铁路综合视频上车系统研究与实践

王瀚昀

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路综合视频监控系统覆盖铁路主要运输干线，对线路区间、站点、车站咽喉区、隧道洞口和电力机房等重点区域进行实时监控，极大地满足了调度、工电、公安等业务部门对视频信息的需求，是铁路运输指挥、生产作业以及公安保卫的重要手段，同时也是铁路行车设备的重要组成部分。从业务需求分析角度，应开展铁路综合视频上车系统的相关研究和试验工作。铁路综合视频上车是指将列车运行前方视频图像和视频智能分析结果传送到驾驶室内，延伸司机的目视范围，使司机能够提早发现突发事件并及早采取应对措施，降低事故发生率，对铁路行车安全保障工作起到一定的辅助作用。

1 铁路综合视频监控系统架构及上车需求分析

根据原中国铁路总公司Q/CR 575—2017《铁路综合视频监控系统技术规范》要求，铁路综合视频监控系统采用树型网络拓扑结构，具备多级联网、多级管理、多级转发、多级存储等特点，自上而下由视频核心节点、视频区域节点、Ⅰ类视频接入节点、Ⅱ类视频接入节点、视频汇集点、视频采集点、承载网络和视频用户终端组成［1]。系统逻辑结构及接口示意见图1，其中A、B、H 为系统外部接口，C、D、E、F 为内部接口，Na为管理接口［2]。

目前，尽管铁路视频监控已经趋于完善，但各专业之间的壁垒还没有完全打开，资源共享率不高，特别是高铁安全环境隐患问题还没有得到彻底解决，例如2018年8月，因彩钢屋顶刮到护网内线路中心，造成设备损坏，对高铁安全构成威胁。为了认真吸取该起事故教训，充分利用好现有视频监控资源，提高其技术水平和应用能力，延伸司机瞭望距离，提前预知前方运行区段险情，开展铁路综合视频上车系统的研究工作非常重要。将列车运行前进方向的视频图像和视频智能分析结果传送到驾驶室内，一定程度延伸列车司机的目视范围，通过推送安全警告的方式提供预警、报警功能，使司机能够提前发现意外事件及时采取应对措施。

图1 铁路综合视频监控系统逻辑结构及接口示意图

开展铁路综合视频上车系统的研究具有必要性、前瞻性，同时也具备极强的技术经济价值。一方面，视频监控行业技术性极强，在监控系统不断创新升级的同时，也在引导铁路各部门需求的变化，进而创造出新的市场需求；另一方面，高清甚至超高清的视频监控系统为用户提供了更多的细节内容，一定程度促进了视频智能分析技术的发展，进一步将铁路综合视频监控系统的建设和应用推上更高层次。

2 视频上车系统总体方案

2.1 系统组成与设计

铁路综合视频上车系统由车载子系统、数据传输子系统和地面综合应用子系统三大部分组成（见图2）。

图2 铁路综合视频上车系统组成

2.1.1 车载子系统

车载子系统主要实现视频图像资源的实时显示、存储、视频智能分析以及转发码流质量反馈功能。受目前运营动车组安装条件的限制，车载子系统按定制车载终端考虑。在列车停止的情况下，司机可手动查看前方1个运行区间内的线路视频图像资源，发现异常后，可通知列车调度员、车站值班员采取相应措施，有效消除隐患。定制车载终端基于Android 操作系统设计，软件采用扁平化风格实现，方便司机操作，提升界面友好性。定制终端的设备参数见表1。

表1 定制车载终端设备主要参数

2.1.2 数据传输子系统

数据传输子系统主要实现车载子系统与地面综合应用子系统间的远程信息安全传输功能。目前考虑利用铁路数据通信网和公众移动通信网，未来可利用铁路LTE-R网络。

2.1.3 地面综合应用子系统

地面综合应用子系统主要实现上车资源的组织与整合，根据列车实时位置，及时准确提供行车辅助信息，并通过数据传输子系统推送至车载子系统，供列车司机观察和决策使用。系统主要由通信网关、核心服务、云存储子系统、维护管理子系统等部分构成（见图3）。

图3 地面综合应用子系统组成

通信网关是整个系统内网与外网之间的边界，在外围设有安全防护设备以确保网络安全，其与定制车载终端之间建立2条逻辑通信通道，一条采用传输控制协议（TCP）长连接通信方式，另一条采用用户数据报协议（UDP）报文通信方式。

核心服务主要负责上车视频码流的处理、列车定位信息的获取、系统运行状态的监控和系统基础数据的配置等主要任务。考虑到视频上车业务相对独立，彼此之间几乎没有耦合的特点，核心服务采用实时并行计算框架实现。

