基于視頻的高鐵綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)分析

安全是鐵路運(yùn)輸永恒的主題，是鐵路的生命線。我國地域遼闊，地形復(fù)雜，氣候變化大，致使鐵路災(zāi)害分布廣泛、類型眾多、發(fā)生頻繁，鐵路災(zāi)害的分布遍及全國，基本上凡有鐵路的地方均受程度不同的災(zāi)害侵襲，由此平均每年造成鐵路運(yùn)輸中斷100余次，累計(jì)10002000h，最高峰曾達(dá)到年斷道211次。已發(fā)生災(zāi)害路段占全路總運(yùn)營里程的20%以上，尚有許多線路災(zāi)害處于潛伏狀態(tài)，嚴(yán)重威脅鐵路的行車安全。

高速鐵路由于列車運(yùn)行速度高、密度大，運(yùn)送對象以旅客為主，一旦發(fā)生事故后果不可想象。因此，除了要求機(jī)車車輛、供電、線路以及通信信號設(shè)備高性能外，對各種可能發(fā)生的災(zāi)害，如自然災(zāi)害(強(qiáng)風(fēng)、暴雨、大雪、地震)、突發(fā)事故(坍方落石、異物侵限)、列車及設(shè)備故障、突發(fā)的大規(guī)模群體事件等，都要實(shí)施全面監(jiān)測。世界各國已建成和正在建成的高速鐵路均將綜合安全保障體系的研究放在首位。如何針對可能發(fā)生的各類危及行車安全的災(zāi)害，建立安全、可靠、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的鐵路安全防災(zāi)監(jiān)控和信息傳輸體系，制定科學(xué)有效的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案，在災(zāi)害發(fā)生前或發(fā)生后及時(shí)控制運(yùn)行列車減速或停車，使各種多發(fā)、隨機(jī)的鐵路災(zāi)害造成的破壞力降低到最小程度或避免災(zāi)害的發(fā)生，這對鐵路部門科學(xué)、合理地調(diào)度列車、指揮運(yùn)行，確保鐵路客運(yùn)專線運(yùn)行安全有著重大的實(shí)踐意義。

一高速鐵路綜合安全防災(zāi)的需求分析

1.1綜合防災(zāi)安全監(jiān)控功能需求

綜合防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)是對危及列車運(yùn)行安全的自然災(zāi)害(風(fēng)、雨、洪水、地震等)、異物侵限、突發(fā)事故和事件等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；對各種監(jiān)測信息進(jìn)行分析、處理、匯總，判定設(shè)備安全隱患、災(zāi)害及故障的類型、性質(zhì)和級別；實(shí)時(shí)顯示經(jīng)處理后的信息及災(zāi)害預(yù)警、限速、停運(yùn)、恢復(fù)運(yùn)營等處理建議，為運(yùn)營調(diào)度中心調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃，下達(dá)行車管制、搶險(xiǎn)救援、維修等指令提供依據(jù)。

1.2覆蓋內(nèi)容需求

高速鐵路安全監(jiān)控的主要監(jiān)測內(nèi)容按對象不同可大致分為5大類：自然災(zāi)害監(jiān)測(如地震、雨量及洪水、風(fēng)速和風(fēng)向等)；線路監(jiān)測(如軸溫、路基災(zāi)害等)；大型結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(如車站站房、隧道、牽引變電所及通信信號機(jī)械室內(nèi)及周圍自然狀況監(jiān)測等)；物體侵入監(jiān)測；列車運(yùn)行狀況與車廂監(jiān)測等。

1.2.1自然災(zāi)害監(jiān)測

強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測：監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在易發(fā)生強(qiáng)風(fēng)或突發(fā)性大風(fēng)地區(qū)的車站、高架線和橋梁上。

雨量及洪水監(jiān)測：洪水災(zāi)害不像地震、風(fēng)災(zāi)那樣具有突發(fā)性，而是按積少成多、循序漸進(jìn)的規(guī)律因汛期雨水多而形成災(zāi)害的。高速鐵路受雨及洪水破壞主要表現(xiàn)在路堤、橋梁以及路塹自然邊坡破壞三大方面。

地震監(jiān)測：地震是屬于發(fā)生概率較小，但危害最大的一種特殊災(zāi)害，高速鐵路沿線地震儀應(yīng)設(shè)置在地震烈度大于等于VII度的線路區(qū)段，一般考慮設(shè)在牽引變電所內(nèi)，以利于及時(shí)斷電響應(yīng)。

高速鐵路同普速鐵路一樣，還應(yīng)針對不同地理環(huán)境條件、不同的運(yùn)營機(jī)制，設(shè)置相應(yīng)的防火災(zāi)、防雷擊、防冰雪等設(shè)施。

1.2.2線路監(jiān)測

軌溫監(jiān)測：軌溫的升高使無縫線路鋼軌的縱向應(yīng)力加大，超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會導(dǎo)致脹軌跑道事故，對行車安全有極大的危害。鋼軌溫度傳感器設(shè)置地點(diǎn)應(yīng)選擇在線路條件如路基、道床、曲線、坡度等不利的地點(diǎn)。在橋梁較多地段或曲線較多地段，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增設(shè)。

