基于視頻的高鐵綜合安全防災系統分析

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

高速鐵路由于列車(chē)運行速度高、密度大，運送對象以旅客為主，一旦發(fā)生事故后果不可想象。因此，除了要求機車(chē)車(chē)輛、供電、線(xiàn)路以及通信信號設備高性能外，對各種可能發(fā)生的災害，如自然災害(強風(fēng)、暴雨、大雪、地震)、突發(fā)事故(坍方落石、異物侵限)、列車(chē)及設備故障、突發(fā)的大規模群體事件等，都要實(shí)施全面監測。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(lèi)危及行車(chē)安全的災害，建立安全、可靠、實(shí)時(shí)、準確的鐵路安全防災監控和信息傳輸體系，制定科學(xué)有效的預警機制和應急預案，在災害發(fā)生前或發(fā)生后及時(shí)控制運行列車(chē)減速或停車(chē)，使各種多發(fā)、隨機的鐵路災害造成的破壞力降低到最小程度或避免災害的發(fā)生，這對鐵路部門(mén)科學(xué)、合理地調度列車(chē)、指揮運行，確保鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)運行安全有著(zhù)重大的實(shí)踐意義。

一高速鐵路綜合安全防災的需求分析

1.1綜合防災安全監控功能需求

綜合防災安全監控系統是對危及列車(chē)運行安全的自然災害(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)監測；對各種監測信息進(jìn)行分析、處理、匯總，判定設備安全隱患、災害及故障的類(lèi)型、性質(zhì)和級別；實(shí)時(shí)顯示經(jīng)處理后的信息及災害預警、限速、停運、恢復運營(yíng)等處理建議，為運營(yíng)調度中心調整運行計劃，下達行車(chē)管制、搶險救援、維修等指令提供依據。

1.2覆蓋內容需求

高速鐵路安全監控的主要監測內容按對象不同可大致分為5大類(lèi)：自然災害監測(如地震、雨量及洪水、風(fēng)速和風(fēng)向等)；線(xiàn)路監測(如軸溫、路基災害等)；大型結構物監測(如車(chē)站站房、隧道、牽引變電所及通信信號機械室內及周?chē)匀粻顩r監測等)；物體侵入監測；列車(chē)運行狀況與車(chē)廂監測等。

1.2.1自然災害監測

強風(fēng)監測：監測點(diǎn)設置在易發(fā)生強風(fēng)或突發(fā)性大風(fēng)地區的車(chē)站、高架線(xiàn)和橋梁上。

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

地震監測：地震是屬于發(fā)生概率較小，但危害最大的一種特殊災害，高速鐵路沿線(xiàn)地震儀應設置在地震烈度大于等于VII度的線(xiàn)路區段，一般考慮設在牽引變電所內，以利于及時(shí)斷電響應。

高速鐵路同普速鐵路一樣，還應針對不同地理環(huán)境條件、不同的運營(yíng)機制，設置相應的防火災、防雷擊、防冰雪等設施。

1.2.2線(xiàn)路監測

軌溫監測：軌溫的升高使無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌的縱向應力加大，超過(guò)一定標準時(shí)會(huì )導致脹軌跑道事故，對行車(chē)安全有極大的危害。鋼軌溫度傳感器設置地點(diǎn)應選擇在線(xiàn)路條件如路基、道床、曲線(xiàn)、坡度等不利的地點(diǎn)。在橋梁較多地段或曲線(xiàn)較多地段，可根據實(shí)際情況適當增設。

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

1.2.3大型結構物監測

車(chē)站監測：在大型車(chē)站設有相應的安全監測系統，對周?chē)h(huán)境、設備狀態(tài)等具有自動(dòng)監測和報警功能。當發(fā)生重大災害和事件可能影響行車(chē)時(shí)(如事故、停電、火災等)將信息通過(guò)車(chē)站綜合信息系統傳至調度中心安全調度臺處理。

橋梁、隧道監測：高速鐵路為了提高行車(chē)速度，大量地使用了橋梁和隧道，所以必須設置橋梁、隧道監測系統。系統所收集的可能或直接影響行車(chē)安全的信息(如火災、非法侵限等)，應直接或通過(guò)綜合信息系統傳送至調度中心安全調度臺匯總處理。

