铁路线路巡防视频监控需求分析与方案研究

陈梅，袁振江，陈宏宇，张黎明，张云，申博，谢海明

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京国铁华晨通信科技有限公司，北京 100070；3.北京世纪瑞尔技术股份有限公司，北京 100085；4.杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江 杭州 310052；5.河南辉煌科技股份有限公司，河南 郑州 450001；6.和普威视光电股份有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

为确保铁路运行安全与行车秩序，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）已在运营里程4万余km的高速铁路采取多种措施，构筑人防、物防、技防多重互补的安全防护体系，从而最大限度减少异常入侵带来的行车安全隐患和人民生命财产损失，其中视频监控系统覆盖最为广泛，成为了主要技防手段。但是，目前仍存在诸多不利因素，包括产品和技术手段的局限性、危害因素的多样性和不确定性、高铁线路里程长及地理环境复杂性、投资建设和维护管理存在不足等，仍制约着高速铁路安全防护目标的实现，无法全天候无死角地快速准确发现入侵事件，不能满足高速铁路安全防护的要求，除了采取有效的人防和物防措施，技防措施需要进一步加强和完善，成为确保高速铁路运行安全的最有效手段之一。

从2016年起，铁路各级管理部门对设计时速200 km及以上高速铁路和普速铁路主要干线的行车安全相继出台了管理规定，制定并实施了技术标准和技术文件，明确提出了监控目标及监控范围、监控效果及设备主要技术指标要求等［1-7］。2021年底，国铁集团安监司、工电部等相关部门对补强视频监控技防设施、建立巡防调度平台工作高度重视，中关村轨道交通视频与安全产业技术联盟组织通号通信信息集团有限公司、北京世纪瑞尔技术股份有限公司、河南辉煌科技股份有限公司、杭州海康威视数字技术股份有限公司、和普威视光电股份有限公司等会员单位及北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，对采集点设置和巡防调度平台建设需求进行分析，提出初步解决方案和建议。

1 铁路线路视频监控补强需求分析

1.1 补强范围和监控目标

铁路线路视频监控补强范围重点针对复杂山区、人口密集、隧桥结合部、涉铁路案（事）件易发区段等关键地段，具体包括：高速铁路的路基地段、长大桥梁的桥头和桥梁应急疏散通道、长大隧道、复杂山区、市区村镇市场及学校等人员密集区域、易发生闲杂人员入网问题的区段、路外案（事）件易发地段、治安防范重点区段、与普铁并行地段、与公路并行且机动车有闯入铁路限界风险地段、漂浮物易上道地段、邻近危化品场所的高铁地段。

重点部位及目标包括：上跨桥的墩台、桥体、人行道、挂附物、护栏损坏坠落物等，跨越穿越高铁的油气管线、电力线，下穿涵洞、道路，高度低于3 m的高铁桥梁处所，与普铁接轨处，公铁交汇处，施工作业门，加油加气站，邻近高耸构筑物高铁处所，工厂、工地、塑料大棚区等沿线生产经营场所。

1.2 监控效果

区分不同线路等级对重点区域和重点目标实现连续覆盖或重点区域覆盖，实现昼夜连续监视、重点区域监视及自动或手动巡视等不同监视效果。

1.3 主要技术要求

（1）图像分辨率：标称像素不低于200万，即

1080P（1 920×1 080）［1-2，7］。

（2）安装在每个杆/塔两侧的长距激光摄像机，监测铁塔两侧区间线路，单侧线路监视范围不应小于1.5 km。激光摄像机焦距不宜小于750 mm［1-2］。

（3）每个杆/塔下应安装1台红外球型摄像机，监视激光摄像机在铁塔下区间线路的覆盖盲区［1-2］。

（4）激光摄像机和红外球型摄像机应具备云镜控制和防抖功能，采用的补充光源应无红曝。

2 视频监控补强方案

铁路线路视频监控补强包括视频监控采集点补强和由此产生的通信线路、传输网、承载网、电源以及视频存储、分转发、系统管理等一系列配套工程的改造，在此只对视频监控采集点的补强方案进行论述。

