铁路现场巡检作业可视化智能管理系统的研究

金其炳　朱忠德　中国铁路上海局集团有限公司上海铁路机务综合开发有限公司

1 问题的提出

我国铁路高速发展，安全隐患逐渐增加，铁路线路常年暴露在自然环境中，要经受压力、摩擦力、强风、高温、雨水、腐蚀等不利因素的侵害，导致线路设备设施加速老化破损。为确保铁路运输安全，工务、供电和电务等系统对铁路沿线相关设备设施及关键区域的定期巡检任务，对设备设施、区域的状况参数进行记录，以保证铁路运输安全、有序、不间断。由于巡检范围广、工作量大、工作环境恶劣，特别是夜晚巡检，天窗时间短，设备设施的安全隐患、病害不易被察觉，如果不及时消除病害，会对铁路运输构成威胁。目前，巡检模式是巡检人员沿线路巡检，并以人工台帐记录，对于位置则采用人为标定，事后带回车间上报。该模式采集的数据容易出错，可能存在漏报、误报、瞒报等现象，人为因素影响较大，巡检效率低、规范性差、成本高。同时管理人员对于巡检人员是否巡检到位无从知晓，线路安全状况无法有效保障。为解决巡检职工对巡检设备的需求和管理人员对职工管理的受控需要，提高巡检人员工作效率，保障线路安全，将研究通过信息化手段实时记录巡检人员的巡检工作情况，管理人员在后端平台能随时查阅巡检过程记录，实现对巡检过程进行有效监督和有序可控，为行车安全起到良好的保障作用。

2 研究方案

2.1 研究目标

（1）巡检过程可视化管理；

（2）巡检人员轨迹查询；

（3）巡检工作情况图片采集与统计分析。

2.2 研究思路

开发一套平台能实现目标中的要求。

（1）为实现巡检可视化管理，巡检设备需要将前端画面传回终端，涉及到无线网络传输以及视频编码等技术。设备通过感光元件将画面数据采集到之后，存储到设备内存中，若管理人员需要获取实时画面，只需通过平台发送指令即可。

（2）铁路线路上各巡检点经纬度数据不同，采集各巡检点的经纬度数据，生成铁路线路公里标。

相对应的经纬度数据库。巡检设备一段时间向平台上传一次经纬度数据，平台获取后自动与经纬度数据库进行对比，得出当前设备所在公里标。平台需要加载网页地图，能清晰直观显示出作业轨迹以及实时位置。

（3）平台将巡检设备上传的图片进行存储，统计设备运行时长、运行距离等信息。

2.3 研究内容

（1）巡检人员工作的管理，包括巡检人员巡检作业中遇到的情况、巡检工作轨迹、巡检线路名称、铁路线路的巡检点和未巡检点。

（2）通过检查视频录像对巡检过程中记录情况和操作行为进行分析，做到有据可查。可设重点图片自动上传，对需要进行维护、维修的点可拍照自动上传，同时在平台的自动统计中自动显示图片和铁路公里所在的位置，在维修结束后对该点拍照自动上传，对图像进行存档比对（维修前后），使维修形成闭环。

（3）建立包括基本属性、巡检记录、位置信息等在内的电子台帐，结合GIS地图，为沿线设施设备的运行维护提供基础数据。数据实时上传，中心平台实时查询。

（4）自动统计报警功能，各单位所属的线路及公里标预先导入数据中心，在检查中如未按要求在规定的时间内到达所有的线路点，自动提示，有效杜绝巡检中的漏点。

（5）重点解决GPS的数据经纬度转换为铁路线路名及铁路公里标，一般GPS及北斗的数据都是以经纬度显示，而铁路应用中对经纬度数据是无法查询和比对，所以必须解决GPS及北斗经纬度数据转换为铁路线路名及铁路公里标使GPS及北斗的数据能在铁路线路上应用，方便用户查询比对。