云存储子系统是地面综合应用子系统的核心与基础，系统运行的全部信息，如平台基础数据、运行状态数据、视频数据等均存储在内。

维护管理子系统主要用于提供Web 服务后台接口，通过维护管理终端可以进行系统配置、管理及运维功能。

2.2 系统业务流分析

从逻辑上讲，视频上车核心业务流对象主要包括：车载终端、通信网关、列车定位接口、视频取流接口、视频推送服务和关联算法服务，6部分分工协作共同完成视频上车业务流的处理逻辑，进而实现系统的核心功能。铁路视频上车系统业务流分析见图4。

图4 铁路视频上车系统业务流分析

2.2.1 定制车载终端

为确保网络安全，定制车载终端只与地面综合应用子系统的通信网关进行业务通信。彼此之间建2条逻辑通道：全双工双向传输的TCP 长连接通道和地车单向传输的UDP 报文推送通道。长连接通道用于传输用户登陆、安全认证、拥塞控制、码流服务质量反馈、配置升级等信息；UDP 通道用于地面综合应用子系统向定制车载终端推送上车视频码流。

2.2.2 通信网关

通信网关负责车地通信任务，需要维护TCP 长连接通道和UDP 报文推送通道的可用性、有效性、安全性等。此外，通信网关还需要负责维护用户的会话信息，进行消息的转发、路由、验证、审计等功能，并提供一定的安全机制，确保系统安全。

2.2.3 列车定位接口

列车定位接口采用发布-订阅模型实现，定位信息以可扩展标记语言（XML）格式进行传输，发布方只能发布数据，订阅方只能订阅数据，数据只能从发布方向订阅方单向流动。为满足系统实时高并发这一特点，定位接口订阅节点内部，采用并行处理方式实现。订阅进程将任务依次均等分发给工作进程，从而实现负载均衡。监听进程从工作进程均等地收集结果，从而实现公平排队。

2.2.4 视频取流接口

视频取流接口主要用于上车视频码流资源的获取。由于列车在高速运行，取流接口必然会不断地关闭旧码流并订阅新码流，进而导致每个码流订阅的时间很短。考虑到车地通信带宽的限制，上车视频码流采用H.265编码，减少中间转码环节，提升系统时效性。

2.2.5 视频推送服务

视频推送服务主要负责：

（1）向运行列车推送上车视频码流及其相应的视频智能分析结果；

（2）针对定制车载终端反馈的视频推送服务质量，调整发送质量；

（3）存储推送的上车码流及其相应的视频智能分析结果。

视频推送服务由任务分配进程和工作进程2种资源构成，工作进程包含工作与备份2种模式。任务分配进程将全部列车推送任务依次均匀地分配给工作进程的同时，对工作进程的全生命周期进行监控管理。当发现有工作进程进入异常状态，启动备份进程接管该进程的工作，从而确保视频推送服务业务不中断。

2.2.6 关联算法服务

关联算法服务主要负责列车位置与摄像机资源的关联，其处理流程分为信息排序与资源关联2部分。信息排序部分需获取列车的车次号、机车号、线路号、公里标、列车运行方向等信息。资源关联部分则是结合提前录入系统的前端摄像机公里标信息和列车位置信息，按照一定的频率，通过算法不断动态生成当前列车图像距离内的前端摄像机资源列表，进而形成最优的资源关联与匹配。

由于不同列车彼此之间的关联信息互相独立，因此可采用与视频推送服务相似的并行计算框架进行设计。

3 视频上车系统关键技术

3.1 列车定位与视频资源关联算法设计

3.1.1 图像距离概念

图像距离是指列车当前所在位置与拟显示视频图像资源的前端摄像机之间的距离。原则上，列车运行前方图像距离应大于不同速度等级列车的紧急制动距离，二者对应关系见表2［3-4]。当列车运行前方图像距离内无可用的前端摄像机资源时，采用距离该图像最近的前端摄像机作为视频图像资源［5]。

表2 列车速度等级与图像距离关系

3.1.2 关联算法的设计

关联算法的本质是一个查找算法，其基本处理逻辑如下：

（1）对全部上车摄像机资源按线路、里程进行分组并建立分组索引表，分组内根据摄像机公里标、上下行方向进行排序；

（2）传入列车位置信息及图像距离定义规则，根据列车位置所在线路、公里标获取所在摄像机资源分组，根据列车上下行方向，采用折半查找法，快速定位到可能的摄像机资源最小分组；