2.1 时速350 km高铁线路

对于时速350 km高铁线路，需要实现线路全覆盖昼夜监视及全线自动或人工视频巡视。在现有视频监控基础上，中短距摄像机覆盖加密，建议在双侧接触网杆上每隔400 m安装1台摄像机（距轨面高度2 m处），每台摄像机实现昼夜覆盖距离200 m的监视效果，原有GSM-R铁塔上的750 mm长距摄像机不变。对于分辨率不满足200万像素要求的既有摄像机应进行替换改造（见图1）。

图1中，安装在接触网杆上的摄像机可根据功能需要选择不同类型，在视频分辨率不小于1080P（1 920×1 080）和目标发现范围不小于200 m的前提下可做下列选择：

图1 时速350 km高铁线路视频监控采集点补强方案

（1）具有昼夜监视功能［8-9］：固定焦距的高清枪机、激光摄像机和红外热成像摄像机。

（2）具有昼夜监视及视频分析功能：可选择带有分析功能的高清枪球一体机。

（3）具有昼夜监视及视频分析跟踪功能［10-11］：可选择“红外热成像+视频监测”智能设备、一体化多模复合探测摄像机，或者毫米波雷达+智能视频（高清无红曝云台枪机）。

2.2 时速300 km高铁线路

对于时速300 km高铁线路，需要实现线路白天全覆盖、夜间重点区域监视及全线自动或人工的视频巡视。在现有视频监控基础上，中短距摄像机覆盖加密，在单侧接触网杆上每隔400 m安装1台摄像机（距轨面高度2 m处），每台摄像机实现白天覆盖距离400 m、夜间覆盖距离200 m的监视效果，原有GSM-R铁塔上750 mm长距摄像机实现全线自动或人工视频巡视，对于分辨率不满足200万像素要求的既有摄像机应进行替换改造（见图2）。

图2 时速300 km高铁线路视频监控采集点补强方案

2.3 时速250 km高铁线路

对于时速250 km高铁线路，实现线路昼夜全线自动或人工的视频巡视。在现有视频监控基础上，利用GSM-R铁塔安装的750 mm长距摄像机实现全线自动或人工视频巡视。对于分辨率不满足200万像素要求的既有摄像机应进行替换改造（见图3）。在现有设备技术水平下，图3所示解决方案无法解决塔底盲区的问题。因此，在图3方案基础上，每个塔上安装1个360°红外球型摄像机，可有效解决塔底视频盲区的问题（见图4）。

图3 时速250 km高铁线路视频监控采集点补强方案（塔底盲区）

图4 时速250 km高铁线路视频监控采集点补强方案

2.4 重点普速线路

在重点普速线路中，GSM-R铁塔距离较远，可结合地理地貌、气候状况、线路遮挡等自然因素，传输能力、电源配备等资源，以及施工难度、维护难度、建设和维护成本等综合因素选择解决方案，实现线路昼夜全线重点区域自动或人工视频巡视。在既有GSM-R基站中间新立塔杆，分别在GSM-R铁塔和新立塔杆安装焦距不小于750 mm的长距激光摄像机或红外热成像摄像机（见图5）。

图5 重点普速线路视频监控采集点补强方案

对于线路直且无遮挡区段，采取监视距离达到3 km的重载云台长大距离摄像机（焦距1 000 mm以上），利用GSM-R铁塔两侧各安装1台，实现白天双侧3 km的自动或人工巡视。

2.5 采用红外热成像技术的补强方案

红外热成像摄像技术快速发展，视频分辨率不断提高、视场角度变大、设备造价逐渐降低及自身具有的技术优势，使其越来越多地应用于军事及民用视频监控系统中，在铁路视频监控系统中的应用也不断扩大。该技术的不足之处是：无法获取目标的具体细节特征。对于线路视频监视，重点关注目标发现，长距离大范围的监控无法实现人脸识别之类的功能，因此，采用红外热成像技术的解决方案可供选择。

利用GSM-R铁塔，架设短、中、长距红外热成像摄像机，固定焦距监视，实现1.5 km范围内的昼夜连续覆盖，安装球型摄像机解决塔底盲区，巡视功能可通过焦距不小于750 mm长距摄像机实现（见图6）。

