机务5G数据传输及视频数据分析系统

张代昌

摘 要：本文剖析了当前搭载6A系统的和谐型电力及内燃机车视频数据转储存在的问题，利用5G技术构建视频转储方案，同时通过视频分析技术智能分析车载视频中的司机动作，并实现判别结果与LKJ数据的联动。此方案在哈尔滨机务段和谐内燃型机车50142上进行了测试，下载速率可稳定达到1.13 Gbps，实现了视频数据高速传输，并准确识别视频中司机相应的动作，满足了现场的实际应用。因此本文中的设计方案可以实现机车6A视频的高速转储及视频分析工作。同时也为铁路其他部门大数据高速转储分析类工作提供了技术参考。

关键词：机车6A;高速转储;5G;视频分析;LKJ数据联动

1 研究背景与目的

在“交通强国，铁路先行”的大环境下，随着铁路改革的不断深化和机务事业的不断发展，人们对交通运输的要求也越来越高。只有提升铁路技术水平，才能促进铁路企业提高安全、生产和经营方面的效益，进而提升区域市场竞争力。机务系统是铁路运输系统的主要行车部门，负责铁路机车的运营、维护和检修工作。如何通过技术手段转储大量视频并智能分析机车视频数据和监测数据来规避行车安全风险一直是机务部门研究的技术课题之一，也同样是铁路保障行车安全的技术突破。

为了满足快速发展的铁路需求，实现快速、智能、稳定的数据转储分析平台，本文研究利用5G和视频分析的高新技术，构造机务在数据转储、数据分析、作业监控、安全预警等方面集数字、信息、智能、标准的一体化平台。

2 调研结果及分析

机车运行过程中，产生大量的6A监测数据，机车回到机务段需转储到地面分析系统。现有机务段使用“U盘转储+人工分析”的方式对数据进行存储和分析。但由于车载数据越来越大，这种方式存在一定的安全风险。一是U盘损坏率高，经常出现数据丢失或人为破坏的问题，这不仅造成了经济损失，同时也丧失了行车安全分析的数据支撑;二是视频数据无法做到全分析。由于车载视频数据过大，人工只能采用抽检的方式对视频进行分析，这在一定程度上产生了视频分析的盲区;三是没有对行车监测数据的综合分析利用。目前各机务段只是人工利用LKJ的时间节点数据与视频数据进行比对分析，没有实现自动的联动分析。

3 研究内容

3.1 系统组成

系统由车上设备和地面设备组成，车上设备包括车载网关、华为车载天线，地面设备包括华为接收天线、数据存储服务器和数据分析服务器。

3.2 功能设计

3.2.1 车地数据转储

本系统采用5G无线传输技术，实现机车视频图像的车地数据高速转储。机车一个交路所产生的视频图像数据最大为30G，5G天线的理论传输速度可以达到1.5 Gbps，实测数据传输速度可以稳定达到1.13 Gbps（140 M/s），将机车视频数据转储至地面服务器在3～5分钟内即可完成。

3.2.2 地面视频数据存储功能

系统需要将大量的视频数据转储至地面服务器，并进行存储。要求交换机和服务器为万兆端口，交换机、服务器、地面基站通过光纤连接，服务器存储硬盘使用固态硬盘以保证数据存储写入的高效性。

3.2.3 司机标准化作业分析

本系统采用视频分析技术，通过比对LKJ数据分析机车视频数据，实现对机车司机行为规范性进行自动、全面、智能审核。利用深度学习算法，对打电话、偏头、平躺睡觉等违规行为进行监控，同时比对LKJ行车时间对手比、确认、握拳、探身、站立等规范动作进行分析，通过视频数据的分析大大提升了机务工作效率和安全管理能力。

