高速铁路视频监控新技术应用

陶有好 上海铁路局上海铁路轨道交通开发有限公司

高速铁路视频监控新技术应用

陶有好 上海铁路局上海铁路轨道交通开发有限公司

2016年夏季，上铁电务公司按照上级部署，对杭州地区高铁线路相关区域进行了高清视频增补。结合安防行业及铁路监控领域多年技术应用，评估低照解决方案和红外灯补光解决方案的优劣，运用超低照度解决方案较为完善地解决了弱光环境下的安防监控成像；同时，在传统铁路SDH网络出现技术带宽瓶颈的情况下，引入城域以太网和工业以太网进入铁路工业监控领域，取得较好的技术、经济效益。

超低照度成像；夜视技术；城域以太网；工业以太网

1 超低照度视频监控技术应用

1.1 超低照度

超低照度摄像机通常指感光度较好的摄像机，只需要一点点光，就可以呈现比较明亮的图像。而星光级超低照度摄像机是目前在夜晚监控中效果最好的一类摄像机，因其出色的夜晚成像效果，广泛应用于平安城市、交通市政、港口海事、军用等对摄像机低照度性能要求比较高但又不宜外加补光设备的应用环境中。

根据摄像机的不同照度值，可以对它们进行分类。以摄像机正常工作照度范围划分为普通型，其最低照度值在（0.1～1）Lux间;月光型，其最低照度值在0.01Lux左右;而星光型就需要达到0.001 Lux以下了。在同样的光照条件下，与普通照度的摄像机相比，星光级超低照度摄像机可以呈现更加明亮的图像。

超低照度成像器件的主要技术要因有：大光圈镜头、高灵敏度感光器、高增益下的噪音处理、图像增强DSP算法等，业界技术发展情况：

①降噪技术全面提升，夜间图像更加清晰细腻。

②通过全新的NDG无损增益技术，可使信噪比提升6dB。

③搭配SMDE智能运动降噪引擎，可使信噪比再次提升30%。

一个完整的摄像设备由有两部分组成，即镜头和摄像机，而摄像机又由感光器件(CCD或者CMOS)、复杂的信号处理电路、滤光片等组成。如果想实现超低照度，那么镜头、传感器、DSP、滤光片等均需要满足一定的技术要求，缺一不可。如图1、图2为不同照度性能摄像机成像对比。

图1 常规照度摄像机成像

图2 低照度摄像机成像

夜间监控摄像机主要分为红外摄像机、热成像摄像机及超低照度摄像机三种类型。这三类摄像机因各自不同的成像原理，可应用于不同的监控环境中。

主要夜视技术对比见表1。

表1 主要夜视技术对比

1.2 红外摄像机

当环境光线暗到一定程度时，红外摄像机会自动开启自带的红外灯，通过主动发射红外光，照亮监控目标，再通过采集反射回来的红外光，从而生成图像，是一种主动式红外。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体，也就是人们常说的可以达到0 Lux的照度值。因此，如果是比较空旷的环境，红外灯没有可反射的物体，这样图像的显示效果就相对较差。

对红外摄像机来说，红外灯的寿命也是用户普遍比较关注的问题，而温度过高是导致红外灯失效的主要因素之一。有研究表明，温度每降低10℃，红外灯的寿命可延长1年。因此，红外灯电路的散热设计、功率大小都至关重要，尤其是远距离红外，距离越远，红外灯的功率越高，发热量也会越大，当温度高到一定程度，甚至会影响到摄像机图像传感器的效果。在工程实际应用中红外光源1年明显衰减、3年故障率极高，这是红外补光摄像机应用存在的客观现实问题。如图3、图4为摄像机红外补光成像对比。

图3 摄像机夜间无红外补光成像

图4 摄像机夜间有红外补光成像

1.3 热成像摄像机

自然界中，一切高于绝对零度(-273℃)的物质每时每刻都在源源不断地向外辐射与自身性质、温度相关的电磁波，我们称这一现象为热辐射现象。不同温度下，物体所发出热辐射的波长不一样。热成像摄像机的探测机理是利用目标和背景或目标各部分之间的辐射差异形成的红外辐射特征图像来发现和识别目标，通常是由对红外光透明，不透过可见光和紫外线的高纯锗单晶材质镜头，同时利用热红外探测器将红外辐射转变为电信号。

因为热成像摄像机的特殊工作原理，（3～5）μm和（8～14）μm的热红外线是大气空间传播的透明窗口，其成像不受光线影响，适用于完全黑暗、强光、逆光、眩光、雨、雾霾等环境之中，能清楚分辨不同物体、识别伪装及隐蔽的目标。相对于普通摄像机而言，热成像摄像机拥有更远的探测距离，根据选配镜头焦距的不同，最远监控距离可以达到几公里以外。如图5、图6为可见光摄像机和红外热像仪成像对比。