图6 采用红外热成像技术的补强方案示意图

2.6 红外热成像+视频监测的补强方案

入侵事件高发的区段、外部干扰大导致视频误报多及需要对目标进行智能分析跟踪等特殊区域地点，可考虑采用红外热成像+视频监测的补强方案。其特点是采用先进的图像分析、识别和跟踪技术，利用可见光摄像机、红外热成像探测器和红外激光器一体化设备或者热成像枪球系统、双光谱球机、双光谱筒机等智能探测设备，实现视频监视及智能检测功能。其中，红外热成像探测器负责全景拍摄，并对监测范围内全景画面进行智能分析，识别出入侵的目标是人还是物等，可见光摄像机根据红外成像探测器识别的结果，快速变焦对目标进行跟踪复核。

红外热成像设备具备全天候工作的特点，无光、弱光、强光、逆光、雾天等环境下均可正常工作，适应能力强；探测距离从几十米到几公里；监控相同距离范围时，所需要安装的设备更少；具备精度高的特点，热成像嵌入深度学习算法，通过对人、车、动物、树枝等形态特征的学习，可过滤干扰目标，减少小动物、树枝扰动、设备抖动等引起的误报。具体方式如下：方式1为每隔约200 m距离安装1台前端侦测设备，形成链状周界防区（见图7）；方式2采用交叠大区域覆盖，形成矩形扩展防区覆盖方式（见图8）。

图7 链状周界防区示意图

图8 交叠覆盖周界防区示意图

2.7 毫米波雷达+智能视频的检测方案

毫米波雷达+智能视频的检测是利用毫米波雷达结合高清视频检测，实现视频监视、入侵报警的一种手段。该方案的信息载体是无线电波和视频信号，雷达主动发射特定频率的电磁波（毫米波）覆盖雷达前方一定立体区域，当检测到入侵目标后，雷达天线将数据发送到接收设备进行处理，提取有关物体的具体信息，同时联合高清视频信息进行综合分析判定，从而发现有效目标。

从报警逻辑上分为2种方式。方式1：毫米波雷达与球机进行组合，其原理是通过毫米波雷达对入侵目标进行初步定位后，再联动球机进行转动、变焦，通过视频图像对入侵目标进行二次复核，从而决定是否报警。方式2：毫米波雷达与枪机进行组合，其原理是直接将毫米波雷达信息与视频信息进行数据级融合，根据2个维度的信息直接进行报警决策、虚警滤除，提取有效报警目标。

从设备部署角度也分为2种方式。方式1是分体式部署，即毫米波雷达与视频摄像机是独立存在的2套设备，借助1套微型化的智能设备将毫米波雷达与视频摄像机连接在一起，从而实现联动分析与智能检测。该方式适用于现场摄像机已部署完毕，且摄像机的成像质量满足要求，可对既有摄像机进行利旧，节约投资。方式2是一体化式部署，即毫米波雷达与视频摄像机是整合在一起的1套设备，直接在设备内部进行分析检测。该方式适用于无摄像机部署或需要补强的区域，一体化设备易于施工，维护成本较低。

（1）方式1：分体式毫米波雷达与高清视频。采用相互独立的分体式毫米波雷达与高清摄像机，借助前端智能处理设备将2个独立的设备有机组合在一起，实现对翻越护栏、跨越线路、破坏活动等非法人员入侵行为的检测（见图9）。

图9 分体式毫米波雷达与高清视频检测示意图

（2）方式2：一体化毫米波雷达与高清视频。采用毫米波雷达与高清视频融合检测的一体化方案，实现对翻越护栏、跨越线路、破坏活动等非法人员入侵行为的检测（见图10）。

图10 一体化毫米波雷达与高清视频检测示意图

3 巡防调度平台建设需求

3.1 建设目标

可在工务段、线路巡护所等处建立巡防调度平台，工务车间、巡护大队配置视频监控终端，实现集中监控、处理、指挥、防控功能，做到“全面巡查与重点盯控、自动巡查与手动抽查、人工盯控与智能防控、实时监控与事后抽查、图像查看与现场确认”五结合。

