机车视频智能监控系统功能设计探讨

付革民，王继柱

（1.国能包神铁路集团有限责任公司 机务分公司，陕西 榆林 719316；2.国能包神铁路集团有限责任公司 神朔铁路公司，山西 朔州 036002)

根据《铁路机车操作规则》中机车乘务员确认呼唤标准，要求机车乘务员在行车过程中进行信号确认时，必须使用一套规范的手势，以此来提高机车运行安全性。但在实际行车中，既有的机车视频监控系统存在部分问题：从技术角度来看，既有系统无法对乘务员的动作行为进行实时监控，从而缺乏对机车乘务员规范行为操作的有效监督，导致很多乘务员并未按照机车操作规范标准行车；从管理角度来看，其无法实现添乘监督全覆盖。在铁路运输中，机车乘务员的操作行为是否规范标准，对行车安全至关重要，因此，亟需对铁路机车视频监控系统进行优化研究，利用技术手段实现视频智能动态监控和自动分析[1]，提升监控设备的覆盖范围和智能化水平，减少机车运行中存在的行车安全隐患，确保提高铁路行车安全。

1 机车视频智能监控系统总体设计

1.1 既有系统存在问题

（1）视频数据结构存在异状。目前现场运用的铁路机车视频监控系统颇多，厂家各异，造成视频系统功能、性能、清晰度以及软硬件兼容性等相关标准参数未能统一，主要存在视频类型多样、格式不一，转储、调阅软件多样，数据缺失[2]等问题。

（2）视频场景较为单一。既有机车视频监控系统的功能受制于当时视频系统等技术水平，只对作业过程、机车信息以及机车环境等方面进行重点设计，功能较为片面、单一，兼容性较差。

（3）视频分析方法受限。既有机车视频监控系统类型较多，导致各类机车视频监控系统难以进行数据匹配，无法综合联动，对现场关键场所、地段、作业环节、重点操作行为等覆盖率不足，同时缺少大数据分析支撑，难以形成智能化系统分析功能。

（4）现场生产效率低下，综合资源浪费多。既有机车视频监控系统产生的视频信息量大，正常情况一台车一天就能产生上百吉字节(GB)的视频，导致视频分析工作量非常巨大，需设置专岗专人转储列车运行监控装置(以下简称“LKJ”)监控文件、视频、音像等数据，分析行车违规行为，使得人力资源投入颇多，且耗时长，易出错，劳动效率不高。

1.2 系统设计原则

基于既有机车视频监控系统存在问题的分析，优化设计的机车视频智能监控系统必须满足机务系统管理现代化，在高速度、重载化、高密度运输形势下，能够预测、预防、预控机车运行过程中乘务员行为规范和机车设备故障，机车视频智能监控系统须遵循以下设计原则。

（1）合理性。根据既有视频监控系统和优化的机车视频智能监控系统情况，符合各项功能应用要求，为系统迭代开发提供开放的软硬件平台，确保系统整体构架以及设备配置的合理性。

（2）先进性。随着计算机、网络通信、智能视频技术的不断发展，充分利用当今最前沿的成熟技术，预留以后融入新技术的可行性。

（3）实用性。满足监、控、存、查、管、用等基本功能需求，做到系统软件平台界面友好，使用方便；采用统一的标准和通信协议，方便与其他系统接口。

（4）可靠性[3]。系统软硬件运行过程中防止各种不稳定因素，确保系统的完整性和可恢复性。

（5）可扩展性。预留新技术发展驱动的各种新功能需求下，机车视频智能监控系统具有扩展能力，在满足当前视频监控需求的基础上，可进行模块化扩展；具有良好的兼容性和通用的软硬件接口，系统软硬件能够平滑升级，网络节点的增减对网络性能不造成任何不良影响，可进行多次功能开发[4-5]。

1.3 系统设计目标

机车视频智能监控系统是将机车图像视频结合机车实时运行信息数据，自动实时检索、智能分析乘务员违规行为，如发现违规行为时，可通过车载显示终端向乘务员进行提示，同时通过网络向地面系统传输报警信息，地面系统结合LKJ 监控文件实现更加细致准确的行为分析，实现视频智能检查全覆盖，智能分析无差异，达到提高乘务员规范性操作，保障行车安全的目的，其设计目标主要有以下几点。

（1）地面视频智能分析。机车智能视频监控系统需对从机车转储下来的视频文件，通过图像识别技术和行为分析算法进行分析，结合乘务员行车操作规范和LKJ 监控文件，完成对违规行为的快速检索，自动生成报告文件。在机车转储下来的离线视频分析基础上，利用行为分析算法，将地面算法进行优化并移植到车载视频智能分析主机，结合机车实时运行数据，实现乘务员行为分析结果实时报警提示，向乘务员发出报警警告，同时通过智能机车视频监控预警系统自带的传输功能模块，将分析结果及视频片段上传至地面服务器，实时通知地面管理人员。

（2）智能识别机车运行中乘务员的操作行为。机车智能视频监控系统依托视频摄像头收集的大量数据信息，在系统中充分利用大数据、人工智能及云计算技术，通过计算机和数学推理的方法对机车动态运行过程中采集到的机车乘务员手势、司机室人数、司机巡检规范、运行中精神状态、视频质量等问题进行自动识别评价，利用视频智能监控、人机交互、视频编码以及行为分析算法实时对乘务员不安全行为进行智能分析，并通过车载显示终端报警，达到消除行车严重安全隐患的目的，为机务段提供机车乘务员操作隐患管理决策分析手段[6]。

