列车车厢视频监控系统

刘 勇

我国经济高速发展带来大量的铁路客流，出行人数连年翻番。列车人员流动大，出现问题排查难度大，收集证据不足，有些犯罪分子在列车上流窜作案，给人民生命财产带来危险。为此研制列车车厢视频监控系统，建立覆盖列车所有车厢的网络通道，将车厢现场图像传送到列车监控中心，对列车所有车厢状况进行监控，有效防范列车上犯罪的发生，改善列车治安环境。

1 方案设计

列车车厢视频监控系统，由安装在车厢的图像采集系统、列车监控中心、车－地信息传输通信平台组成。列车上所有车厢配备相应的摄像机，将各车厢现场图像传送到列车监控中心；列车监控中心可对车厢内状况实时监控，并在列车进站时利用断点续传技术向各个基站发送系统数据；铁路局监控中心配备相应的图像监视设备和数据处理软件，接收处理列车车厢现场图像。列车车厢视频监控系统网络如图1所示，设备原理如图2所示。

图1 列车无线监控系统原理拓扑图

图2 列车车厢视频监控设备原理图

1．1 图像采集系统

图像采集系统包括监控数字摄像机、各类报警输入／输出装置。在各车厢配备相应的监控摄像机，采集各车厢现场视频信号，自动处理成数字信号，通过无线／有线传输送到列车监控中心。

1．2 列车监控中心

列车监控中心位于乘警所在的车厢，由监控服务器、监控终端、视频服务器、硬盘录像机等组成。主要完成现场图像接收与显示，以及录像的存储、检索、回放、备份和恢复等。视频服务器对监控点摄像机采集的视频信号进行处理，传到监控服务器上，通过显示器汇集每节车厢提供的监控视频图像。监控服务器安装相关监控软件，可对各车厢的摄像机、视频服务器进行管理，同时担负录像报警等功能。通过显示器可以同时显示9～16个摄像机画面。在监控中心可以通过显示器观看到多个车厢现场监控点的图像。现场传回的视频图像转化为数字信号存储在监控服务器上，方便资料的存储、更新、查询、备份，为执法工作提供线索和依据。

1．3 通信平台

系统通信平台由监控中心软件及各个车站视频终端组成，通过无线网或铁路专线组成，可将站内所采集到的信息通过这套平台进行交互。后台系统由大屏幕电视、硬盘录像机、交换机等设备组成，将采集视频显示在大屏幕电视上。工作人员可以了解各监控点的情况，出现问题及时分析、处理。

监控中心软件具有以下功能。

1．定位功能。通过列车GPS实现定位，监控软件可以了解该列车的运行状况及到达晚点等多种信息。

2．数据录制功能。可以将列车运行过程进行录制，留取备案资料。

3．回放功能。车上出现问题，如偷盗，可以通过后台反复播放，确定情况，方便解决问题。

4．视频切换功能。通过切换选择要观看的车次，了解运行状况。

5．索引功能。各个站发送的列车数据直接汇总到后台监控中心，根据车次、时间等信息进行索引，便于随时调阅查看。

6．断点续传功能。由于列车在各个车站的停车时间不同，需要传输的视频数据比较大，数据没有传完可在下个站从断点处继续回传，保证数据的完整性。

2 关键技术

在旅客列车上安装监控系统，很多问题需要解决，最主要的是视频信号传输问题，也就是车厢采集的图像如何传到列车监控中心，列车监控中心如何把图像传到车站。

2．1 车－地无线链路

列车上的无线数据传输属于串形结构，在控制投资成本情况下，带宽应满足每节车厢固定摄像头的数据传输，以及移动工作站的图像实时查看；列车属于移动交通工具，当每列列车进站及停止运行时，站台网桥设备能识别列车的用户端网桥，使车上数据能及时传送到车站值班室。基于以上考虑，采用无线网桥来实现。

图3 设备连接示意图

实施时，在车站值班室楼顶安装3台AP设备，180°网桥覆盖。这可为网络扩容提供通道，解决不同网络连网带宽及执行网段划分等协议。AP与车站站台的中继设备连接，与列车顶上的1台中继设备连接，在监控中心通过无线网、专线将站内数据传送到路局指挥中心，实现数据实时交互。车－地设备连接如图3所示。

2．2 车厢无线链路

假设列车中有10个运载旅客的车厢，每个车厢安装2个摄像机，需要将20个摄像机的20路视频信号送到车厢监控中心，再由车厢监控中心送到车头上的无线网桥。由于每列车的车厢和车厢数量不固定，特别是在节假日期间，需要根据运营需要重新编组，监控系统必须能够根据列车编组情况的变化随时增加或减少监测点。列车结构上相对稳定的最小单位是车厢，车厢之间采用有线网络布线难度较大，有线传输电缆的切换将是一个大难题，很难保证整列列车传输长期、稳定、可靠的工作，列车车厢之间只能采取无线链路传输方式。

