能够充分了解机务生产一线现场生产实际情况，有很多机会实际观摩机车检修或机车操纵主要岗位的详细工作过程，则对帮助学生更好理解所学专业知识和提高学生的实践动手能力、提高职业素养起到非常大的作用。通常的方法是组织学生到铁路生产现场进行认识实习、生产实习等，在铁路各专业教学计划中也有专门安排。在铁道机车专业长期的现场实习中，仍然存在着生产实习不能解决的问题，那就是机车中修整车解体、组装和大型电器、机械设备解体组装全部工艺流程与作业过程并不是每次现场实习时段都能遇到，再加上铁路机务段在机车整车、大型设备检修过程中参与工作人员较多，一般不太愿意有大量学生的实习而影响他们的正常工作。这样，即使能遇到这样的机会，也只能安排一定量的学生到现场观摩学习，达不到生产实习的教学目标。为了弥补铁路职业院校学生实践教学中由于铁路基层单位生产周期等原因没能身临生产一线进行实时学习的缺陷，我们与郑州机务段联合开发了“铁路机车检修现场作业远程视频实时传输播放系统”，建立基于移动3G 或普通互联网的远程视频虚拟实习课堂，系统在不影响现场工人正常工作的前提下，同时为了实习教学的需要，老师在学校可以远程实时查看生产现场情况，得知检修车间要进行机车检修作业时，并在得到机务段的允许下开启远程视频实时传输系统传送生产车间机车检修作业画面，并且还可以对录像信息进行存储、回放、加工处理等，摄录资料加入教学资源库，不断丰富专业教学资源。该项目是国家骨干院校重点建设专业的子项目之一，是学院2013 年重点科研项目。

二、系统组成与技术要求

1.系统组成

该系统以互联网为传输基础，采用网络摄像技术将机务段架修车间现场的作业画面实时传回学院课堂，可以通过互联网在学院终端对作业现场摄像头进行远程操作，调整最佳摄像角度和位置，拍摄工作场景画面。

在一个工作场所，根据需要可以安装多个摄像头，多个摄像头通过网络交换机集中后连接互联网。摄像头可以采用固定式、云台式和可调镜头式，达到采集全景影像、采集特写镜头、采集特别岗位影像目的。视频数据采集回来后，学院老师或管理员可以对视频进行编辑、叠加讲解语音、回放等操作。该系统主要组成有:视频采集端(网络摄像头)，数据服务器(录像文件存储服务器，数据库服务器)、本地操作端等，具体构成如图1 所示。

图1 系统组成示意图

2.技术要求

现场作业点选在郑州机务段检修车间机车架修区、电机检修区，在此两个作业区现场安装网络摄像头，采用彩色一体化高速网络球形摄像机、视频服务器(DSN-M4T)(可选带语音的)，需要工作现场有Internet 互联网接入，直接将网络链接到网络摄像头，使摄像头摄录的视频信息直接接入互联网;对于特殊地点，摄像头摄录信息也可以通过3G 网络方式将其接入互联网。

在学院“虚拟实习课堂”，学院作为本系统的主要控制端，主要包括数据库服务器、录像文件存储服务器、本地操作端(即视频录像编辑台和教学控制台)。因为本系统主要以互联网为基础，现场的摄像头是网络摄像头，所以学校必须配有互联网平台，任课教师通过使用远程视频教学软件进行网络教学和相应的视频下载、加工和管理工作。

数据服务器用于安装SQL Server 或Oracle 网络数据库，主要用于保存授课教师对录像源文件的存储、编辑等操作信息，以及其他的日常管理记录;录像文件存储服务器主要用于存储录制和编辑完成的视频文件;本地操作端，授课教师可以对远程的网络摄像头进行操作，同时还可以对录像信息进行编辑、存储;远程视频教学系统采用分布式技术，支持与学院局域网系统、视频服务器等对接，可提供远程实时教学监控、教学录像存储、机务段作业现场监听、录像智能检索、轮巡查看、记录管理等。

三、系统功能及实现方法

远程视频教学系统是以计算机网络为核心，结合IP 视频技术、视频和音频数据压缩及解压处理技术、计算机网络技术的一种集成化远程视频教学系统，它将远程视频信息通过网络和终端通信，与信息管理系统结合使用，提高学校的教学管理水平和效率，该系统主要包括以下主要功能。

