基于智能视频分析的高速铁路周界入侵探测技术浅析

2018-04-08王羽莹中国铁路设计集团有限公司电化电信院工程师

信息通信技术与政策 2018年3期

王羽莹　中国铁路设计集团有限公司电化电信院工程师

1　引言

随着高速铁路里程的增加，列车运营速度的提高，高速铁路周界安全问题日益凸显。由于高速铁路沿线及相关设施的破坏活动时有发生，给高速铁路运行安全带来了严重的威胁及安全隐患。目前威胁高铁运行安全的破坏行为主要包括违法进入限界上线设障和针对重要设施的破坏行为。不法分子侵入限界的主要方式有：破坏金属护网、砸断水泥栅栏、强行攀爬护栏（含栅栏、应急疏散通道、围墙）、破坏排水铁篦、破坏工作门、栅栏底部钻入、站台两端侵入、攀爬桥梁铁塔、线路高空抛物等。

传统的防护方式大多为人力防范和实体防范，这两种防范方式都存在一定的局限性和弊端，因此如何利用现有的资源加强技术防范，完善高速铁路的技防措施，为高速铁路反恐防暴提供更为有效的防控能力，保证行车和人民生命财产安全显得尤为重要。

2　国内已有的周界入侵报警探测技术概况

目前，国内已有的周界入侵报警探测技术主要包括光波对射探测技术、脉冲电子围栏探测技术、振动电缆探测技术、振动光纤探测技术、张力围栏探测技术、多维三鉴振动探测、视频智能分析探测技术等。上述各类探测技术的特点总结如表1所示。

上述各类周界入侵探测技术中，除智能视频分析探测技术以外，其他探测技术均需要独自构建系统，系统主要由路局监测平台、监控中心、现场设备三级架构组成；智能视频分析探测技术可利用已有的综合视频监控系统通过视频联动，对入侵行为进行确认，通过对所采图像进行模式识别，对入侵行为进行主动判断、报警。目前随着铁路综合视频监控系统的设置和推广的力度不断加快，系统规模日渐扩大，铁总建设【2016】18号文《中国铁路总公司关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》中要求在高铁沿线及相关重点区域加装激光摄像机、红外摄像机，以满足高铁周界全天候安防的要求。

因此针对大部分高速线路沿线均已安装综合视频监控系统的现状，充分利用已有综合视频监控系统成熟的架构及设备，通过智能视频分析探测技术、夜视技术、对关键部位的视频采集点位补强等方式，实现对高铁沿线的周界安全防护，相对于其他周界入侵监测技术来说，是一种更为便捷及可靠的方案。

3　基于智能视频分析的高速铁路周界入侵探测技术

3.1　视频监控设备主要分类及比较

表1　周界入侵报警系统探测技术比较

近年来，随着视频监控产业和技术的快速发展，网络化、高清化、智能化、夜视化成为视频监控系统发展的主要趋势。目前视频监控设备主要有可见光摄像机、激光摄像机、红外LED摄像机、热成像摄像机、星光级摄像机等，其中可见光摄像机需在白天工作。激光摄像机、红外LED摄像机、热成像摄像机、星光级摄像机等均具备夜视功能，可实现夜间工作模式。

3.1.1　可见光摄像机

可见光摄像机利用环境光线进行成像，是最早期、发展最为成熟的摄像机。其优点是成本低，监控距离长。其缺点是无法在无光线的环境下使用。

3.1.2　激光摄像机

激光摄像机采用激光作为辅助光源，在夜间光线较弱时自动开启激光灯。其优点是可在完全无光的环境下进行远距离监控（最远可达3000～5000米），画面清晰（分辨率可达百万像素甚至几百万像素以上）。由于激光具有发光角度小、方向性好、亮度强等特点，因此激光摄像机可照射远距离的目标，通过调节发光角度来选择最合适的光亮度，使目标成像更为清楚。其缺点是受天气影响较大，在雾霾等天气下远距离照射过程中散射较为严重，目标物不清晰，夜晚监控的角度受限。

3.1.3　红外LED摄像机

红外LED摄像机采用红外LED作为辅助光源，在夜间光线较弱时自动开启红外LED灯。其优点是价格低，照明光斑均匀性好，应用广泛等优点。其缺点是，监控距离过短（一般在150米左右），并且由于设备的散热问题，其使用寿命较低。

3.1.4　星光级摄像机

星光级摄像机可利用微弱环境光线进行成像，是一种被动式夜视成像技术，由于其可满足较高的隐蔽性要求，在军事领域使用较多。其优点是便于携带、使用方便灵活。其缺点是监控距离较近（一般不超过300米），画面不够清晰，图像噪点较大，易受光照条件影响，在一些恶劣环境下成像不清晰，且无法在完全无光的环境中使用。目前造价较高。

3.1.5　热成像摄像机

热成像摄像机通过感知物体所释放的红外热辐射能量进行成像，也是一种被动式夜视成像技术。其优点是受天气环境影响小，监控距离可以很远（从几百米到几十公里），隐蔽性高、无需任何光源、抗眩光、功耗低。其缺点是由于成像原理导致的画面分辨率过低，从而无法识别到清晰图像，只能监控到物体的轮廓，成本较高。

