基于嵌入式的铁路平交道口视频监控系统设计

中铁第五勘察设计院集团有限公司 梁懿

随着经济持续提升，公路上的汽车变得更多，铁路平交道口发生的因为汽车、路人与火车争抢道路引起的交通安全事件也变得更多。之前的视频监控体系防备铁路口交通事件的作用正在变小，无法对铁路平交道口进行动态管理[1]。建设安全高效率、成本较小、便利灵活、可以远距离联网监控、加强铁路平交道口动态管理的视频监控体系成为保护铁路平交道口安全的紧迫需求[2]。嵌入式科技和媒体科技的成长给铁路平交道口视频监控系统带来了可信的处理方案。

国家铁路已经进入高速提升时期，国人外出变得便利快捷，但是集中的铁路网络也伴随着大量安全隐忧。之前的监控方式已经不能确保铁路平交道口安全，不管是体系实时监控特性还是其自身价值，建设一个性价比较高、可以实时反馈讯息的监控体系变得非常关键。现今嵌入式科技飞速成长，流媒体获得普遍使用，这些都给规划铁路平交道口实时监控体系提供了科技基础。

1 铁路平交道口视频监控的研究背景和研究意义

随着国家经济飞速提升，交通方面的需求变得更大[3]。在铁路运送当中，铁路线路上面火车运行的密度和速度都在快速提升。在公路运送当中，各个地方的道路交通情况随着经济提升大幅完善，机动汽车数量迅猛增长，而一部分铁路口宽度却没有变化，铁路平交道口出现拥堵情况。在铁路平交道口宽度低于道路路面宽度的铁路平交道口，一部分机动车司机和路人道路安全思想、法律观念淡化，漠视铁路平交道口的相关管理规定，汽车、路人抢夺道路的情况特别严重。现今的铁路口安全设备大部分都是警告性质的，在没有人管理的铁路平交道口，经常会出现路人或来往汽车与火车抢夺道路穿行导致的交通事件，引起人们伤亡和大量财产损失，给正常的铁路运送秩序带来较大影响。

人们最基本的信息源头是视觉，视频监控也是最安全的监控举措之一。使用视频监控体系可以实时获得铁路平交道口人流量、车流量的视频讯息，加工之后交给多方管理者甚至火车司机，让多方管理者及时了解铁路平交道口现场状况，从多个角度预防铁路平交道口安全事件出现，事故出现的时候也可以实时记录，辨别事故责任。探索铁路平交道口视频监控体系拥有很关键的意义和价值。

2 铁路平交道口视频监控系统的发展

2.1 视频监控体系发展阶段

从技术方面看视频监控体系的成长大概经历了3个时期[4]：

（1）闭路电视机监控体系：以模拟设施为主的闭路体系，被称为初代监控体系。主要由摄像机器、视频矩阵、监控仪器、录像机器等构成[5]。

（2）本地数字监控体系：以数字视频搜集卡为中心的视频监控科技，被称为二代视频监控体系。

（3）数字互联网监控体系：以网络传送为特性的数字视频监控，被称为三代视频监控体系。主要由前部摄像设施、互联网视频服务器、传送网络和监控终端等构成，全部都使用数字讯号搜集、压缩、保存、传送和播放视频，以局域网络和互联网络为传送媒介。

现今世界视频监控相关科技正向着如下3个趋向发展：

（1）智慧监控。监控体系整合了视频解析、人面辨别、移动检测、自动追踪等智慧科技，逐渐成为视频监控科技提升的趋向。

（2）监控设施方便携带。采用嵌入式体系科技，高度集中前部视频监控设施，模型设计，大幅度缩小了体系体积；同时应用嵌入式体系，提升了体系的平稳性和适应环境能力，简化体系，最大程度降低成本开支。

（3）监控图像高度清晰化。使用DSP图形处置芯片制定高清晰度影像的视频监控处理方案，利用图像压缩科技、流媒体传送科技等节约带宽，构建高清晰监控画面，现今已经成为市场焦点。

（4）移动视频监控。使用手持移动设施利用无线网络进行视频监控，同时把视频监控和比如IPTV、视频会议、其他传感部件监控等其他监控业务相融合，为视频监控成长注入更大活力。

