視頻監(jiān)控作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)手段，在鐵路安防領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是如何對移動的列車進(jìn)行監(jiān)控和移動的列車如何與車站管理中心實(shí)現(xiàn)信息回傳，本文與您一同探討。
文/杭州競天數(shù)碼科技有限公司
需求背景
隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)人員流動日益頻繁，鐵路負(fù)載大，是一個非常重要的交通運(yùn)輸工具，是整個國家的經(jīng)濟(jì)大動脈。鐵路列車是人流非常集中的公共場合，空間狹小，人員復(fù)雜，治安形勢日趨嚴(yán)峻，各種刑事案件頻發(fā)，給管理部門帶來了很大壓力，成為社會的一個不安定因素。要提高列車管理，為旅客提供安全舒適的乘車環(huán)境，不能僅靠管理人員的原始方法，還應(yīng)該運(yùn)用高科技的技術(shù)手段和先進(jìn)的裝備，對整個列車的內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。視頻監(jiān)控作為成熟的技術(shù)手段，在平安城市中得到大量應(yīng)用，效果顯著，在鐵路列車中應(yīng)用也將發(fā)揮重要作用。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅能應(yīng)用在列車安防領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在對列車司乘人員的管理，列車行車過程路況安全記錄等等。
需求特點(diǎn)
列車監(jiān)控效果雖然明顯，但實(shí)施中有一些技術(shù)瓶頸需要克服，這也是目前列車監(jiān)控沒有廣泛應(yīng)用的重要原因。
列車的車廂并不固定，會隨運(yùn)力的調(diào)整不斷重新編組，動力車頭替換頻繁，這意味著傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控方式不能直接拿來使用。
其次，由于列車全程高速行駛，列車上的視頻數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)杰囌颈O(jiān)控中心，使得整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不能連成整體，成為信息孤島，大大降低了系統(tǒng)的使用價值。
本文重點(diǎn)要討論的是如何解決列車行駛中和車站之間的視頻傳輸問題。
移動數(shù)據(jù)通道的選擇
現(xiàn)有無線傳輸方法的比較
目前無線移動視頻傳輸主要有以下幾種方法：衛(wèi)星，微波，無線局域網(wǎng)和無線公網(wǎng)。
衛(wèi)星價格昂貴，不適合大量使用，微波和無線局域網(wǎng)在鐵路環(huán)境上應(yīng)用需投資大量基站，費(fèi)用大且維護(hù)不便。利用無線公網(wǎng)的數(shù)據(jù)通道是目前比較經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)的視頻傳輸途徑。
相對于衛(wèi)星、微波等技術(shù)，CDMA是一種成本合理、技術(shù)門檻相對較低的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使監(jiān)控系統(tǒng)中從列車上到遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮中心的實(shí)時圖像數(shù)據(jù)傳輸成為可能。
CDMA是中國聯(lián)通已建成的一個語音數(shù)據(jù)通信平臺，其覆蓋范圍已遍及全國，甚至市區(qū)的隧道，大樓的電梯、地下室都有很好的信號覆蓋。所以，系統(tǒng)應(yīng)用不需要另外再架設(shè)天線或者購置其他昂貴的輔助設(shè)施。只是利用現(xiàn)成的聯(lián)通C網(wǎng)來完成圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)在任何地方都能較好的傳輸圖像的實(shí)戰(zhàn)需求。比如在中國的任一個城市或者鄉(xiāng)村，只要有聯(lián)通CDMA信號覆蓋的地方，在監(jiān)控中心就能看到前端通過網(wǎng)絡(luò)傳回來的圖像。
CDMA是碼分多址(Code Division Multiple Access)的英文縮寫，是近年來用于數(shù)字蜂窩移動通信的一種先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)。
目前國內(nèi)CDMA2000-1X系統(tǒng)對終端系統(tǒng)可以提供最大153KB/S的數(shù)據(jù)通信帶寬，其通信帶寬可滿足多種業(yè)務(wù)的需求。
CDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于:
·傳輸速率高，最高理論帶寬可達(dá)到230.4kb/s，實(shí)測是目前公網(wǎng)傳輸中實(shí)測最高的,適合圖像數(shù)據(jù)傳輸；
·永遠(yuǎn)在線，可以實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)；
·基站覆蓋范圍廣，漫游性能好，高速移動時仍然能傳數(shù)據(jù)；
·多種資費(fèi)可以選擇，價格合理；
·基于IP協(xié)議可以訪問整個Internet。
CDMA滿足列車高速運(yùn)動的特性