1.多路现场视频显示

系统能够同时显示多路视频信息，并可显示现场摄像头工作状态信息，根据需要可以进行4 路、9路、16 路视频的切换，如图2 所示。

图2 系统摄录传输的多路生产现场画面

2.远程控制摄像头云台控制

根据现场教学的需要，通过远程控制配置云台装置的摄像头进行角度切换、拉近拉远等操作。

3.现场视频信息采集

采集现场视频信息分为预约采集和实时采集两种。当选择预约采集时系统可以在指定的时间开启摄像头采集现场视频;如果选择实时采集，用户可以不间断地对现场视频进行采集。

4.多路视频同时录制、播放

可以实现多路视频同时录制和播放，并且可以随时在一个画面与多个画面之间进行快速切换。

5.视频文件的非线性编辑

为了更好地服务教学，学校教师可以对采集的视频信息进行非线性编辑处理，可以选择任意现场视频对其进行任意剪辑、合成，同时还可以根据需要添加画外音和在视频上添加额外的文字说明，待编辑完成后，可以将其输出并保存。

6.历史录像记录回放

可以对采集过的现场录像文件进行回放，也可以对编辑好的视频文件进行回放。

7.录像文件格式转换

可以将视频文件进行格式转换，方便视频文件的保存和扩充视频文件播放的兼容性。

视频数据采集回来后学校教师或管理员可以对视频进行编辑、叠加讲解语音、回放等操作，所以该系统主要有:视频采集端(网络摄像头)、数据服务器(录像文件存储服务器、数据库服务器)、本地操作端等。

四、系统技术特点

远程视频教学系统是以数字网络为传输介质、网络视频服务器为核心，综合全面使用数字视频处理技术、自动控制、网络传输技术和人工智能等技术。有快速视频处理能力、数字信息抗干扰能力、快速查询记录等，主要特点有以下几个方面。

1.结构清晰简单

监控主机通过网络视频集中监控系统管理软件实现了模拟系统中视频矩阵、画面分割器等设备的众多功能，并通过电脑硬盘实现录像功能，使系统结构大为简化、集成度高。

2.管理应用简便

由于数字监控系统基于计算机和网络设备，绝大部分系统控制管理功能通过计算机实现，无须在模拟系统中设众多繁杂的设备，减轻了操作维护人员的管理工作强度。

3.强大的操作功能

本系统可以实现多种显示模式;多画面智能切换轮巡、随时启停等多种录像方式、图片抓拍打印、智能快速录像回放查询等。

4.监控查看简便

由于全数字化网络视频集中监控模式基于网络的特性，无须增加设备投资，网络上的远程或学校远程教学中心均可以实时监控、录像或任意回放一个或多个监控现场画面，授权的联网电脑也可以实现监控功能，避免了地理位置原因造成监督管理的不便和缺位。

5.极高的安全性能

图像掩码技术，防止非法篡改录像资料;只有网络上的授权电脑才可以进行录像备份，有效防止恶意破坏;网络故障断网缓存功能，有效保护视频数据;视频中断主机报警功能;设置授权分级管理功能和强大日志管理功能。

6.无限的无缝扩展能力

监控摄像机的增加主要是前端的远程监控点增加，而监控前端通过IP 地址进行标识，增加设备只需把IP 地址扩充即可，这样，应用简单的结构可以组成庞大的多级监控网络。

五、结论

历时近一年的研究，该系统成功应用于铁道机车专业实习教学，有效弥补了专业学生到不了实习现场的缺憾，积累了丰富的机车检修作业视频资源，对专业实习教学发挥了积极的作用。

［1］彭强，杨天武，陈维荣，等.分布式远程视频监控系统视频传输技术研究［J］.铁道学报，2002(2):49-54.

［2］宋秀萍，龚猷龙.基于MPEG-4 的网络视频监控系统研究［J］.安防科技，2010(2):20-23.

［3］李树前.基于MPEG-4 的网络视频监控技术研究与系统实现［D］.南京:南京航空航天大学，2007.

［4］方志刚.远程实践教学:理念·环境·创新［J］.中国远程教育，2013(1):58-64.

［5］张信和.远程开放教育广告设计专业实践教学模式的构建与实施策略［J］.中国远程教育，2013(10):65-70.