2.2 视频监控在铁路系统中的应用

20世纪90年代视频监控体系正式在铁路体系当中获得广泛使用，铁路口、火车站所、候车房屋、调度房屋等地方都成立单独的闭路电视监控体系。通过多年的发展，视频监控科技在全部铁路领域当中获得大量普及使用。

现今国内的铁路机构把火车站视频监控体系、场合编组站点视频监控体系、车或机务站地段视频监控体系、铁路线路区域安全视频监控体系等大量分支组合成整体铁路视频监控体系，覆盖了铁路机构大部分地方和场地。通过各个视频监控子体系，铁路管理机构可以及时掌控各个地方的实际情况，有效地减少火车站道口事件、调度处置不恰当引起车辆晚点等意外事情，确保了正常的铁路运转秩序。

2.3 铁路平交道口视频监控的发展现状

之前的铁路视频监控体系以模拟讯号闭路电视监控体系为主体，传送间距较短，监控开支较高。这时候铁路平交道口视频监控体系设施比较庞大，但是作用单一，总模拟讯号传送距离较短，只能在有人值班的铁路平交道口进行粗略监控，视频监控只作为铁路平交道口安全防护的辅助设施，监控记录铁路平交道口视频，当成事件发生之后判断责任的方式之一。随着经济提升和计算机科技进步，数字视频监控科技引入铁路体系。在原先安全模拟讯号的闭路电视监控体系的基础上，添加了计算机对视频内容的数字处置，通过自动解析软件，把视频监控与报警部件、自动保护设备联合构成智慧监控设施，当有危险出现的时候自动报警和开启铁路平交道口保护挡板，从而避免安全事件出现。

最近几年互联网科技和嵌入式科技飞速提升，更是给铁路平交道口视频监控系统注入全新的生命力，铁路平交道口监控行业出现了互联网球机等以微处置器和嵌入式操控体系一体高度集中的嵌入式互联网视频监控体系。嵌入式监控体系全部融合了音频视频数据搜集压缩和打包发出进程，整个体系除了后面显示设施之后，所有设施都已经转变为IP，利用Web互联网服务就可以完成远距离监控。现今的嵌入式铁路平交道口视频监控体系大部分都使用MJPEG或MPEG4视频处置科技，压缩效率较低，对带宽需求比较高，图像模糊，给监控带来较大阻碍。

嵌入式网络监控体系为铁路平交道口长时间的安全事件提供了高效率可执行、开支较低的处理方案。合并自动解析软件科技的智慧嵌入式视频监控体系是铁路平交道口视频监控未来的发展趋向。

3 嵌入式视频监控系统设计方案

3.1 老式铁路平交道口监控系统的缺陷和系统功能需求

老式的铁路平交道口监控体系主要有以下3个方面的不足：

（1）中央解析层次和现场监控层次不能完成数据的及时分享。由于采用传统方式，铁路平交道口监控现场和保护管理中心主要利用互联网方式传输铁路平交道口数据讯息，而铁路平交道口监控现场布局比较分散，且地理环境存在较大差异，不能在全部铁路平交道口装配互联网接口。

（2）手工进程太多。比如搜集铁路平交道口数据主要采用人工方法[6]。采取这种方法获得的数据，有很大的可能出现差错，从而让中央解析层次解析出错误数据。

（3）不能监控铁路平交道口维护人员工作情况。由于铁路平交道口布局较广，密度较大，而且现场作业人员不稳定，导致相关管理者不能及时监控现场作业人员状态。如果没有有效的监控管理举措，那么很难确保铁路平交道口监控现场工作正常进行[7]。

铁路平交道口视频监控体系是铁路平交道口预警保护部件的重要补充，或者成为两者联动智慧保安体系的构成部分。嵌入式铁路平交道口视频监控体系功能需要满足较远距离监控，铁路平交道口值班间、机车调度间、铁路值班管理者、几个驾驶间以及其他监控重点可以同时实时监控道路情况，并且获得一定幅度的操控，比如报警、关掉铁路平交道口等。铁路平交道口视频监控体系的应用环境如图1所示。

图1 铁路平交道口视频监控体系应用环境Fig.1 Application environment of video monitoring system for railway level crossing