牽引供電、通信信號監測：作為客運專(zhuān)線(xiàn)重要設備的牽引供電和通信信號等系統應具有高度的可靠性，保證設備總處于良好的狀態(tài)，或一旦設備存在危及行車(chē)安全的隱患時(shí)，能及時(shí)地發(fā)出警告，強制列車(chē)減速甚至停車(chē)，需要具有防火、防水、防盜等監測。

1.2.4物體入侵監測

依據線(xiàn)路建筑標準，對于一些易發(fā)生土、石崩潰和塌方，落物難以預測巨整治投資大、施工困難的地段，根據預測的塌方范圍及落物軌跡，設置崩塌、落物防護監測網(wǎng)是必要的。按照要求高速鐵路為全封閉線(xiàn)路，但是如果防護網(wǎng)被破壞以后有物體進(jìn)入也會(huì )造成事故，因此同樣需要進(jìn)行監測。

二基于視頻的高速鐵路綜合安全防災的構成

傳統的高速鐵路綜合安全防災系統都是基于各種傳感器來(lái)進(jìn)行的，但是隨著(zhù)視頻監控及其分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于視頻的綜合監測系統得到了更多的重視和應用。

2.1綜合安全防災系統總體設計

高速鐵路客專(zhuān)綜合安全防災監控系統的運用和管理分為客運專(zhuān)線(xiàn)公司、綜合調度中心、基層站段和前端采集設備四級，均配備相應的防災顯示設備、工作站和網(wǎng)絡(luò )傳輸設備等。系統可與客運專(zhuān)線(xiàn)的其他信息系統共享基礎信息資源，并與其他信息系統進(jìn)行數據交換。整個(gè)系統是一個(gè)分布式結構，由客運專(zhuān)線(xiàn)鐵路公司安全設備、綜合調度中心防災設備、基層站段防災設備、現場(chǎng)采集設備四部分組成。

2.2綜合安全防災系統組成及其功能簡(jiǎn)析

現場(chǎng)采集設備的工作是從設置在客運專(zhuān)線(xiàn)鐵路沿線(xiàn)的視頻采集點(diǎn)、各種監測設備/系統采集有關(guān)環(huán)境狀況以及設備工況等安全監控數據；將這些數據按照災害信息種類(lèi)、災害信息程度分別進(jìn)行初步處理后經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳輸傳送至基層站段。運行的列車(chē)通過(guò)自診斷系統檢測到列車(chē)上的故障信息，通過(guò)區間或站內無(wú)線(xiàn)基站傳送至車(chē)站綜合信息系統，并繼續通過(guò)專(zhuān)用數據通信網(wǎng)傳送至綜合調度中心的安全監控臺匯總、存貯和處理。

車(chē)站綜合信息系統將接收到的各類(lèi)災害基礎數據進(jìn)行匯集，實(shí)時(shí)傳送至綜合調度中心安全監控臺。綜合維修段將接收到的各類(lèi)災害基礎數據結合視頻信息進(jìn)行統計分析，形成報表，將結果上報客運專(zhuān)線(xiàn)公司。

調度中心安全監控臺對接收的數據進(jìn)行處理，處理后的視頻、強風(fēng)、暴雨、洪水、軌溫、地震等報警信息中包括災害強度、線(xiàn)路狀態(tài)、行車(chē)規定和巡檢要求等具體規定。按照災害處理規程給出預警處理建議和方案，將建議和方案傳送至各相關(guān)業(yè)務(wù)調度臺，并在相關(guān)區域運行的列車(chē)上顯示。行車(chē)調度臺將其作為調整行車(chē)運行計劃的參考因索，必要時(shí)行車(chē)調度臺通知維修和救援部門(mén)作好準備。救援列車(chē)由車(chē)輛調度臺通知動(dòng)車(chē)段調動(dòng)，救援部門(mén)由相關(guān)車(chē)站出而協(xié)調?？瓦\專(zhuān)線(xiàn)公司將從調度中心安全監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系統涉及的監控技術(shù)