2.4 研究采用的主要技术2.4.1视频编解码技术

本系统将采用H.264标准（见图1），由控制数据、视频编码层、数据划分、图像抽象层等组成。

图1 标准的整体框架

2.4.2 卫星定位技术

GPS是目前采用最为广泛的系统，也是最稳定的系统，我国的北斗卫星定位系统处于发展期，未来的精度、稳定程度都优于GPS，所以采用GPS+北斗的组合方式达到定位的最佳效果。

2.4.3 GIS技术

GIS是集中、存储、操作和显示地理参考信息的数据管理系统。巡检设备接收来自卫星的定位信息，然后一段时间内将时间及经纬度上传至平台，平台利用GIS将设备显示在地图上，管理人员就能清楚的获取巡检人员的位置信息，及时传达有效信息。

3 系统结构组成

GPS和北斗卫星将时间以及位置信息发送给巡检设备，巡检设备通过VPN网络上传视频、图片、位置等信息到服务器，管理人员通过计算机访问服务器平台，了解现场作业情况，统计巡检作业相关信息，也可以使用手机观看巡检作业实时视频。

系统结构组成：由硬件系统、软件系统、中心平台等组成（见图2）。

图2 系统结构框图

3.1 硬件系统

（1）中心端：应用服务器、数据库服务器、操作配套硬件。服务器搭建：配有专用的应用服务器和SQLserver2008数据库服务器，实现应用和数据分离，服务器通过千兆网络连接，保障了数据的流畅性。

（2）巡检终端：巡检记录仪。巡检记录仪主要由处理器、定位模块、显示模块、通信模块、电池模块、存储模块以及音视频采集模块组成（见图3）。摄像头和麦克风将采集到的数据传输到处理器，管理人员可通过平台调取实时画面，巡检记录仪获取平台的指令后，CPU将画面数据和时间定位信息整合后传输到通信模块内，通讯模块内置4GSIM卡，和服务器之间的连接是通过无线网络实现的，最后将画面信息传输到服务器。

图3 巡检记录仪结构图

3.2 软件系统

软件系统包括服务器系统、数据库系统和操作系统。

服务器操作系统：使用Windows2008ServerR2标准版SP1数据库存放数据；

巡检记录仪采用Android系统；

管理应用软件采用java语言开发，通过tomcat6.0应用服务软件发布系统程序。GIS一体化技术将地图加载到网页上，巡检设备传回的经纬度数据在数据库中与标定数据相比较，计算得出公里标数据，直接显示在网页地图上，各点连接形成巡检轨迹，通过可视化功能清晰直观显示出来。

平台软件主要基于B/S平台架构软件由Web管理中心和Web客户端组成，通过中心服务器构架数据库和Web Server服务，来实现B/S构架下的设备、用户权限管理以及预览和回放等操作。Web管理中心：主要完成系统的配置操作，进行区域、设备和用户的配置等功能Web客户端：通过Web登录管理中心获取相关权限，进行预览、回放等操作。

接入层：前端设备，即 DVR、DVS、IPC；

数据交换层：由服务器组成，包括：网页服务器、数据库服务器、注册服务器、流媒体服务器、存储服务器、报警服务器；

应用层：包括网页监控客户端、手机监控、普通监控客户端、管理系统、巡检记录、统计等。

作用：网页服务器主要用于客户端进行查询浏览。

数据库服务器主要存储GPS北斗，公里标对应参数及各索引等数据；注册服务器：主要用于设备ID注册，接入；流媒体服务器：主要是转发音视频信号实现多用户同时查询；存储服务器：主要存储图片（目前视频流不进行存储）；报警服务器：主要是处理各种报警信号。

3.3 监控中心平台

针对巡检工作需求开发的平台有监控中心、查询中心以及配置中心三大功能栏。平台需要具备巡检记录仪监控功能、日常检查统计功能以及账户和设备的注册管理功能。为了实现监控功能，开发平台软件，采用流媒体转发技术，将前端设备传输回服务器的实时画面数据转发至管理人员的计算机。日常统计功能是基于铁路里程和卫星定位实现的，如统计报表功能，巡检记录仪将定位信息和图片传回至服务器，服务器把该位置信息与数据库中的数据作对比，经过一系列运算得出巡检作业人员位于哪条公里标附近，平台生成的统计信息就可以不同要求导出。