3.2 基于嵌入式技术铁路平交道口监控系统的设计方案

以铁路平交道口的这些使用需求为基础，选用长时间在繁杂环境当中平稳运转的ARM.Lillux嵌入式平台探索规划铁路口的视频监控体系。体系连入现今的铁路道路网络就可以完成较远距离监控，选择非常适合高清图像和窄带款传送需要的H.264压缩视频计算方法当成处置图像科技，从而完成高度实时和较高清晰的特性。使用现今的电脑网络，铁路平交道口值班工作人员、火车司机、火车调度管理者等监控终端只需要通过验证就可以利用浏览器远距离实时监控铁路平交道口情况，并且可以在网页操控摄像头云台旋转，切换铁路平交道口的监控角度。体系规划以USB接口摄像头作为搜集视频设施，利用GPIO接口操控云台，整体方案框架图如图2所示。

图2 基于嵌入式技术铁路平交道口监控系统的设计方案框架图Fig.2 Design scheme framework of railway level crossing monitoring system based on embedded technology

3.2.1 系统硬件方案

由于这个监控体系以现今的IP网络传送方案为基础，监控终端只需要连入网络的一个或者几个计算机就可以了，体系硬件规划主要是选择视频服务器端口硬件。在综合考虑使用需要、硬件开支和规划难度之后，选择的硬件部件如下：

（1）嵌入式处理部件：韩国三星ARM结构处置器；

（2）USB接口摄像头：ANC Web Camera；

（3）摄像头云台：轻型云台PTS306。

开发硬件平台电路规划采用中心板子和外面接口电路分开规划的方式，中心板子集中了删除处置器和储存体系，底部电路规划主要包含电源线路、USB连接口、互联网连接口、UAI玎连接口、JTAG电路线路、GPIO连接口等。电路组成如图3所示。

图3 电路组成图Fig.3 Circuit composition

图片当中各个模块描述如下：

（1）TQ2440核心板子：使用广州天嵌的V2核心板子，集中嵌入式位处置器和储存体系。

1）嵌入式处置器：使用韩国三星的32位鼬处置器，以删920T构造为基础，主要频率是400（最大不能超过533）。片上面集中单独的16KB命令和数据，主要用在虚拟储存器管理，支持两种LCD操控器，还包含NADN Flash、体系管理器（片子选择逻辑和SDRAM操控器）、3个通道、4个通道、4个通道定时部件、I/O接口、RTC、8个通道10位ADC和相机操控接口、触摸屏幕接口、IIC和IIS总线连接口、USB主设施和副设施、SD上通道接口、双通道SPI和时钟发生部件。2）储存体系：板载64MB、256MB和2MB储存体系。

（2）底部板外部电路主要包括USB连接口、互联网连接口、UART连接口、JTAG电线电路、GPIO连接口等模块。下面是外部电路的数个模块的描述和电路原理图片。

1）USB连接口：提供一个1.1的连接口，主要连通USB摄像头等设施，连接口按照1.1规定，支持两种传送操控方式：12全速度传送模型和1.5低速度传送模型。

2）互联网连接口：体系提供一个RJ45以太网连接口，利用双绞线可以完成互联网通讯和传送数据，利用交叉网线与电脑连通或者利用直接连接网线和路由器连通，以太网操控器使用DM9000E，最高速率达到每秒100MB。

3）UART连接口：提供一个五线路异步串口连接口（全功效UART连接口），利用交叉串口线路和电脑连通通信，主要用在体系调节端口，输送Bootloader讯息和操控Linux内部核心。

4）JTAG连接口：提供一个JTAG调试接口，可以连通删仿真部件进行在线调节或者连通JTAG下载线直接编辑NOR FLASH程序。

5）GPIO连接口：提供GPIO拓展连接口连通云台操控部件。

3.2.2 系统软件方案

嵌入式网络视频监控体系整体构造分成服务器和监控终端两个部分，服务器端口的主要任务是向监控终端提供视频信息，使用者可以利用监控终端观看视频和操控云台，视频信息通过局域网络或互联网输送。现今这个网络传送构成主要分成两种：C/S和B/S，本文使用后一种构成。

