铁路视频监控智能控制系统设计

韦昀昊

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710043

引言

目前铁路视频监控系统应用中，由于区间线路冗长、地形地势多样、行车组织要求高等原因，造成视频监控系统前端设备的维护管理难度大、安全隐患多等问题。根据铁路运营维护单位的反馈，超过70%的摄像机故障可由重启开关电源操作进行恢复[1]。传统的铁路视频前端控制箱仅包含摄像机的配电、防雷等基础功能，不具备故障检测、运行环境监测、自适应故障处理等功能。因此当视频出现掉线时，需要运营维护人员提前取得天窗作业时间、驱车往返故障点进行人工开闭电源空开操作；并且摄像机及控制箱地处无人值守的线路上，由于电源线虚接、老化可能引发的打火、漏电现象，也极可能引发设备火灾事故，从而可能引发行车安全事故。

本文所讨论的铁路视频监控智能控制系统可完美解决此类问题，在前端摄像机发生未知故障时，可采用远程控制的方式对摄像机进行远程开关闸以及初步设备故障排查。在设备存在打火、过压过载、漏电等危险状况时，进行自动跳闸处理，并第一时间对故障设备进行告警，并将告警信息推送至客户端。该智能多路控制系统可节约人力物力，确保在第一时间发现问题解决问题，最大限度满足运营及维护单位的需求。

1 智能控制系统架构

铁路视频监控智能控制系统采用高速微处理器芯片作为整个系统的核心构件，通过改进铁路综合视频前端控制箱内组成，增加光保护模块、电源控制模块、光纤路由器模块、数据采集模块、温湿度控制模块等，并利用铁路通信传输网、数据网作为传输通道，实现对前端摄像机配电装置远程控制、实时监测智能前端控制箱箱体内各项数据、统计管理相关数据等功能，其网络构成详见下图。

图1 铁路视频监控智能控制系统网络构成图

2 系统设计

铁路视频监控智能控制系统包含智能前端控制箱、智能数据传输系统及后端平台[2]。智能前端控制箱的核心部件主要为电源控制模块、光纤路由器模块、数据采集模块；数据传输系统主要包含网络交换机及服务器；后端平台主要包含监测数据的接收实现、系统信息管理的逻辑实现及软件、App等终端管理方式的展示。

2.1 智能前端控制箱

智能前端控制箱中的电源控制模块通过电流互感器及电子脱扣器实现对摄像机配电装置进行开关闸操作；通过数据采集模块实现摄像机配电数据信息及控制箱箱体内电源及环境信息的采集；通过光纤路由器模块实现对控制箱的远程控制及数据传输。

电源控制模块中，电流互感器包括磁回路及电回路两部分，分别由铁柱、铁轭及绝缘外壳、初级电回路线圈、次级电回路线圈等组成。因电流互感器精度无法达到理想值，通过功率平衡原理的计算，在理想模型中：（其中VT代表电源电压、IT为互感器的初电流、为电源电压与互感器初电流的相位角、为电源电压与互感器反向电流的相位角、M为互感器的标称比），互感器初级安匝应等于次级安匝。因此，在设计过程中需要对电流互感器的采样电流及采样电压进行调整，对互感器中的小信号交流电流进行滤波处理，保持功率平衡原理成立。

电源控制模块中，电子脱扣器起到漏电保护作用，其所需的电源由控制模块中的电流传感器对三相电源进行隔离取电产生。当电流经过传感器一次侧的三相电源时，其二次侧相应会产生交流缩小信号，经整流变换由交流小信号变为直流小信号楼，经过一系列转换形成电子脱扣电流。

智能前端控制箱中的数据采集模块由箱体电源及环境监控装置、一体化采集器、探测器（温/湿度、烟雾、水浸、红外等）组成。实现对摄像机电源引入、摄像机交流设备工作运行状况、智能前端控制箱环境的监控。其遥测量精度可达到交直流电压小于±0.5%；各类电量测量误差小于±2%；非电量测量误差小于±5%；温度测量误差小于±1℃；在环境温度为25℃、湿度范围为30%RH～80%RH时，湿度测量误差小于5%RH；当湿度超出30%RH～80%RH时，湿度测量误差小于10%RH[3]。

智能前端控制箱中的光纤路由器模块包含铁路FE（E）、FE（O）、2M接口，可通过2芯光纤与区间基站、中继站内的数据网交换机/SDH传输设备相连，将采集的数据信息汇聚至区间节点。模块支持千兆以太网、快速以太网、SDH、DDN、Frame Relay链路，支持速率范围在2Mbps、100Mbps、155Mbp。连接用户网络的方式包括通过POS和以太网技术等。

2.2 智能数据传输系统

智能数据传输系统由网络交换机、服务器及操作终端构成，预留接入铁路综合视频监控系统接口。系统在铁路沿线基站、中继站通信机房内设置汇聚交换机，分别利用两芯光纤将每一区间内所有智能前端控制箱接入交换机，实现监测数据及控制信息的点对点汇聚[4-5]。再利用区间节点的铁路数据网交换机/SDH传输设备将汇聚后的信息通过铁路专网传送至通信维修车间/工区及路局中心站段。在路局通信段设置智能控制系统服务器及操作终端，完成对前端视频采集设备的远程运维控制及数据监测、统计等功能。

2.3 软件平台

软件平台采用SSH框架及Mina框架共同构建而成，具有对系统收集数据进行统计、显示、分析及处理等功能。软件能够根据用户需求生成统计表格，对各项数据进行在线展示，同时对异常数据进行报警提示。根据终端操作的处理结果，储存操作信息，动态横向比对历史信息，进行系统自主校对，为下一步的决策提供参考依据。其软件功能架构详见图2。

图2 软件功能架构图

3 现场测试验证

根究研究内容，选择在西安铁路局阳安线管段内区间基站进行现场设备安装测试，通过将系统接入铁路传输专网，模拟跳闸、设备故障、光纤断点、人为破坏等突发状况，测试铁路视频监控智能控制系统的远程合关闸成功率、报警推送及故障点铁路里程定位成功率及设备电气指标实时数据显示等功能，具体测试结果详见表1系统测试结果统计。

表1 系统测试结果统计

4 分析比对

与传统铁路视频前端控制箱相比，本次研究的铁路视频监控智能控制系统具有以下优势[6-7]：

4.1 故障告警，远程解决

铁路前端摄像机出现死机、断电等常见故障时，视频监控智能控制系统内置智能断路器，可做到远程控制电源分路重合闸操作，结合一体化运营软件平台的故障告警分析，70%故障现象都能迎刃而解，大幅节约人力物力成本。

4.2 智能芯片，实时监测

视频监控智能控制系统内置智能芯片，可对电压电流负载数据以及漏电、温度异常等事件进行实时监测，遇到异常第一时间将告警信息传至一体化运营软件平台，同时即刻切断电源保障设备安全。为设备的安全运营保驾护航。

4.3 铁路专网，定制开发

针对铁路数据传输安全性、稳定性、可靠性的特点，特别为铁路视频系统定制设计了具备铁路FE或RJ45口的有线传输接口，具备接入铁路传输网或数据网的条件。

5 结束语

通过现场测试结果，结论如下：①本次研究的铁路视频监控智能控制系统可替代传统的铁路视频前端控制箱对前端摄像机进行智能控制、管理及保护。②本次研究的铁路视频监控智能控制系统性能稳定，安全可靠，能够有效减少铁路维护人员的工作量。