无线链路传输方式，可以解决重新编组的兼容和管理问题。在不破坏车厢原有结构的情况下，将多个车厢的监测点与监控中心连接起来，建立链路；需要更换或增减车厢时，可以在最短时间内增减监测点。为了保证列车与车站传输视频压缩文件的稳定性，必须有足够的网络带宽。无线链路传输方式可采用点对多点连接，也可采用点对点连接，还可以采用电力线传输方式。

2．2．1 点对多点无线连接

采用点对多点方式，通过无线宽带接入设备，建立覆盖沿途基站及列车各车厢的无线宽带网络。每列列车选择一节车厢作为车厢监控中心，一般选择位于列车中部的乘警值班车厢，两边的信号相向传输。再通过无线发射设备连接各沿途基站点。在车厢监控中心安装2个AP无线中心站，每节车厢监测点安装一个覆盖设备AP。中心站采用360°覆盖技术，以保证在弯道行驶状态时也能够接收到各车厢发射过来的信号。通过AP的桥接设备连接12个车厢接入点，各车厢接入点以共享方式分享2个中心站设备提供的总信道带宽。列车各监控点与监控中心无线连接如图4所示。

图4 列车各监控点与监控中心无线连接示意图

2．2．2 点对点无线连接

采用点对点连接的方案，将传输线路在靠车厢两头安装的2个无线网桥进行连接。而车厢内采用有线传输方式，在车厢内部进行网络布线，并用电缆连接摄像机和位于一节车厢两端的无线网桥，每列列车选择一列车厢作为监控中心，监控中心一般设于列车的中部，两边的信号相向传输。在各节车厢两端的连接处安装无线网桥，利用网桥自带天线进行点对点桥接，无线传输系统如图5所示。

图5 列车点对点无线组网连接示意图

可以看出，点对点方式，需要每节车厢安装2个无线网桥设备，车厢内部还需要进行网络布线，而采用点对多点方式，每列车厢只需配置一个无线终端站设备即可实现监测点接入，完全不需要任何有线连接方式进行网络布线，减少工作量，节省费用，而且可靠性较高，因此建议采用点对多点方式组网。

无线连接技术已经普及，系统稳定、易操作，安装施工方便，不用破坏原有车厢结构，车体变动时扩展灵活。但是列车运行时会产生不确定因素，比如气流对无线传输的干扰，会车时干扰信号，而且投入成本比较高。

2．2．3 电力线传输

使用车内电源线实现数据传送。各节车厢监测点安装一台电力调制解调器，将监控点数据通过RJ45连接到电力调制解调器上，通过列车原有的电源线直接送回车厢监控中心。在车厢监控中心安装1台电力桥，中心站采用覆盖技术，将所有电源的通信放入一个网段，以4Gb／s的OFDM调制方式，充分利用有限的频带资源，保证数据传输。中心站和远端站设备都提供RJ45以太网接口，用于连接监控中心的交换机、视频服务器。这种结构的车体整体示意图如图6所示。

无线网络比电力线通信技术相对成熟，但无线通信设备成本投入较大，是电力线通信的2～4倍，而且电力线传输避免了会车情况下的无线传输信号干扰，所以可以采用电力线通信方式。

3 应用前景

列车车厢视频监控系统安装后，可对列车行驶过程中的数据及异常情况进行记录，并在进站时传送到当地车站，再传送到铁路局监控中心，使铁路局了解到列车的运行状况，保证铁路运营的安全性。本系统不仅可以传送音视频数据，还可以传送黑匣子中的重要数据及列车多媒体广播等信息，其他数据如轴温、压力等信息也可通过这个系统直接传送出来，避免插拔IC卡带来的不安全。

由于铁路客车的特殊环境，整个列车车厢与车厢之间的通信通路只有电源线和广播线2个通道，不能按照常规布线方式解决通信问题 （如同轴线、双绞线布线方式）。采用电力线的通信方式，解决了在列车上常规网络布线方式的不便，在国铁内进行了多次模拟列车环境试验，可以实现列车车厢视频监视。在列车上使用电力调制解调器，与无线传输系统相结合，将车上、车下有机结合在一起，实现了数据的完整传输，使信息传输快捷、简便。利用视频技术通过网络将信号及时的反馈给列车值班室乘警，实现了视频回访功能，缩短工作时间，减轻了劳动强度。

随着我国铁路现代化建设的飞速发展，铁路客运管理也必然是由粗放型转向科技型，落后的管理方式必将不断被越来越先进的管理方式取代。列车车厢监控系统的开发推广，顺应科技潮流，提高铁路列车安全管理水平，以低投入、高效益为宗旨，对铁路客车安全运输管理升级是一个突出贡献，将有效地提高铁路客运管理水平和稳定铁路客运治安秩序，促进铁路客运经济效益的提高。

图6 采用电力线传输的车体整体图

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