2 机车视频智能监控系统功能设计

机车视频智能监控系统是集生产调度、人员设备预防监控、设备大数据信息分析、突发情况下的应急指挥、应急处理于一体，形成一套智能化的基于图像技术的自动分析系统，实现视频文件自动分析并生成分析报告，在满足当前视频监控功能基础上，实现乘务员值乘行为实时分析，系统需包容性强、扩展功能接口多，从而支撑上下贯通、左右衔接、信息共享、互为支撑的机务安全生产体系建设[7-8]。

2.1 总体架构

系统利用分布式系统、分布式数据库、数据采集工具、数据传输工具、可视化工具等技术手段，实现视频行为图像智能分析，系统由地面视频智能分析系统、车载智能设备2 部分组成，机车视频智能监控系统总体架构如图1 所示。

图1 机车视频智能监控系统总体架构Fig.1 Overall architecture of intelligent video surveillance system of locomotive

（1）地面视频智能分析系统。由地面视频智能分析服务器、地面分析终端、5G 基站组成，其主要工作内容分为机车运行和机车进入机务整备场2种情况。

当机车运行时，地面视频智能分析服务器通过Internet 网络连接机车设备的4G 网络，并结合乘务员操纵规范，实时查看机车乘务员作业行为；车载智能分析主机通过数据传输网将违规视频片段传输到地面视频智能分析服务器，安装于值班室或安监分析室的地面分析终端通过数据传输网获取地面智能分析服务器的违规视频片段、手动确认乘务员不安全违规信息、通过手机联系乘务员告知其某时某分作业行为违规及时制止违规行为，防止违规行为重复发生。

当机车进入机务整备场时，地面视频智能分析服务器通过地面安装的5G 基站自动连接机车设备的5G 模块，自动获取机车运行中的LKJ 文件、机车专业专用文件及机车视频文件；进行机车运行中乘务员作业行为信息逻辑处理、信息统计分析、缓存、存储；自动对所有文件进行联动分析，安装于值班室或安监分析室的地面分析终端通过数据传输网获取地面智能分析服务器的分析数据，作业不安全行为违规视频片段，根据权限的不同，可以查询联动分析结果、查询历史记录、手动分析违规项点等，并通报至机务段安监室，达到控制和减少乘务员违规作业的目的。

（2）车载智能设备。由车载视频智能分析主机、数字高清摄像头、车载显示终端、4G 网络和5G 模块组成，其主要工作内容分为机车运行和机车进入机务整备场2 种情况。

当机车运行时，数字高清摄像头全程自动录制机车运行中乘务员作业行为，通过机车数据传输网络发送到车载智能视频分析主机、车载显示终端；车载智能分析主机对乘务员作业行为信息进行逻辑处理、信息统计分析、缓存、存储；并结合乘务员操纵规范，实时分析机车乘务员作业行为，自动截取违规作业的视频片段，一方面传送至安装于司机室操作台正上方的车载显示终端，自动语音提示乘务员作业行为违规，防止事故进一步扩大；另一方面通过机车数据传输网络连接机车4G 网络上传至地面视频智能分析服务器，并通过地面分析终端进行预警，并结合乘务员操纵规范，对违规视频片段用红色标记，供地面工作人员通过地面分析终端实时了解乘务员作业状况，掌握机车乘务员违规凭据；机车运行时5G 模块与5G 基站断开网络连接，暂停数据文件和信息的传输。

当机车进入机务整备场时，机车5G 模块自动与地面5G 基站连通，将机车视频文件、LKJ 文件、机车专业专用文件全部传输至地面视频智能分析服务器，服务器自动对所有文件进行联动分析，并自动生成行为分析报告，供地面分析人员通过地面终端分析、掌握乘务员不安全行为动态情况。

2.2 关键功能

（1）机车视频离线分析自动化。机车视频离线分析自动化主要是针对机车视频监控转储下来的视频文件，通过转储到地面的视频文件与LKJ 文件结合，结合乘务员操纵规范，以视频智能分析服务器为硬件基础，视频AI 算法为核心，同步自动、加速分析，实现行车过程中乘务员行为分析并自动生成分析报告。

（2）乘务员行为实时分析。乘务员视频实时分析是利用车载智能视频分析主机，结合机车运行实时数据，实现乘务员在行车过程中行为实时分析，对违规行为通过车载显示终端实时报警并通过机车视频智能监控系统自带的传输功能模块上传至地面存储服务器。

（3）视频存储轻量化。视频智能监控主机采用全时段存储模式，通过行为分析及行车安全项点为触发条件，实现有问题、关键点视频存储，减轻视频存储量及下载量，为视频无线转储提供技术基础。

（4）行车安全分析数据化。机车视频智能监控系统可全程记录影音视频动态，并设计LKJ 违章、视频违章行为的联动播放功能，当播放至违章行为画面时，系统可自动悬浮违章相关信息，同时系统覆盖LKJ 违章智能化分析盲区，结合已有行车安全项点分析，实现违章项点、安全因素与视频自动联动，多维度操纵数据，提升乘务员行为数据分析质量。

3 结束语

机车视频智能监控系统能够实现高速度、重载化、高密度运输形势下，预测预防预控机车运行过程中乘务员行为规范和机车设备故障，科学指导现场标准化作业，强化现场安全生产组织，实现对机车乘务员安全风险的预防管理控制，增强机务系统的调度指挥协调能力和现代化管理水平。下一步还可继续探索实现多系统联动，多岗合一的系统功能设计，力求将该系统发展为能适应现代化铁路的机务安全监控系统，进一步为铁路运输安全生产保驾护航。