路基災(zāi)害監(jiān)測：主要監(jiān)測路基病害的發(fā)生、發(fā)展和發(fā)出預(yù)警信息，這部分屬于“漸進(jìn)”災(zāi)害。對于路基病害要結(jié)合發(fā)生災(zāi)害處的地形、地質(zhì)、環(huán)境和降雨量作出安全評估。

1.2.3大型結(jié)構(gòu)物監(jiān)測

車站監(jiān)測：在大型車站設(shè)有相應(yīng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，對周圍環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等具有自動監(jiān)測和報(bào)警功能。當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)害和事件可能影響行車時(shí)(如事故、停電、火災(zāi)等)將信息通過車站綜合信息系統(tǒng)傳至調(diào)度中心安全調(diào)度臺處理。

橋梁、隧道監(jiān)測：高速鐵路為了提高行車速度，大量地使用了橋梁和隧道，所以必須設(shè)置橋梁、隧道監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)所收集的可能或直接影響行車安全的信息(如火災(zāi)、非法侵限等)，應(yīng)直接或通過綜合信息系統(tǒng)傳送至調(diào)度中心安全調(diào)度臺匯總處理。

牽引供電、通信信號監(jiān)測：作為客運(yùn)專線重要設(shè)備的牽引供電和通信信號等系統(tǒng)應(yīng)具有高度的可靠性，保證設(shè)備總處于良好的狀態(tài)，或一旦設(shè)備存在危及行車安全的隱患時(shí)，能及時(shí)地發(fā)出警告，強(qiáng)制列車減速甚至停車，需要具有防火、防水、防盜等監(jiān)測。

1.2.4物體入侵監(jiān)測

依據(jù)線路建筑標(biāo)準(zhǔn)，對于一些易發(fā)生土、石崩潰和塌方，落物難以預(yù)測巨整治投資大、施工困難的地段，根據(jù)預(yù)測的塌方范圍及落物軌跡，設(shè)置崩塌、落物防護(hù)監(jiān)測網(wǎng)是必要的。按照要求高速鐵路為全封閉線路，但是如果防護(hù)網(wǎng)被破壞以后有物體進(jìn)入也會造成事故，因此同樣需要進(jìn)行監(jiān)測。

二基于視頻的高速鐵路綜合安全防災(zāi)的構(gòu)成

傳統(tǒng)的高速鐵路綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)都是基于各種傳感器來進(jìn)行的，但是隨著視頻監(jiān)控及其分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于視頻的綜合監(jiān)測系統(tǒng)得到了更多的重視和應(yīng)用。

2.1綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高速鐵路客專綜合安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用和管理分為客運(yùn)專線公司、綜合調(diào)度中心、基層站段和前端采集設(shè)備四級，均配備相應(yīng)的防災(zāi)顯示設(shè)備、工作站和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等。系統(tǒng)可與客運(yùn)專線的其他信息系統(tǒng)共享基礎(chǔ)信息資源，并與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個系統(tǒng)是一個分布式結(jié)構(gòu)，由客運(yùn)專線鐵路公司安全設(shè)備、綜合調(diào)度中心防災(zāi)設(shè)備、基層站段防災(zāi)設(shè)備、現(xiàn)場采集設(shè)備四部分組成。

2.2綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)組成及其功能簡析

現(xiàn)場采集設(shè)備的工作是從設(shè)置在客運(yùn)專線鐵路沿線的視頻采集點(diǎn)、各種監(jiān)測設(shè)備/系統(tǒng)采集有關(guān)環(huán)境狀況以及設(shè)備工況等安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；將這些數(shù)據(jù)按照災(zāi)害信息種類、災(zāi)害信息程度分別進(jìn)行初步處理后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳送至基層站段。運(yùn)行的列車通過自診斷系統(tǒng)檢測到列車上的故障信息，通過區(qū)間或站內(nèi)無線基站傳送至車站綜合信息系統(tǒng)，并繼續(xù)通過專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)傳送至綜合調(diào)度中心的安全監(jiān)控臺匯總、存貯和處理。

車站綜合信息系統(tǒng)將接收到的各類災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，實(shí)時(shí)傳送至綜合調(diào)度中心安全監(jiān)控臺。綜合維修段將接收到的各類災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合視頻信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成報(bào)表，將結(jié)果上報(bào)客運(yùn)專線公司。

調(diào)度中心安全監(jiān)控臺對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的視頻、強(qiáng)風(fēng)、暴雨、洪水、軌溫、地震等報(bào)警信息中包括災(zāi)害強(qiáng)度、線路狀態(tài)、行車規(guī)定和巡檢要求等具體規(guī)定。按照災(zāi)害處理規(guī)程給出預(yù)警處理建議和方案，將建議和方案傳送至各相關(guān)業(yè)務(wù)調(diào)度臺，并在相關(guān)區(qū)域運(yùn)行的列車上顯示。行車調(diào)度臺將其作為調(diào)整行車運(yùn)行計(jì)劃的參考因索，必要時(shí)行車調(diào)度臺通知維修和救援部門作好準(zhǔn)備。救援列車由車輛調(diào)度臺通知動車段調(diào)動，救援部門由相關(guān)車站出而協(xié)調(diào)?？瓦\(yùn)專線公司將從調(diào)度中心安全監(jiān)控臺接收到的信息存檔記錄以供決策。