图5 普通摄像机成像

图6 红外热像仪成像

简要对比超低照度摄像机相对于红外补光和热像仪的综合指标见表2。

表2 简要对比超低照度摄像机相对于红外补光和热像仪的综合指标

1.4 应用效果对比

（1）红外补光灯应用方案

如图7为为红外补光摄像机的典型问题。

图7 红外补光摄像机的典型问题

（2）超低照度应用方案

如图8、图9为超低照度摄像机的技术优势。

图8 优异的低照性能，画面均匀舒适，暗部细节完整，或可呈现低照度彩色图像

图9 优异的动态范围，不受外部强光源影响

2 大规模城域以太网及工业以太网的应用

2.1 城域以太网在铁路监控的应用

铁路通信网络经过几十年发展，高度成熟的应用了电信传输网和IP数据网，承载着铁路运行各专业数十个数据通信系统，这些系统的底层核心网络是SDH同步传输网，具有稳定可靠、性能优异、业务丰富等多种优良特点，但随着技术发展，数据通信业务爆炸式增长，各行各业的基础通信设施都出现资源紧张也是客观现实；在安防监控领域，无论是平安城市还是铁路行业综合视频监控系统，高清IP监控技术的爆发式增长使得上述情况尤为突出，使得无论是接入层通信链路还是骨干层、核心层干线网络带宽全都捉襟见肘，甚至铁路线路建设阶段花大代价建设的10G/40G同步传输网的80%的资源都给视频业务用了，同步传输网的高质量通信联络、电信级服务保证、端到端链路服务，这些优良的本为话音设计电信业务服务，用在统计复用的对抖动容忍相对宽松的IP数据包通信网络，显得有些牛刀杀鸡、大材小用，而且，即使是电信运营商传统话音业务，也基本上都承载在IP网络上面了，IP的通信容量和服务质量已经没有任何问题。

因此，对于视频监控系统这种高带宽要求、一般质量要求、低网管需求的常规IP数据通信网络，采用以太网（城域）技术、以及适应铁路行业前端设备的工业环境的工业以太网技术，是技术可靠、性价比优良的技术方向。

在本次工程中，对突发增长的1080 p高清IP监控业务，每路监控视频需占用（4～6）Mbit/s实时传输带宽，多个铁路通信基站接入若干个前端监控点以后，将实时视频信号汇集传输至车站集中存储、分发、转发，以一个车站I/II类视频节点管辖20个基站、每个基站5路视频共100路IP高清监控为例，共计需要约500 M左右的总带宽，那么对于铁路区间SDH传输网的622 M基础带宽来说，是个不小的挑战，而且SDH传输网还有其他很多重要业务需要承载，不可能提供所有的带宽给视频监控业务使用，这样利用区间既有光纤资源车站-基站层自建光纤以太网络，是必然的选择，除了优异的带宽优势，可以高性价比的搭建长途GE/10GE通信网，光纤以太网同样具备多业务隔离和服务保证、复杂环网保护特性、统一网管等多种网络服务特性。

（1）视频汇聚节点与视频采集点间接入层

新增各视频采集点设置现场摄像机，各视频汇聚节点（区间GSM-R基站、车站、部分区间节点）内设置带光口的三层交换机，现场摄像机通过光纤工业以太网接入设备点对点直连至汇集点处的三层交换机，组成星形网络，实现视频图像从视频采集点向视频汇聚节点的传送。

视频采集点至视频汇聚节点间组网示意图见图10。

（2）视频接入节点与视频汇聚节点的汇聚层

新敷或利用线路既有光缆，利用各汇聚节点内三层以太网交换机及新敷设光缆中的2芯光纤通过GE（O）直连组建若干个 GE通道环形上联至两端视频汇集点三层交换机。

视频接入节点至综合视频汇聚点组网示意图见图11。

图10 视频采集点至汇聚点组网示意图

图11 视频汇聚点至视频接入节点组网示意图

2.2 工业以太网

为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，工业以太网为以太网技术补充了不少重要的性能比如：

①工业以太网与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通讯协议；

②冗余（12～48）V DC宽压供电，简单的机柜导轨安装；

③方便的构成星型、线型和环型拓扑结构；

④高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为300 ms；

⑤用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试，高低温、恶劣电磁干扰；

⑥通过带有RJ45技术、工业级的Sub-D连接技术和安装专用屏蔽电缆的连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行；

⑦符合SNMP（简单的网络管理协议)可使用基于web的网络管理。

责任编辑：许耀元 张萼辉

来稿日期：2017-01-19