基于高清图像的铁路应急通信系统

崔圣青

（济南铁路局 济南通信段，山东 济南 250000）

基于高清图像的铁路应急通信系统

崔圣青

（济南铁路局 济南通信段，山东 济南 250000）

结合铁路应急通信产品本身的特点以及铁路对高清应急通信系统的需求，着重就高清应急通信系统的组成方案、关键功能单元设计及相关技术和原理等方面进行阐述。在现有应急通信系统结构的基础上，进行新技术的尝试和应用，对应急通信系统进行优化设计，既保证了铁路安全运营的需要，降低了试验风险，又可实现试验目的，为高清应急通信系统在铁路的大规模推广积累经验。

铁路；应急通信；高清；HDMI；COFDM；多机位；平台融合

随着我国铁路的持续发展，铁路安全保障的压力也越来越大，如何更快速、更精细、更果断、更具有针对性地处置突发事件，显得尤为重要。

应急通信系统是应对铁路突发事件，实现快速、有效应急救援的综合指挥系统。但目前铁路已建成并运行多年的应急通信系统存在图像分辨率低、信息来源单一、反应时间长、现场操控复杂等问题，且无法实现指挥中心对事故现场设备的远程控制[1-2]。针对上述问题，结合科研实践，设计开发了基于高清图像的铁路应急通信系统（简称高清应急通信系统）。

1 系统方案

高清应急通信系统由应急通信现场系统、传输通道和应急指挥中心系统3部分组成。应急指挥中心系统硬件包含调度服务器、视频服务器、录音录像服务器、视频代理网关、语音网关、视频解码器、交换机等主要设备，以及显示终端、电话等辅助设备。软件主要是指应急指挥中心操作平台。

现场系统主要包括高清单兵包、综合无线接入台、多机位视频采集系统，以及数码摄像机、笔记本、查线机、无线专用手机、野战光缆、光收发器、数码发电机、照明设备等辅助设备。为适应现场需要，可配置野战光缆以延长综合无线接入台的距离。高清应急通信系统方案见图1。

2 高清单兵包设计

单兵包的主要用途是动态图像的采集，经过编码后由发射板、功率放大器等将信号经过单兵天线发出，设备自带电池供电。单兵包原理见图2。设计要求

图1 高清应急通信系统方案

如下：

无线通信距离：≥1 km；

质量：≤6 kg；

发射功率：＜2 W；

IP防护等级：IP54；

其他要求：提供背包等[3]。

图2 单兵包原理

2.1 信号源选择

高清应急通信的单兵包设计依然采取上述原理框图的设计思想，首先从信号源输入处进行设计。

传统单兵包采用摄像机的AV端口输出，AV端口传输的是一种亮度/色度（Y/C）混合的视频信号，仍然需要显示设备对其进行亮/色分离和色度解码才能成像，这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号的损失，色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰，从而影响最终输出的图像质量，即使后端设备对信号进行加工处理，也很难达到非常理想的图像显示质量。

在设计高清信号输入口方面，充分考虑了数字视频接口（DVI）与高清晰度多媒体接口（HDMI）的区别。单从分辨率上考虑：HDMI接口支持3 840×2 160，24 Hz/25 Hz/30 Hz；4 096×2 160，24 Hz分辨率。新规格支持4 096×2 160分辨率，使得HDMI界面得以用数字影院所采用的同等标准分辨率的内容传输。而双通道DVI接口只能支持到2 560×1 600分辨率。另外，HDMI拥有更高的刷新率：在同样1 920×1 080分辨率的模式下，HDMI1.3提供165 Hz刷新率，比双通道DVI接口的120 Hz刷新率更高。

因此，在同样一台数码摄像机高清信号输出的情况下，单兵设备选择HDMI接口输入比选择DVI口输入，能更大程度地确保信号的高清质量。

2.2 编码采取COFDM调制技术

编码正交频分复用（COFDM）是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术之一。其基本原理是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。

发射板的设计采用先进的COFDM调制技术、信道编解码技术、差错控制技术，结合H.264视频压缩编码技术，能在高速移动和非视距环境下实现视频的高质量无线传输。同时，通过进一步优化功率放大器的性能，在不增加高清单兵包发射功率的情况下，确保无线传输距离不低于1 km。

高清单兵包主要承担了铁路应急现场、自然灾害、施工现场等的视频采集、无线回传等功能，增加了现场数据采集的自由度和灵活性，满足了“最后1 km”的传输问题。

高清单兵包的设计，从源头上确保了图像的传输质量，是高清应急系统研发工作的关键。

3 综合无线接入台设计

综合无线接入台在应急现场设备中负责图像的接收和分发、语音功能的集成、不同传输的协议转换等功能。

3.1 高清视频信号接收处理

高清应急通信系统开发任务中，综合无线接入台设计是重要工作之一。综合无线接入台其中一项重要的功能是将高清单兵包传递过来的高清视频信号接收处理，配以高清编码器，对信号进行数字化处理。综合无线接入台接收来的高清信号，鉴于HDMI接口的优势，在接收模块和高清编码器之间同样采用HDMI接口传输。此部分功能模块配合高清单兵包，能够在1 km范围对高清单兵包传输来的高清信号进行本地接收，本地可以在配备的笔记本电脑上用专用的图像预览软件，对传输图像进行实时监测。再配以一定带宽的传输通道，应急指挥中心接收到高清图像画面就不存在问题。综合无线接入台的动图接收设计见图3。