三基于視頻的高速鐵路綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)涉及的監(jiān)控技術(shù)

3.1主動紅外夜視技術(shù)

綜合安全防災(zāi)系統(tǒng)的前端視頻監(jiān)控點(diǎn)通常在戶外自然環(huán)境較為惡劣的場所，同時(shí)需要對目標(biāo)進(jìn)行全天候的監(jiān)控，在夜間也沒有路燈、建筑物燈光等其它的環(huán)境光源可以利用，對于雨天、霧天等特殊氣象條件要求能夠保持良好的可視距離，可視距離最好能在1-2公里左右。目前市場上能夠提供的夜視技術(shù)主要有三種：被動紅外成像技術(shù)、基于紅外燈的主動紅外夜視技術(shù)、基于激光器的主動紅外夜視技術(shù)。被動紅外成像技術(shù)適合于監(jiān)控夜間人或車等運(yùn)動物體，對于環(huán)境監(jiān)控力不從心，基于紅外燈的主動紅外夜視技術(shù)可視距離近(300米以內(nèi))，光源體積大壽命短故障率高，很難適應(yīng)戶外惡劣的自然環(huán)境?；诩す馄鞯闹鲃蛹t外夜視技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，包括紅外激光照明器燈、超低照度彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)、紅外夜視專用監(jiān)控鏡頭三大部分。激光的特性決定了激光可以照攝更遠(yuǎn)的距離，而且光強(qiáng)度也比常規(guī)光源要強(qiáng)的多。激光具有亮度高、單色性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，通過對波長的選擇可以增大CCD對波長的感應(yīng)程度。激光燈的壽命很長，一般都在10000個小時(shí)以上。攝像機(jī)的選擇則主要顧及兩個方面：一個是白天成像效果；一個是是否是感紅外的低照度。白天要求效果好，就是要求其有濾光片切換結(jié)構(gòu)，白天濾掉不可見光，使成像色彩更真實(shí)；晚上切換到夜視模式，把不可見光放進(jìn)來，這樣既能保證白天不失色，又能保證夜視效果。夜視鏡頭的F數(shù)一般比常規(guī)鏡頭的F數(shù)要小，這就意味著鏡頭的進(jìn)光量要比常規(guī)鏡頭要大，有較強(qiáng)的光收集能力，好的夜視鏡頭的鏡片對近紅外光進(jìn)行了增透，提高了近紅外光的透過率。為了看清楚遠(yuǎn)距離的物體，一般選用電動長焦鏡頭。

3.2智能視頻分析技術(shù)

智能視頻(IV，IntelligentVideo)技術(shù)源自計(jì)算機(jī)視覺(CV，ComputerVision)與人工智能(AI，ArtificialIntelligent)的研究，其發(fā)展目標(biāo)在于將圖像與事件描述之間建立一種映射關(guān)系，使計(jì)算機(jī)從紛繁的視頻圖像中分辯、識別出關(guān)鍵目標(biāo)物體，這一研究應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)、將能借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力過濾掉圖像中無用的或干擾信息、自動分析、抽取視頻源中的關(guān)鍵有用信息，從而使傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像機(jī)不但成為人的眼睛，也使“智能視頻分析”計(jì)算機(jī)成為人的大腦，并具有更為“聰明”的學(xué)習(xí)思考方式。這一根本性的改變，可極大地發(fā)揮與拓展視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用與能力，使監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的智能化，大幅度降低資源與人員配置，同時(shí)，必將全面提升安全防范工作的效率。智能視頻分析在火災(zāi)報(bào)警、異物入侵報(bào)警、車站與橋梁監(jiān)測方面能夠發(fā)揮很多積極作用

3.3綜合監(jiān)控主機(jī)

傳統(tǒng)的矩陣監(jiān)控系統(tǒng)有單獨(dú)的報(bào)警主機(jī)，但是通常只能接入開關(guān)量報(bào)警，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器在報(bào)警接入方面數(shù)量較少，不能滿足多種監(jiān)測系統(tǒng)：強(qiáng)風(fēng)、雨量、地震，多種數(shù)據(jù)協(xié)議：485總線，CANBUS總線等接入的要求，對多路模擬和數(shù)字量的采集無能為力。而集成了設(shè)備監(jiān)控、周邊區(qū)域音視頻監(jiān)控錄像，周界報(bào)警系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、燈光語音控制系統(tǒng)、動力環(huán)境監(jiān)控、模擬量數(shù)字量采集等多種功能的天地偉業(yè)綜合監(jiān)控主機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它多種傳感器/系統(tǒng)的對接。采用基于Arm9的嵌入式系統(tǒng)提供了極高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。多路插卡式設(shè)計(jì)，通過不同的插卡可以在一臺主機(jī)上支持多路門禁控制、RS-485總線或CANBUS總線、開關(guān)量輸入輸出、RS-232接口。