青藏铁路线路视频监控系统关键技术选择与应用

■ 赵庆伟 刘清华 钟志钢

青藏铁路地处高原缺氧和多年冻土地区，其中海拔高度4 000 m以上的线路长达960 km，高原恶劣环境对铁路运输行车安全和日常维护提出严峻挑战。随着青藏铁路的开通，沿线生态环境和人文环境对铁路行车安全影响逐步凸显，为提高运输安全保障系数，建立了青藏铁路格（尔木）拉（萨）段线路视频监控系统。

青藏铁路格拉段线路视频监控系统是一套智能综合视频监控系统。该系统基于IP网络传输，大量采用先进的数字视频技术，实现了远程监控、多级控制、资源共享，满足青藏铁路调度指挥、安全生产、公安等需要。

1 关键技术选择与应用

1.1 RPR视频承载网络

青藏铁路格拉段线路视频监控系统视频图像采集采用M PEG-4编码格式，图像显示分辨率要求满足4CIF（704×576）指标。由于全线车站、区间基站站间距分布不均衡，视频业务流量也不平衡，经测试分析并综合考虑视频图像的实时监控码流、图像存储码流、告警图像上传码流，每路图像传输占用的平均带宽为2.6 M b/s。

青藏铁路全线的通信线路可用光缆资源只有4芯，既有传输网络无法满足视频传输带宽需求，无法灵活接入视频图像业务。在有限的可用光纤资源、较大的传输带宽容量需求情况下，必须选择合适的干线传输技术以满足全线视频图像业务传输。青藏铁路格拉段线路视频监控系统的监控点较多，具有业务数据量大、流向复杂多样、实时带宽变化大等特点，因此选择RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环）技术作为承载网络。RPR的优势在于：

（1）高效的带宽利用率。RPR逻辑环的内环和外环同时工作，有人站区间业务的汇聚，利用空间重用技术在空间上互不影响，无人站向有人站业务的汇聚在最短路径上传输，到有人站剥离，各自充分利用带宽资源。而且不需为每个连接配置单独的带宽通道，带宽统计复用并共享。

（2）多业务传送平台。在统一平台上同时支持TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）业务和数据业务。

（3）简单的业务配置和维护。RPR环网具有自动拓扑发现功能，系统自动监测网络状态，支持自动拓扑发现；每个站点都能了解环的完整结构，增减网络节点时自动更新网络拓扑结构，无需重新配置，真正做到即插即用。在配置业务时只需给出源节点、目的节点和业务等级。工程开通中，在网管中心就可实现全线各站点的数据配置、调试与开通，极大地减少了野外工作量。

（4）双重安全保护机制。重要节点设置两端设备，互为备份保护，避免单节点失效带来的网络业务中断，且利用RPR无连接业务特性，无需额外配置保护业务通道，节省环网带宽；RPR可提供与SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）类似的业务保护倒换，保护时间小于50 m s。

（5）节省光纤资源、减少站点数量。内嵌RPR组网方案既解决了环网保护问题，又可节省光纤资源，减少站点数量。如果采用分层组网方案，要形成核心层环网保护需用6根光纤，且需要增加很多中继站点。

（6）完善的QoS（Qua lity o f Se rv ice）机制。RPR可根据优先级对业务级别进行划分，以保证不同业务的QoS要求。A类业务优先级最高，延时和抖动小，一般用于视频监视、Vo IP（Voice over IP）等对QoS要求高的业务。视频监视是对QoS要求极高的业务，因此业务均采用A类优先级。在可靠性方面，网络不依赖SDH层的保护，而采用RPR自身的W rap保护和Stee ring保护方式，保证在故障时倒换时间小于50 m s。工程实践证明，RPR传输网络可满足视频传输、存储、调用的质量要求，RPR网络成为青藏铁路格拉段线路视频监控系统稳定可靠工作的基础。

1.2 视频接入

视频接入定义从区间基站到车站视频图像的接入方式，区间基站视频接入数量从3～7路不等，带宽需求也从7～20 M不等，既有155 M接入层传输很难满足视频接入需求。因此，需要单独组网满足区间视频接入。

考虑区间基站可用光纤只有2芯，且2芯光纤还作为区间基站光缆的备用纤芯预留。因此光纤资源紧缺，需要选择经济的接入方式。可选方案有波分以太网交换机和波分光端机两种。波分以太网交换机实现技术简单，具有良好的可扩展性，可满足100 M b/s，1 000 M b/s带宽需求，且投资较小；波分光端机具有传输时延小、图像质量好等优点，但是可扩展性差，投资也较大。因此，选择波分以太网交换机作为视频接入方案。