图3 综合无线接入台的动图接收设计

该模块的研发，是此次高清应急通信系统研发的重点，除了需要进行隔离防干扰等处理措施外，其他功能参考标清应急通信的设计。

3.2 语音功能的集成

在综合无线接入台内部集成了语音模块，主要提供4部有线电话和4部无线电话的通话功能。系统配备了8FXS口语音接入网关，注册在应急指挥中心语音网关服务器上，由服务器下发8路电话号码，同时中心端赋予各路电话相应的权限（如拨打路电等）。8路FXS模拟端口的语音网关的前4路直接接4部有线电话，后4路与无线语音网关的4口分别相连，由无线语音网关将这4路转换成无线信号，分配给无线手机。其设计重点是如何避免语音信号受到图像信号的干扰，话音出现杂音。本次设计采用常规处理措施，对模块加屏蔽罩，无线语音网关天线延长至设备面板，连线馈线增加屏蔽等。综合无线接入台的语音功能设计见图4。 3.3 不同传输的协议转换

图4 综合无线接入台的语音功能设计

设计中支持铁路常见的野战光缆、被复线电缆、无线网桥等传输方式，设备内部集成了多电口光纤收发器、HDSL设备，设备面板上提供了光纤接入口、被复线接入口、网口等接口，确保设备支持不同接入方式，可根据应急通信现场条件来选择接入方式，确保事故现场的信息能够准确无误地传输到应急指挥中心。

多电口光纤收发器设计采用单纤、多模，长距离收发等设计标准，替代原来的一光一电协转及8口交换机，既节约了空间，又降低了故障率，集成度更高，这也是与标清应急设备的区别。

其他传输方式（被复线电缆、无线网桥）依然采用标清应急通信的设计，选取功能模块、设计空间及供电走线，确保信号稳定无干扰传输。

4 多机位固定球机系统

综合无线接入台配备了1路高清单兵包、1路多机位视频采集系统等多路信号接入接口，为应急指挥中心系统大屏幕提供高清图像信息显示。同时，新增的多机位视频采集系统，可根据调度指挥中心下发指令完成采集终端的镜头旋转、变焦等动作，提高了应急指挥中心获取现场图像的主动性。操作者可以根据需要快速选取图像，更多、更真实、更详细和更全面地掌握现场情况，可提高指挥的针对性，进而提高应急处置效率[4]。

针对固定球机系统，选取合适的支架，系统便于安装和拆卸，独立供电，是此次设计的亮点，也是用户比较关注的问题之一。设备选取升降支架，支架顶端专用卡扣安装球机，底座内部装有大容量电池。同时，采取高清球机加编码器的组合方式来实现前端数据采集和编码。在此，提供了多种连接方式，如可以采用公网4G、无线网桥覆盖，甚至与单兵包采用相同频点的340M传输方式。

另外，考虑到多机位固定球机系统包含支架，设计了专用设备箱，箱体带拉杆和轮子，便于携带。

5 应急中心软件平台融合

系统集成离不开软件的支持，无论是高清单兵包的研发还是多机位视频的接入，都需要应急指挥中心平台的支持，因此平台的研发升级，也是本次研发的重点。

针对高清应急通信系统，中心平台软件除了在高清接入能力上进行升级外，还考虑到平台融合的问题。原铁路应急指挥中心平台中动图平台、语音控制平台分别在不同的界面上操作。在实际使用中，管理员或操作员需在不同平台之间登录、切换，既增加了操作维护难度，又浪费了时间。对此，提出了平台融合的需求和设计思想，对原应急指挥中心平台软件做了升级改进。使用C#、C++等编程语言及相关技术，开发应急指挥中心侧的新平台界面，实现高清多机位视频信号接入的同时，还实现了多业务同一平台操作。研究开发远程控制技术，新增了中心平台对多机位视频采集系统的远程控制功能。

6 结束语

在应急抢险过程中，现场图像的高质量、多角度、多来源且远程可控，必定会提高远程指挥的准确性，避免因信息不清或不全而耽误抢险。铁路未来的发展，也应该为高清、多角度、多来源的信号提供更加合适的传输通道。通道畅通、带宽足够，也将为应急通信系统的发展提供平台。各种新技术、新设备也将更好地服务于铁路行业的发展。

高清应急通信系统的试验应用，是铁路应急通信系统升级的良好开端，也为铁路应急通信积累了新的经验。

[1] 王冠，吕凌．高清应急通信系统现场设备设计方案[J]. 中国科技纵横，2015(8)：27.

[2] 李润武，冯占武，鲍金华．铁路区间光通信系统在 集通铁路的应用[J]．中国铁路，2014(3)：86-89.

[3] TB/T 3204—2008 铁路应急通信接入技术条件[S].

[4] 谢辉. 铁路应急通信无线图像传输系统的研究与实 现[J]．铁道通信信号，2010(12)：60-62.

责任编辑 卢敏

Railway Emergency Communication System Based on High-defnition lmage

CUI Shengqing
（Ji’nan Communication Depot，Ji’nan Railway Administration，Ji’nan Shandong 250000，China）

Combining with the characteristics of railway emergency communication products and the demand on high-definition emergency communication system, the paper focuses on the composition scheme, key functional unit design, and related technologies and principles of HD emergency communication system. Based on the structure of the existing emergency communication system, the attempt and application of the new technology and the optimal design of the emergency communication system not only ensure the safety of railway operations, reduce the testing risk, but also achieve the testing goal, accumulating experience in the extensive promotion of HD emergency communication system in railway sector.

railway；emergency communication；high-definition（HD）；HDMI；COFDM；multicamera；platform integration

U285；U298

：A

：1001-683X（2017）06-0089-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.089

2017-04-12

崔圣青（1983—），男，工程师。

E-mail：cuishengqing@163.com