3.1主動(dòng)紅外夜視技術(shù)

綜合安全防災系統的前端視頻監控點(diǎn)通常在戶(hù)外自然環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所，同時(shí)需要對目標進(jìn)行全天候的監控，在夜間也沒(méi)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(chǎng)上能夠提供的夜視技術(shù)主要有三種：被動(dòng)紅外成像技術(shù)、基于紅外燈的主動(dòng)紅外夜視技術(shù)、基于激光器的主動(dòng)紅外夜視技術(shù)。被動(dòng)紅外成像技術(shù)適合于監控夜間人或車(chē)等運動(dòng)物體，對于環(huán)境監控力不從心，基于紅外燈的主動(dòng)紅外夜視技術(shù)可視距離近(300米以?xún)?，光源體積大壽命短故障率高，很難適應戶(hù)外惡劣的自然環(huán)境?；诩す馄鞯闹鲃?dòng)紅外夜視技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，包括紅外激光照明器燈、超低照度彩轉黑攝像機、紅外夜視專(zhuān)用監控鏡頭三大部分。激光的特性決定了激光可以照攝更遠的距離，而且光強度也比常規光源要強的多。激光具有亮度高、單色性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對波長(cháng)的選擇可以增大CCD對波長(cháng)的感應程度。激光燈的壽命很長(cháng)，一般都在10000個(gè)小時(shí)以上。攝像機的選擇則主要顧及兩個(gè)方面：一個(gè)是白天成像效果；一個(gè)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構，白天濾掉不可見(jiàn)光，使成像色彩更真實(shí)；晚上切換到夜視模式，把不可見(jiàn)光放進(jìn)來(lái)，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數一般比常規鏡頭的F數要小，這就意味著(zhù)鏡頭的進(jìn)光量要比常規鏡頭要大，有較強的光收集能力，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(guò)率。為了看清楚遠距離的物體，一般選用電動(dòng)長(cháng)焦鏡頭。

3.2智能視頻分析技術(shù)

智能視頻(IV，IntelligentVideo)技術(shù)源自計算機視覺(jué)(CV，ComputerVision)與人工智能(AI，ArtificialIntelligent)的研究，其發(fā)展目標在于將圖像與事件描述之間建立一種映射關(guān)系，使計算機從紛繁的視頻圖像中分辯、識別出關(guān)鍵目標物體，這一研究應用于視頻監控系統、將能借助計算機強大的數據處理能力過(guò)濾掉圖像中無(wú)用的或干擾信息、自動(dòng)分析、抽取視頻源中的關(guān)鍵有用信息，從而使傳統的監控系統中的攝像機不但成為人的眼睛，也使“智能視頻分析”計算機成為人的大腦，并具有更為“聰明”的學(xué)習思考方式。這一根本性的改變，可極大地發(fā)揮與拓展視頻監控系統的作用與能力，使監控系統具有更高的智能化，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報警、異物入侵報警、車(chē)站與橋梁監測方面能夠發(fā)揮很多積極作用

3.3綜合監控主機

傳統的矩陣監控系統有單獨的報警主機，但是通常只能接入開(kāi)關(guān)量報警，而現有的網(wǎng)絡(luò )視頻編碼器在報警接入方面數量較少，不能滿(mǎn)足多種監測系統：強風(fēng)、雨量、地震，多種數據協(xié)議：485總線(xiàn)，CANBUS總線(xiàn)等接入的要求，對多路模擬和數字量的采集無(wú)能為力。而集成了設備監控、周邊區域音視頻監控錄像，周界報警系統、消防報警系統、門(mén)禁控制系統、燈光語(yǔ)音控制系統、動(dòng)力環(huán)境監控、模擬量數字量采集等多種功能的天地偉業(yè)綜合監控主機能夠實(shí)現與其它多種傳感器/系統的對接。采用基于A(yíng)rm9的嵌入式系統提供了極高的系統穩定性。多路插卡式設計，通過(guò)不同的插卡可以在一臺主機上支持多路門(mén)禁控制、RS-485總線(xiàn)或CANBUS總線(xiàn)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、RS-232接口。