3.2 功能需求

通过建立集智能化巡防调度平台，满足集视频巡查、预报预警、危情处置等多种功能于一体的防护需要。

4 巡防调度平台技术方案

4.1 平台系统架构

巡防调度平台宜依托铁路综合视频监控系统进行建设，充分利用既有综合视频监控系统的核心、区域及接入节点，并根据线路巡防需求对现场视频采集点及相关网络设备、存储设备、分转发服务器等进行补强，强化智能分析、“红外热成像+视频监测”和“毫米波雷达+智能探测”等新技术应用，形成一套以综合视频监控系统为核心，集视频巡查、视频分析、入侵探测等多种功能于一体的专业化视频平台。平台系统架构见图11。

图11 线路巡防调度平台系统架构

4.2 平台功能

4.2.1 综合显示

巡防调度平台可在首页或综合大屏上呈现当前用户关注的现场实时视频或地理信息系统（GIS）地图，并将出现的各种报警信息，包括报警区域、报警目标、报警时间、报警类型等综合信息实时呈现在综合大屏上，同时根据报警时间、来源、类型、级别、处置方式、处置结果等信息生成图表，实现报警数据可视化显示。

4.2.2 视频巡查

线路巡防调度平台根据区域特点、周边治安环境、监控点位分布，综合考虑覆盖范围及对应管控要求，将监控摄像头划分为“重点”“关注”“一般”3个等级，实现“全面巡防与重点盯控相结合、自动巡查与手动抽查相结合、人工盯控与智能分析相结合、远程查看与现场确认相结合”，提高自动化巡防效率。

4.2.3 智能分析

平台借助先进的人工智能、深度学习技术，采用先进的目标检测技术和基于机器学习的目标分类算法，以云平台+边缘计算相结合的方式，形成分析场景覆盖面全、分析结果可信度高的行为判别算法和复杂环境下目标连续跟踪算法，为线路巡防调度平台提供人员识别、异物识别、行为分析等业务能力，服务于铁路线路巡防工作。

4.2.4 报警功能

（1）报警提示：在管辖范围内有防区进入报警状态时，自动触发报警提示，提醒用户对报警信息进行处理。

（2）报警定位：显示报警信息时，通过电子地图等方式给出报警防区位置。

（3）报警处理：支持对报警信息的确认、处理，以及对现场设备报警进行解除。

（4）报警查询：查询历史报警信息及其处理结果，报警信息内容包括报警起止时间、报警线别、报警防区、报警里程、报警有效性、处理结果等。

（5）报警联动：向联动系统发送报警信息，实现报警联动及报警视频调取。

（6）统计分析：具备对报警信息及其处理结果、现场设备状态等重要数据的统计分析功能，并能通过图表对统计分析结果进行展示。

4.2.5 电子地图

线路巡防调度平台可自动在电子地图上叠加报警目标，通过报警设备闪烁、变色，进入报警状态。报警结束后，用户可根据时间、类型、防区等条件检索相应监控目标，并支持报警回放。

电子地图应支持图层叠加、拖动、放大、缩小、测距、测面积、鸟瞰、打印等功能，支持叠加各种图标，包括入侵报警设备、报警点、监控中心，图标体现设备状态等。

4.2.6 自动撤布防

系统可以手动、自动设防和撤防，每个防区可单独布防和撤防并设定参数，能够全部或部分区域设防和撤防，设防和撤防状态应有明显不同的显示；当报警发生后，系统会显示出报警事件发生的区域；当发生多点同时报警时，系统会依次将报警事件显示出来。

4.2.7 权限管理

可设置多级权限，并对不同权限设置相应的操作范围。

5 结束语

铁路运输在国民经济建设和人民生活中发挥着不可替代的作用，确保行车安全和人民生命财产安全、提高服务质量与水平成为重中之重，为此，铁路部门不断加强人防、物防、技防的各种保障措施，视频监控技术以其直观、客观、易用等特点成为重要的技防措施之一。充分利用并有效发挥视频监控的技术优势，不断提升适合铁路应用需求的产品功能和性能，结合千差万别的线路特点，研究确定最佳的补强建设方案，为强化护路联防工作、提升巡防效率和水平提供技术支撑。