由于鐵路列車的不斷提速，在高速運(yùn)動中無線數(shù)據(jù)通道的可靠性變得非常重要。聯(lián)通CDMA使用頻分雙工FDD技術(shù)，上下行鏈路靠不同的頻率來區(qū)分，同時收發(fā)，因此FDD是連續(xù)控制的系統(tǒng)，根據(jù)國際電信聯(lián)盟要求，F(xiàn)DD系統(tǒng)移動速度可以達(dá)到500km/h?，F(xiàn)在新的TD-SCDMA使用了時分雙工TDD系統(tǒng)，TDD是時間分隔控制的系統(tǒng)，在高速移動時，多普勒效應(yīng)會導(dǎo)致很快衰落，移動速度只能達(dá)到250km/h，當(dāng)然頻率資源會節(jié)省一半。因此，聯(lián)通CDMA高速運(yùn)動中傳輸?shù)睦碚撝低耆軡M足現(xiàn)有列車時速的要求，通過實(shí)際測試，在列車200km/h的速度下依然能正常工作，更高速度的特性有待于進(jìn)一步現(xiàn)場測試。
多通道捆綁，突破帶寬瓶頸
雖然CDMA信道的傳輸速率理論值很高，但實(shí)際測試的結(jié)果卻遠(yuǎn)未達(dá)到，根據(jù)地區(qū)不同，一般只能穩(wěn)定在30?70kb/s，這樣的速率滿足不了監(jiān)控圖像的清晰傳輸，因此筆者提出了多信道捆綁的方法來解決，通過8個CDMA信道的捆綁使用，使信道理論帶寬達(dá)到240?560kb/s，完全滿足1路CIF圖像的實(shí)時傳輸，在D1的分辨率下也能傳輸3?5幀/秒。在傳輸圖像的同時能傳輸聲音，聲音的傳輸具有較高的優(yōu)先權(quán)，保證聲音實(shí)時到達(dá)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講實(shí)時指揮。
多信道捆綁帶來了新的問題，特別是隨著通道捆綁數(shù)的不斷增多，信道可靠性處理的復(fù)雜程度呈幾何級數(shù)上升，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)TCP/IP傳輸協(xié)議是建立在有線寬帶可靠的條件下，而CDMA無線卻是不可靠的窄帶，時延和丟包隨時會發(fā)生，筆者通過建立完整的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，數(shù)據(jù)包分拆調(diào)度策略，數(shù)據(jù)糾錯機(jī)制以及多通道高頻抗干擾方法來最大限度的整體提升信道有效帶寬。并且，圖像壓縮的數(shù)據(jù)流必須能有效控制，可根據(jù)帶寬速率的飄移隨時調(diào)整壓縮，生成和帶寬像適應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，最終完成數(shù)字視頻圖像的高質(zhì)量傳輸。
系統(tǒng)組網(wǎng)方案
移動終端采集到圖像數(shù)據(jù)信息后，要把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，前端CDMA 與監(jiān)控中心的連接總體上有兩種方案：CDMA + Internet連接；CDMA + 聯(lián)通內(nèi)網(wǎng)連接。
圖像數(shù)據(jù)采集
在聯(lián)通CDMA信號能夠覆蓋的任何地方，都可以通過移動終端把采集到的數(shù)據(jù)回傳中心。
公網(wǎng)接入
只要是一臺具有公網(wǎng)IP或者域名的服務(wù)器即可，啟動接收服務(wù)后，就等待各個監(jiān)控終端的連接，特點(diǎn)是費(fèi)用低，方便快捷，但是保密性相對差些。
聯(lián)通專線接入
專門的客戶名和密碼認(rèn)證，保密性好；由于通過專線接入，圖像數(shù)據(jù)無需再通過公網(wǎng)上傳和下發(fā)，因此，圖像還原后延時小。
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
移動終端部分
·視頻采集模塊：實(shí)現(xiàn)的功能是從普通的視頻攝像頭中捕捉瞬時的視頻信號，然后壓縮。該模塊支持不同的壓縮比和圖像大小，用戶可以根據(jù)需要選擇圖像格式和幀率。對圖像幀率、抓拍、抓幀功能等都有完整管理設(shè)置；
·無線數(shù)據(jù)傳輸模塊：視頻采集壓縮后就可以將壓縮好的視頻圖像文件傳送到中心：傳送的方式是通過8塊聯(lián)通的CDMA捆綁式模塊，將圖像分別拆包傳輸，同時，系統(tǒng)具有CDMA的PPP撥號過程，內(nèi)嵌實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議、支持動態(tài)IP；
·視頻圖像記錄模塊：移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)除了利用CDMA進(jìn)行圖像傳輸之外，也是一臺數(shù)字硬盤錄像機(jī)，具有硬盤錄像機(jī)的錄像、回放、控制、備份、自動存儲及刪除等一切功能。可將現(xiàn)場傳輸時不夠清晰的圖像記錄下來，回放時高清晰還原；
·云臺攝像機(jī)控制模塊系統(tǒng)對云臺的控制，攝像機(jī)的變焦，預(yù)置位及巡航，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮中心對前端的控制。
車站監(jiān)控中心部分
車站監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)移動視頻終端的數(shù)據(jù)接收、顯示、解壓上墻、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)等功能，同時可以對前端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制、遠(yuǎn)程喚醒。