以B/S构造为基础的视频监控服务器端口分成2个部分：视频和Web服务器。视频服务器的主要任务是通过USB摄像头搜集视频图形数据，并且压缩解码和传送图形；Web服务器的主要任务是提供嵌入式播放控件的Web面当成作业界面，处置源自客户端的交互需求，并且提供用户登入验证、观看视频影响、操控云台旋转方向功能。

3.2.3 构建嵌入式Linux系统

嵌入式体系的软件构造从下到上一般可以分成4个层面：设备驱使、电脑系统、实用编程连接口和使用程序。电脑系统的主要任务是系统整体的时钟管控、内存划分、同步体制、中断掌控和任务调配，并且提供互联网和文件服务，是嵌入式系统的基础。嵌入式Linux系统由于拥有开放的源代码、丰富的驱使程序、管理模块、较强的裁剪特性，可以移植特性、提供高效率强大的支撑网络、多任务线程科技支持、平稳可信性较高等优点，最近几年获得普遍使用。本文使用嵌入式Linux当成系统软件平台，建设嵌入式Linux工作包含构建交叉编辑翻译环境、建设B00tloader、移植Linux内部核、构建根文件体系。

由于受到本身资源限制，嵌入式系统根本没有相应的编辑翻译链条工具，不能像一般电脑那样直接编辑翻译需要运转的程序代码，需要利用拥有大量系统资源的电脑完成编辑翻译。嵌入式系统的这种程序编辑翻译过程被称为交叉编辑翻译，即在一个平台上编辑可以在另外一个平台上面运转进行的代码，把程序转变成运转这个程序的CPU可以辨识的机器代码。一般进行交叉编辑翻译的主机称为宿主机器，而程序的运转环境及嵌入式系统被称为目标机器。宿主机器和目标机器利用串口、USB连接口或者交叉网站实施通讯，在宿主机器上面编辑翻译产生程序可以实施的代码之后，把可以实施代码下载到目标机器上运转。

在嵌入式系统当中使用最多的Bootloader分成两种，分别是U-Boot和VIVI，本文主要使用后者。它是韩国一家公司专门为ARM处理器构思的源码，大家可以在网上免费下载使用，然后按照硬件体系的实际情况配备和编辑翻译源码，最后写到系统的储存器里面。

随后是移植Linux内部核。它是嵌入式Linux的中心，内部核移植是嵌入式开发当中一个很关键的进程，一般包含内部核配备、内部核编辑翻译、内部核下载3个步骤。

最后是建设根文件系统。现今的Linux系统内部核映像内容保存到根文件体系当中，开启内核的时候利用根文件系统下载编辑文件，系统引导开启程序会从这个根文件系统设施上面把内部核运行代码引入到内存里面运转。Lilux系统的Busybox工具集合了大部分常见的命令软件，可以利用自定义配备制作根文件系统，它非常适合嵌入式系统使用。

这样一个完备的嵌入式Linux系统已经在目标机器上面构建完成，监控功能完成依靠操作系统开发相应的软件模块完成。

4 结语

本文探索构建的嵌入式视频监控体系体积较小，工作平稳，可以对铁路平交道口现场进行有效率的视频监控，视频画面清楚顺畅，完成了类似实时的网络视频监控。系统拥有登录验证功效，用户可以远距离操控摄像头云台，调节系统监控角度，拥有一些操控功能。这个铁路口监控管控体系可以深入提升国家铁路口保护事业的管控和应用水准，减少安全事件，推动铁路安全防护管控体系当中科技含量持续提升。

引用

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[2]金其炳,郭俊豪.构建基于VPDN网络的铁路平交道口智能视频监控系统的研究[J].上海铁道科技,2017(2):21-22.

[3]杨怡.刍议低碳经济下水路运输经济发展具备的优势[J].珠江水运,2018(15):87-88.

[4]李国萍,庄洪卫,王其成.远程监控系统在无人值守变电站中的应用[J].中国新技术新产品,2017(6):10-11.

[5]李月兰.浅析数字视频监控系统和网络视频监控系统的区别[J].民营科技,2016(10):88-89.

[6]王玺.铁路道口安全防护系统集中控制的研究与应用[J].现代信息科技,2018,2(06):19-20+23.

[7]曾惠明.铁路平交道口预警防护及远程监控系统[J].铁道运营技术,2021,27(2):38-40.