基于云平台的铁路安全智慧预警系统应用研究

张新锦

（中国铁路昆明局集团有限公司，云南昆明 650011）

0 引言

云南省地处我国西南山区，所建铁路穿越许多贫困地区，由于早期普速铁路线路封闭标准低、当地群众穿越铁路困难等原因，对铁路周边造成一定安全隐患。据统计，原昆明铁路局每年防撞停车事件达300～400件，既严重影响铁路运输秩序，又威胁铁路行车安全。另外，由于山区土质边坡溜坍、滑坡、泥石流、落石等自然灾害频发，防洪压力巨大，对铁路沿线Ⅰ、Ⅱ级防洪地段设置多个巡查看守点、配置多名巡查看守人员，不仅耗费巨大人力、物力、财力，并且灾害的可控性和准确性并未有效提升。因此，亟需利用科学手段逐步取代人工手段，对影响铁路安全的路外及防洪隐患进行有效实时监控。

近年来，安全预警系统随着信息技术飞速发展，传统的人工定时巡查方式已转变为利用智能监控设备对铁路周边、防洪重点地段进行实时监控。在早期建设的安全预警系统中，监测终端摄像头采用数据中心机房建设、普通电力供应和网络长距离布线，成本高、施工复杂、建设周期长，仅适用于靠近铁路站点的设备，难以适应普速铁路沿线安全预警监控智能化的需求［1]。

研究建设基于云平台的铁路安全智慧预警系统，应用4G 无线通信及红外夜视功能的专用高清智能球机（简称智能球机），解决了普速铁路沿线通信线缆布设、夜间实时监控等难题，也为汛期夜间落石、滑坡、边坡溜坍、挡墙垮塌、泥石流等自然灾害的实时、准确监控创造了条件［2-3]；4G 无线移动通信和光伏供电装置有效解决了普速铁路沿线通信线缆和电力供电成本高、实施难度大等问题；应用视频智能分析，可节省流量、减少误报率、降低成本，并通过自动巡航提高铁路周边安全监控效率，弥补了人员非巡查期间的空档，及时发现突发状况［4-6]。

1 铁路预警分类

铁路安全智慧预警系统主要对普速铁路关键地段（如防洪重点地段、桥梁出入口，隧道出入口及道岔等）进行安全预警，包含设备安全预警、生产安全预警和人员安全预警。其中，设备安全预警重点对铁路设施设备是否移动或被盗，设备是否受周边自然灾害影响而发生变化进行监控；生产安全预警重点对桥梁、隧道出入口设施损坏，边坡危石侵入线路，边坡溜坍侵入铁路限界进行监控；人员安全预警重点对现场作业人员安全生产进行监控，并对非法闯入铁路的路外人员进行安全预警［7]。

2 设计思路

基于当前主流的智能球机，研究基于云平台的铁路安全智慧预警系统。该系统支持异物侵入报警、语音报警、移动侦测报警、视频遮挡报警、非法操作报警、网络断线报警等多种报警方式，具备自动巡航、数据存储、前端一次智能视频分析、云平台二次报警视频分析、远程数据查阅、预警系统管理平台延伸拓展功能。研究前端设备工作的电力需求情况，设计光伏供电装置；研究摄像头的监控参数，选择适当的4G前端存储模式及无线通信方案，完成系统集成模块化配套安装和功能联调，从而达到设备状态监控、周边异常预警和自然灾害报警的目的［8]。

3 关键技术

3.1 整体架构

系统整体架构采用分离独立的模块化设计，由前端节点、云端服务器和管理中心/分控端3 部分组成。基于云平台的铁路安全智慧预警系统拓扑示意见图1。

图1 基于云平台的铁路安全智慧预警系统拓扑示意图

3.2 前端节点

3.2.1 智能跟踪

将专业定制的4G物联网铁路预警专用AI人形识别智能跟踪球应用于前端节点摄像机，该智能球机支持精准AI 人形识别和人脸检测功能。当画面内出现人脸时，自动跟踪并放大人脸；跟踪结束后，智能球机返回设定的监控位置（看守位功能）。检测目标大小、灵敏度可实现自动调节。

3.2.2 自然灾害及异物侵入识别

完成对路肩、边坡、隧道口等处设备的实时监控、实时采集，通过基于传感器的形变检测系统，建立大量统计数据进行分析判断，对线路设备和异物状态作出及时判定，自动排除风、雨、雪、飞鸟、反光、阴影等干扰功能，并向调度指挥中心发送信息，再次通过视频监控判断并采取应急措施。

3.2.3 报警关联设置

检测到人形目标时，关联触发蜂鸣器（扬声器、高音喇叭等）发出警报（警报声可上传），触发报警视频及报警信息，传输至分控电脑及智能移动终端显示。

3.2.4 语音对讲功能

支持语音对讲，智能球机内置拾音器，视频、声音同步监控。外置音频接口接高音喇叭，用于远程喊话。发生警情后，通过远程客户端开展现场通话。

3.2.5 智能语音提醒

蜂鸣器发出的警报声可由工作人员录音上传（普通话、使用地点当地方言均可），或通过输入文字进行语音合成。

3.2.6 电子围栏区域报警

系统除支持AI 人形精准自动跟踪以外，还支持电子围栏区域报警功能（见图2）。如图2 所示，设置当前画面内检测跟踪的，区域外监控不跟踪、不报警。每个预置点设置1 个电子围栏区域，最大支持16 个预置点作为1条巡航路径。当监控范围较大时，将大区域拆分为多个小（如16 个小区域），每个小区域设置1 个电子围栏区域，设置完成后，16 个预置点设为1 条巡航路径，即可完整监控大范围内所有区域，一旦发生异物侵入、边坡溜坍等情况系统就会立刻报警。