上述5种视频监控设备主要技术指标及特点如表2所示。

3.2　智能视频分析技术

目前，视频监控作为保障铁路安全的重要方式之一，得到了广泛的应用。视频监控系统的大规模发展，监控点位的日益增多，使得视频监控画面的海量信息已经超过了人力有效处理的范围，长时间的人工监视会使人变得疲倦，容易产生疏漏。因此，通过对监控图像序列进行处理和分析，识别物体入侵的行为，对有潜在危险的行为进行报警势在必行。

智能视频分析类型主要分为前端分析和后端分析两种。

表2　视频监控设备主要技术指标及特点

3.2.1　前端视频分析

前端视频分析技术是指通过嵌入到摄像机或编码器中的视频分析模块完成核心算法的运行和相关计算，实现对视频内容分析，从而完成目标跟踪、行为判断、报警触发。当有违反规则的事件发生时，将报警信息通过网络传输至监控中心。前端视频分析技术的优点是响应时间较快，对网络带宽和后台服务器资源的占用较小。其缺点是前端设备配置不高，模式识别能力有限，误报率较高。另外其软件固化在设备中，不便于更新升级。

3.2.2　后端视频分析

后端视频分析技术是指在视频接入节点的服务器或计算机上通过安装视频分析软件，实现对接收到的视频内容进行分析从而触发报警的技术。后端视频分析技术的优点是系统配置灵活，可对指定摄像机采集的视频图像进行分析。其缺点是分析算法全部由后台服务器完成，因此对后台服务器的数据处理能力要求较高，另外大量的图像信号会占用较大的网络带宽，且系统时延性较大。

结合铁路综合视频监控系统的现状及架构，考虑到基于后端视频分析技术在系统后台配置、带宽、实时性等方面存在的问题，目前，基于前端视频分析技术的视频监控系统在高速铁路领域显得更为可行，也可适当结合后端分析技术在视频监控系统节点级进行进一步验证。

4　基于智能视频分析的高速铁路周界入侵探测技术实施方案

4.1　视频监控系统现状及周界入侵报警需求分析

目前，我国大部分高速铁路均设置有综合视频监控系统，现有综合视频监控技术用于高速铁路周界入侵报警时仍存在诸多问题。例如，可见光摄像机在夜间无法实现监控功能，在白天采用模式识别进行入侵行为检测时易受光照、树枝等环境影响；激光摄像机其监控距离较远，昼夜均可使用，通常用来巡视（夜间图像为光斑），但其不能主动发现入侵目标；红外LED摄像机模式识别的有效监控距离较短，夜间的有效监控距离进一步缩短，误报率较高，易受光影变化、蚊虫、雨雪等影响；热成像摄像机可视范围较大，不易受环境干扰，可主动发现入侵目标，但其无法识别入侵目标的细部特征。

然而在物防、人防的基础上，还需要一种技术手段实现对非法破坏或穿越铁路护栏、在轨道上放置异物等危险或恶意行为的多方位、全天候监测。显然单纯的应用一种视频监控手段很难实现这种目标。

4.2　基于智能视频分析的高速铁路周界入侵探测技术实施方案

因此，针对上述这些问题，本文提出了一种采用多种监控手段相结合的方法。即采用热成像摄像机与红外LED摄像机、激光摄像机进行联动，由热成像摄像机主动发现入侵目标，红外LED摄像机或激光摄像机捕捉入侵目标细部特征的方案，实现对高速铁路沿线的实时防护。

本方案充分利用铁路两侧已有的通信铁塔，通过增加视频杆补强的方式，实现通信铁塔左右两侧各1500米区域范围内的入侵监测。具体部署方案如下：在通信铁塔上左右两侧分别设置1台热成像摄像机、1台激光摄像机和1台红外LED摄像机（球机）；其中，热成像摄像机负责通信铁塔一侧区域375米直线距离内的入侵行为监测，激光摄像机负责该区域范围内的确认复核，红外LED摄像机（球机）负责通信铁塔下的盲区监控；当超过375米的监测区域时，在距离通信铁塔左右约750米处分别增加视频杆，并在视频杆上左右两侧分别设置1台热成像摄像机、1台激光摄像机和1台红外LED摄像机（球机），通过这种方式实现整个1500米区域范围内的监测。

视频监控设备安装方式如图1所示，部署方案如图2所示。

图1　视频监控设备安装示意图

5　结束语

随着我国高速铁路建设的快速发展，反恐形势的日益严峻，铁路总公司提出要通过加强人力防范、实体防范、技术防范，以维护铁路安全。结合目前规模日渐完善及扩大的铁路综合视频监控系统，通过智能视频分析技术，构建一个全方位、智能化的高速铁路沿线周界入侵报警系统，可大大提升高速铁路沿线的安全防护等级，保证人民及财产的安全。

[1]张凡忠.智能视频分析技术在视频监控中的应用[J].中国安防,2013(12):56-61.

[2]董宏辉,葛大伟,秦勇,贾利民.基于智能视频分析的铁路入侵检测技术研究[J].中国铁道科学,2010,31(2):121-125.

[3]冯燕媛.铁路视频监控智能分析系统检测技术[J].铁路通信信号工程技术,2011,8(4):24-27.

[4]冯永刚.高新技术在铁路视频监控领域的应用[J].铁路工程,2007,4(1):26-29.

[5]李阳.铁路周界防护监控系统浅析[J].铁道通信信号,2016,52(1):4-6.

[6]关晟.高速铁路周界防护技术研究[J].高速铁路技术,2008,6(2):63-67.

[7]辛东升.周界报警探测器选择原则与技术发展趋势探讨[J].中国安防,2008(3):67-70.