3.3 网络设计

3.3.1 网络架构

3.3.2 网络安全措施

（1）系统搭建在5G专用无线网络与专用数据网络上，不与铁路内网或互联网连通，从根本上保证了网络的安全性。

（2）系统在无线网络与有线网络之间架设防火墙，杜绝了从外部侵入系统服务器的可能性。

（3）为了防止线路窃取，保证网络会话完整性，将所有需要通过网络传输的数据、文件、口令和控制信息进行加密。对于接收数据方在客户端和服务器上要进行身份认证，只有提供有效的安全密码、信息卡，通过验证后才能获取数据信息。

（4）定期进行網络安全漏洞扫描，及时发现未知漏洞并且及时修补已发现的漏洞。

（5）视频分析查看终端和数据分析查看终端安装杀毒及木马查杀软件，及时查杀病毒和木马，及时下载和安装补丁程序。

（6）做好移动介质使用防护，在使用前必须进行杀毒。

3.4 研究的创新点

3.4.1 5G技术

本天线为轨道交通行业定制版天线，采用高频毫米波，频段在57 GHz～64 GHz，远离民用5G频段（6 GHz以下），因此干扰小。而本频段由于频谱资源丰富，信道带宽大，根据香农定理其信道容量也更大，传输速度更快。

香农定理：

C：信道容量;

B：信道宽带;

s/n：信噪比。

5G高速传输应用的天线为相控阵天线。相控阵天线技术最早用于相控阵雷达，不同于机械扫描雷达通过天线转动来实现电磁波定向发送，相控阵雷达通过信号单元发射不同相位的电磁波相互耦合实现不同方向的传播。与传统阵列天线相比，摆脱了机械扫描的模式，具有跟踪速度快、可以同时跟踪多个目标的特点。

相控阵天线中关键部件为微处理器和移相器。微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。

3.4.2 视频转储网关

视频转储网关设备具有良好的数据处理能力、可靠性和稳定性。灵活拓展的软硬件架构可实现良好的业务拓展性。同时网关适用于多种类型机车部署应用。网关提供多种接口，包括工业级的万兆和千兆数据接口，USB接口和其他扩展业务接口，提供高功率的POE电源输出，采用标准架构设计，使其方便与机车安装部署。

车载网关高度集成处理器、内存、SSD硬盘、2.5GbE网卡、1GbE网卡。在LINUX系统上进行车载网关软件开发，实现数据传输、数据加密、断点续传、数据完整性校验的功能，保证了数据传输的稳定、完整和安全。

3.4.3 视频分析算法

本系统对视频数据进行智能分析，通过深度学习算法进行动作识别，并选用Yolov3算法进行图像特征提取以保证分析速度。

Yolov3首先将图像分割成256*256像素的矩阵，通过多次卷积算法将图像分割成13*13像素的矩阵，将得到的矩阵与深度学习模型进行比对，提取目标区域。在目标区域提取后，将区域内矩阵与深度学习模型进行深度对比，通过设置成功率（本系统设置为50%），将识别出的结果返回。

系统对打电话、偏头、平躺睡觉等违规行为进行监控，同时比对LKJ行车时间对手比、确认、握拳、探身、站立等规范動作进行分析，大大提升了机务工作效率和安全管理能力。

4 结论

基于上述分析，现总结如下：

（1）通过5G天线可以做到3分钟内将机车一个交路所产生的视频文件转储至地面服务器，相较于之前U盘转储的方式减轻了驾驶员的劳动量，并且保证了数据转储的稳定性和安全性，也减少了设备损坏所带来的经济损失。

（2）通过视频分析算法识别可以对驾驶员及行车数据起到很好的识别监控作用，相较于之前人工抽查的方式，在效率上有了很大的提高。

参考文献：

[1]韩乔铭.和谐型机车6A系统视频数据无线高速转储系统研究[J].铁道机车车辆，2019，39（2）：59-62.

[2]谢小军.机车车载安全防护系统（6A系统）数据分析及故障判断处理方法[J].科技创新与应用，2017（5）：56-57.

[3]张颖斐.基于无线的车地数据高速转储设计[D].山东大学，2016.