1.3 智能视频分析

在进行安全监控时，每个监视人员一般只能有效管理10个左右摄像机，且注意力会随时间延长而大幅度下降（30 m in后下降80％）。青藏铁路线路视频监控系统全线部署上千路摄像机，很难用人工方法进行有效监视。工程中创新采用智能视频分析技术（行为分析），通过对实时视频监视图像的智能分析处理，自动发现人、动物侵入轨道（报警区），向监视人员发出自动报警提示，从而极大地提高了系统的有效性，降低了监控人员的劳动强度（见图1）。

智能视频分析技术是指利用现代计算机视觉方法，在无需人为干预情况下，通过对摄像机拍摄的视频序列进行实时自动分析，实现对视频场景中所关注目标的定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，实现对异常情况的侦测和告警。由于是第一次在铁路线路视频监控中大规模采用智能视频分析技术，面临的主要技术挑战有：四季或全天光照变化；摄像机抖动；云层阴影；列车干扰；系统规模的挑战（1∶1 000的问题）；兼顾个体和系统的功能指标；现场试验验证困难。

为攻克以上难关，智能视频分析需要经过确定分析场景、防区设置、场景学习、场景优化调整、算法优化、场景再学习优化的循环过程。青藏铁路线路视频监控系统经过4次优化过程，持续时间为2年。图2为经过4次优化的分析统计数据，其中横坐标代表时间（2008年3月1—31日），纵坐标代表报警次数（蓝色柱代表正报警次数，紫色柱代表误报警次数）。从统计数据不难看出，经过优化后，每台摄像机每天的报警次数小于2次，正报警率在80％以上。

青藏铁路线路视频监控系统首次大规模在室外复杂环境条件下采用智能视频分析技术，并成功应用，为铁路视频监控系统采用智能分析技术积累了宝贵经验。

1.4 长距摄像机的应用

青藏铁路具有线路长、范围大、气候恶劣等特点，在实现线路监控时，对摄像机及其防护等技术提出较大挑战。首先需要解决的是产品选择，其次是产品对环境的适应性，最后是设备安装、施工工艺和加固。在最初的产品选择时，经过3个月的现场测试，以确定设备技术指标，然后在环境实验室低压舱中进行24 h的高低温测试。根据产品尺寸和重量，专门设计支架保证较好的稳定性和抗风等级（8级以上），同时系统平台后端加入硬件消抖装置，以保证在远距离监视情况下的图像效果（见图3）。

1.5 热成像摄像机的应用

目前国际上通用的夜视技术主要有3类：（1）主动红外：依赖于红外灯，监视距离最远100 m；（2）微光夜视：依赖于自然光，全黑条件不能用；（3）热成像技术（也称被动红外技术）：通过探测物体温度，将探测器和物体的温差转变为可见光放大后成像，不受自然环境影响，可在完全无光、浓厚烟雾、云雾或者距离较远情况下成像。

考虑到青藏铁路的特殊环境，系统对重点目标采用热成像摄像机以实现全天候监视（见图4）。

2 系统应用

青藏铁路格拉段线路视频监控系统自2007年5月开通以来，经历了高海拔、高寒、雨雪、大风等各种严酷条件的考验，一直稳定运行，为保证青藏铁路运输安全，改善铁路公安、运输、工务等部门工作条件，保障各级指挥机关高效工作发挥了重要作用。主要体现在：实现了青藏铁路格拉段全线监视和视频资源共享；通过视频行为识别分析技术，提高了全线的自动安全防护能力；通过视频监视功能，可减少维护人员的高原线路巡查，降低工作强度；灾害情况下对线路的监视及对无人车站道岔融雪装置的监视，有效地提高了运输安全保障能力。

3 结束语

青藏铁路格拉段线路视频监控系统在系统平台、远距离监视、线路视频图像分析及高原地区室外设备适应性等领域取得了重大突破和创新，是集工程设计、施工、系统集成和科研开发为一体的综合项目，也是在我国铁路首次实现大规模线路监控的视频系统。系统的成功建设和运用，使青藏铁路全线处于可监视并受控状态，同时大大减轻铁路相关部门对青藏沿线困难地段巡视与监督工作量，对破坏和偷盗行为有极大的威慑力。系统的建设也有利于沿线自然生态和环境保护，对误入铁路的动物可及时报警驱赶，具有极好的社会效益。

青藏铁路格拉段线路视频监控系统的应用将铁路管理带入视频监控时代，标志着铁路管理进入一个崭新的阶段，它的成功运用极大地提高了运输安全保障能力，并推动铁路视频监控技术的深入研究和综合视频监控系统的全面建设与发展。