图2 电子围栏区域报警

3.2.7 视频本地存储

系统不仅支持视频上传，还可内置Micro-SD 卡或设置网络硬盘录像机（NVR）进行视频本地存储。工作人员可通过远程客户端对视频进行查询、筛选、播放和下载等操作。

3.2.84 G模组

系统采用军工级设计全网通4G 模组，方便调试及使用。通过设备Nano-SIM 卡槽位置的信号灯，判断设备是否正常通电、4G模组是否拨号成功等。4G模组自带AP 热点功能，可通过手机连接热点，搜索、添加设备并调试。同时，4G 模组自带Web，可登录网页查看4G模组的状态及其他信息。

3.2.920倍自动变焦

智能球机采用1080 P 高清一体机芯，支持20 倍自动变焦，白天拍摄距离可达800～1000 m。

3.2.10 耐高温高压电子电路

设备电子电路采用耐高温高压的军工级设计标准，可在恶劣环境中稳定工作，视频画面流畅、不卡顿。

3.2.11 跟踪定位精准

摄像机云台采用高精度步进电机驱动，预置点点位精准，跟踪定位精准可靠，7 d×24 h 全天候稳定工作。

3.2.12 光伏供电装置

由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、负责前端系统组成光伏供电装置，为系统提供不间断电源（见图3）。

图3 光伏供电装置

3.3 云端服务器

3.3.1 服务器

集中管理云存储服务器采用Linux 专用操作系统。硬件配置：志强E34 核CPU、8 GB 内存、20 GB 硬盘、1000 MB 以太网接口。采用外网固定IP，按照目前摄像机数量112台，每台摄像机码流3 MB/s计算，如同时存储112路摄像机图像，所需下行带宽为336 MB/s。考虑网络损耗及其他情况，带宽增加20%，下行带宽为403 MB/s。

3.3.2 摄像机

前端摄像机采用1080 P 分辨率高清摄像机，每台摄像机拍摄速度为1.3 GB/h，90 d 所需硬盘空间约为2808 GB。NVR 的4 TB 硬盘可存储约129 d 的视频，满足昆明铁路公安局的数据存储90 d的国家反恐要求。

3.3.3 流量

每个前端摄像机使用流量为500 GB/月。按照一直存储的码流计算，摄像机需要1.3 GB/h的流量，按每月30 d 计算，如满足连续存储，所需流量至少937.5 GB/月，远超过每个前端摄像机每月使用流量，考虑到其他损耗，建议流量1000 GB/月。

3.3.4 存储

基于带宽和云存储空间的费用考虑，前端摄像机直接使用SD 卡存储。摄像机内置128 GB SD 卡可存储5～7 d 的监控视频，云服务器软件支持摄像机直接上传。当摄像机监测到人员经过监控区，直接将报警视频上传存储于云服务器。摄像机内置SD 卡和现场NVR不间断持续拍摄并存储。由于AI 智能识别采用人工智能识别算法，准确率无法达到100%，如摄像机未报警，可通过远程客户端查询摄像机的本地SD 卡或NVR录像情况。

3.4 管理中心/分控端

3.4.1 中心管理主机

中心管理主机采用内网IP，以确保设备正常联网，通过配置软件可连接集中管理云服务器，对云服务器进行管理和配置，如添加摄像机、添加存储硬盘、配置录像计划、配置电子围栏和报警信息推送、分配不同用户的观看、控制、回放权限等。管理主机内置全功能的综合管理平台软件，可实时观看、对讲、录像查询、回放、下载、控制云台、报警推送和声音提醒。

3.4.2 PC客户端和智能移动终端

远程PC 客户端和智能移动终端（手机安卓端）连接互联网，根据用户级别分配不同的权限，限制用户查看设备、视频。通过查询和回放以及控制功能，客户端接收到报警信息的推送会显示具体的点位信息，如点位名称和有声提醒，此时有权限的用户可对该点位进行观看、控制以及视频回放等操作。

4 结束语

基于云平台的铁路安全智慧预警系统应用研究，取得了良好的经济效益和社会效益。经济效益方面：较好地解决了传统安全预警系统在普速铁路沿线布线难度大、成本高的问题，具备施工周期短、建设运营成本低、架设简单、维护方便等优势；系统运用后成本节约效果显著。社会效益方面：通过系统实时监控、自动分析和及时告警，及时发现安全隐患并作出应对，避免行车事故，进一步保障铁路交通运营安全；按照相关规定和要求定期存储现场视频，后期调用查看、分析，为执法或秩序维护提供相应证据，有效提高现场侵入事件处置能力，节约人力投入；将视频数据作为可共享资源，工务、电务、供电等相关单位可调用查看，及时了解线路及设备的现场情况，节省时间，提高现场应急处置效率。