3.3.1 监控中心栏

实时预览：设备视频实时预览及操作实时定位：移动设备实时定位

轨迹回放：移动设备历史轨迹回放3.3.2查询中心栏

日志查询：设备、用户操作日志查询及导出系统状态：设备、服务器状态查询及导出统计报表：警告、违规数据统计3.3.3配置中心栏

组织资源：组织、服务器以及设备管理

用户管理：用户、角色权限管理

巡更点：巡检线路

铁路线路：铁路线路管理

4 系统实现的功能

4.1 实现可视化和定位管理

本设备采用GPS+北斗双模式定位。铁路线路公里标每隔一定距离取一个点，在地图上显示，各点连接形成的“铁路线路”地图，巡检设备实时传输回来的位置信息在数据库中通过比对，可视化反映出巡检作业动态轨迹，设备开机即可实现可视化和定位管理。

4.2 实现真实性和可追述性

通过巡检记录仪实现了图片一键抓拍，自动在本地保存并向服务器平台上传时间、日期都不可调的图像和位置信息，并对巡检工作做实时查询、录像回放、轨迹回放，对巡检工作的真实性和可追述性提供可靠的依据。

4.3 实现办公自动化管理

平台按照公里标库中的数据自动生成巡检点和未巡检点，生成的巡检点和未巡检点都有车间、工区、线路等信息，有效防止漏检和盲点产生。平台可按日期、时间、线路等要求输出巡检线路设备、栅栏等的故障和安全隐患图片，列出已巡检点和未巡检点，按日期查询巡检轨迹，并提供日、周、月巡检作业表格，便于管理人员掌握巡检作业情况，减少管理人员统计工作量，大大提升了工作效率。

4.4 实现管理上的精细化

系统利用先进的视频编解码技术，实现视频录像的存储、传输，在无线网络环境下，优化了传输的速率和质量。另外通过卫星定位技术实现对巡检人员精确位置的记录和上报，统计当前位置与数据库中对应公里标的距离，实时上传当前巡检记录仪抓拍的画面，将所属车间具体线路的故障、隐患、病害等情况反馈至中心管理平台，实现管理上的精细化。

4.5 实现提高站段标准化作业水平

系统能实现向后台适时传输现场人员巡检和生产情况，现场人员可以向后台人员咨询和请教遇到的问题，同样，后台人员也能抽查抽看现场人员作业情况，对违章作业能及时制止，促进现场人员按规章按标准作业，提高站段标准化作业水平。

5 试用情况

基于铁路里程和卫星定位的巡检管理系统从2015年9月开始在杭州工务段管辖的杭州-嘉兴线路进行试运行。各方面均已达到工务巡检作业的要求，符合工务巡检标准化规则，解决了原先巡检存在安全隐患、记录繁琐、管理复杂等问题，规范监督作业流程，节省人力、物力和时间，大大提高工作效率，而且终端巡检记录仪人机交互式操作界面简单、友好，使用方便。使得铁路防护设施安全“人防、物防、技防”中“技防”功能得到施展与体现。

6 结束语

智能巡检系统的投入使用，能够自动记录巡检情况和检修人员的操作行为以及所在位置信息，并将这些数据传输、记录、分类并反馈到中心管理平台，管理人员能够在第一时间了解巡检人员的工作情况，并且在事后对巡检工作进行有效的分析记录。实现对巡检过程进行有效监督和有序可控，为行车安全起到良好的保障作用，可广泛用于需要记录现场作业情况的行业。后续，我们将继续完善产品性能，开发衍生产品，以满足兄弟单位的工作需求，逐步在工务、供电和电务等系统全面推广使用。

[1]郑三立，李正强，赵伟．基于GPS和网络技术的线路智能巡检系统．电力系统自动化，2004，28（5）：90．

[2]李浩．基于GPS/GIS技术的标准线路巡检系统的设计与实现．哈尔滨工业大学，2007,10-12．

[3]尚展垒，方娜．智能巡检系统的设计与实现．光盘技术，2007，2：24．