（3）在最小分组内采用冒泡法，定位到关联的摄像机资源信息，并输出关联结果。

值得强调的是，如果关联到的前端摄像机资源不可用，视频推送服务可以向关联算法服务提出修正，关联算法可将此摄像机资源进行屏蔽，待修复后再执行解除屏蔽。

3.2 视频数据车地传输

3.2.1 网络带宽自适应技术

为节约网络带宽，视频上车系统采用“推”模型进行视频数据的车地传输工作。定制车载终端通过TCP长连接通道向地面综合应用子系统周期性单方向地发送实时传输协议（RTCP）报文。RTCP 报文中包含接收的信息包数目、丢失的信息包数目和信息包的抖动等情况。当地面综合应用子系统向定制车载终端推送视频流时，系统根据当前网络通信质量，按照质量优先的原则进行传输，并采用负载评估算法和自适应调制技术，自动调整推送视频流的帧数、速度以及码率，直至传送静态图片，从而使流媒体的传输过程与波动的网络环境相匹配，最大化适应网络带宽波动，进一步提高流媒体传输的服务质量［6］。

3.2.2 系统时效性提升技术

视频上车系统对系统整体时效性的要求十分严格，否则综合视频上车的意义将大打折扣，无法实现系统设计的预期目标。因此，有必要通过一系列优化措施与手段提升系统整体的时效性。目前，影响系统时效性主要有以下4个因素（见图5）：

（1）列车定位精度及位置信息更新频率（T1）。影响列车定位精度及位置信息更新频率的主要方面与列车定位技术选择有关，定位技术主要分为本地定位和后台定位［7］，由于后台定位方式如调度集中系统的位置误差约为1个闭塞区间长度左右，位置误差较大，因此视频上车系统选用基于列控设备动态监测系统的本地定位方式［8］。

（2）系统处理时延（T2）。系统处理时延可以通过并行计算、提前预取流等技术，压缩系统处理时延。

（3）公共移动无线通信网传输时延（T3）。在无法提高带宽的前提下，网络传输时延可以通过压缩推送码流提高带宽利用率的方法降低。

（4）视频码流获取时延（T4）。码流获取时延对上车系统时效性的影响最大，但目前暂无从根本上改变该部分时延的方法。

图5 系统时效性分析

4 现场试验

为验证综合视频上车系统方案的可行性、实用性及先进性，搭乘京沪高铁动车组，开展一系列综合视频上车系统现场试验（见图6）。试验从北京南站开始，至沧州西站为止，根据系统设计的功能，依次进行视频传输、列车定位与视频推送实时匹配、上车视频质量等测试，具体结果如下：

（1）利用公众移动通信网进行视频资源传输时，视频画面无卡顿，画面与画面之间切换流畅，证实视频上车系统较好地实现了自适应网络带宽功能；

（2）视频上车系统具备良好的实时性和匹配性，从后台收取到定位信息至将相应的视频资源在车载终端上展示这一过程有很小的时延，约为5 s，即：列车行进速度为250 km/h时，定位信息相差300 m左右；列车行进速度为350 km/h 时，定位信息相差500 m 左右，进而保证推送的视频资源有效且准确无误。

（3）推送的视频画面较为清晰，能够一定程度延伸列车司机的目视范围，并提供列车前进方向的线路状况，对安全驾驶起到一定辅助作用。

图6 综合视频上车系统现场试验

总之，现场试验一方面体现了系统方案可行、有效且具有一定前瞻性，另一方面证实了开展综合视频上车系统的相关研究和试验工作是极具意义的尝试。未来，视频上车系统将与防灾安全监控系统、周界入侵监控报警系统、列车调度指挥系统等进行联动［9-10]，将列车运行前方视频智能分析的结果、防灾、周界入侵等告警信息传送到调度所相关行车台及驾驶室内，通过提供更强大的预警、报警功能，推送相关位置附近的视频信息，使调度指挥人员能够第一时间掌握隐患情况，司机能及时采取措施，停车避险，真正发挥视频上车系统对铁路行车安全保障工作的作用。

5 结束语

围绕视频上车业务需求分析、系统总体方案和关键技术3方面，开展铁路综合视频上车系统研究，对充分发挥铁路综合视频监控系统的技术水平和应用能力起到一定参考作用。随着我国铁路领域相关技术的不断发展，作为铁路技术的重要组成部分，综合视频监控系统必将不断产生更多应用形式，进而在铁路行车指挥、生产组织、客货运输服务、作业监控、抢险救援以及治安防范等领域体现其重要价值，发挥越来越重要的作用。