·視頻接收模塊：接收遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)，解碼成可視圖像，并根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)和移動視頻終端協(xié)調(diào)成最佳工作模式，通過嵌入式的專門設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多達(dá)16路圖像數(shù)據(jù)的接收；
·視頻流媒體轉(zhuǎn)發(fā)模塊：由于無線傳輸帶寬有限不能同時向多個用戶發(fā)送圖像，在接收端必須做流媒體轉(zhuǎn)發(fā)，在同一個網(wǎng)絡(luò)中的其他用戶可以通過向視頻流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器請求獲得遠(yuǎn)程的無線圖像，實(shí)現(xiàn)圖像資源的共享；
·圖像編碼下行模塊：接收數(shù)字圖像數(shù)據(jù)或模擬圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，通過聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)下行到前端移動視頻終端，在移動視頻終端中可以選擇看到指揮中心的任意圖像，適合建立臨時指揮中心；
·數(shù)字矩陣模塊：接收的圖像數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分發(fā)，但如果需要進(jìn)入模擬監(jiān)視設(shè)備或模擬矩陣，圖像數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成模擬信號，數(shù)字矩陣物理上完成了數(shù)字轉(zhuǎn)模擬的過程，是大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的必要設(shè)備；
·GPS定位模塊：移動視頻終端配備了最新高靈敏度的GPS接收模塊，實(shí)時檢測自身的位置，通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通道上傳到車站監(jiān)控中心，車站監(jiān)控中心在實(shí)時看到前端圖像的同時顯示列車在地圖上的位置。
系統(tǒng)的安全性
圖像監(jiān)控本身非常重要，無線傳輸過程中的安全性變得非常關(guān)鍵，一個沒有安全保障的無線傳輸圖像不但不能起到加強(qiáng)安全監(jiān)控的作用，相反還帶來安全隱患，給車站造成損失。本系統(tǒng)在傳輸中采用多種加密方式和手段來保障數(shù)據(jù)和圖像安全。
·圖像數(shù)據(jù)的分拆多通道并行發(fā)送。每次壓縮完的圖像數(shù)據(jù)都被分拆成若干個包分別傳送，很難同時被截獲，即使被截獲也很難按順序拼接；
·圖像的關(guān)鍵幀使用IDEA加密。IDEA(International Data Encryption Algorithm) 使用長度為128bit的密鑰，數(shù)據(jù)塊大小為64bit。從理論上講，IDEA屬于強(qiáng)度非常大的加密算法，至今還沒有出現(xiàn)對該算法的有效攻擊算法；
·聯(lián)通專線的IP綁定。圖像數(shù)據(jù)在傳輸中，可以直接通過聯(lián)通的專網(wǎng)到用戶指揮中心而不必通過互聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)通提供IP綁定功能，可以把特定的UIM卡只能連接到指定的IP地址，杜絕了安全漏洞存在的可能；
·本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸會話協(xié)議具有隱蔽性，目前除了自帶接收端軟件可以解析網(wǎng)傳數(shù)據(jù)外并沒有公開的軟件能解析該網(wǎng)傳數(shù)據(jù)；
·用戶名密碼的認(rèn)證。移動視頻系統(tǒng)和指揮接收中心需提供用戶名密碼的認(rèn)證，未經(jīng)授權(quán)的用戶不能取得圖像和遠(yuǎn)程控制；
·指揮接收中心可以使用防火墻和網(wǎng)閘對聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，進(jìn)一步提高整個傳輸系統(tǒng)的安全性。
系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)闡述
·具備專利的CDMA無線多通道捆綁技術(shù)：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線通道的平衡調(diào)度和容錯使用，對無線窄帶下的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，對不可靠的無線連接中的數(shù)據(jù)高效糾錯重發(fā)，最大限度的利用了無線帶寬；
·多天線復(fù)用與信號放大：系統(tǒng)在使用多通道捆綁時，對每個無線模塊的天線實(shí)現(xiàn)了復(fù)用，合并復(fù)用后的無線高頻信號進(jìn)行功率匹配放大，使復(fù)用后的CDMA信號的靈敏度要高于復(fù)用以前的獨(dú)立通道信號；
·具備自主知識產(chǎn)權(quán)的編解碼算法：系統(tǒng)使用了最先進(jìn)的H.264視頻編碼算法，編解碼算法具備自主知識產(chǎn)權(quán)，在實(shí)際應(yīng)用上該音視頻編解碼算法不但可實(shí)現(xiàn)低碼流下高質(zhì)量的圖像，還可以和無線通道的捆綁有機(jī)結(jié)合起來，根據(jù)通道的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整編碼算法，使圖像更加清晰流暢；
·圖像上下行解決方案：通過同一臺移動終端設(shè)備完成圖像的上行和下傳，在終端也可以選擇觀看到指揮中心的圖像，一臺設(shè)備完成多個功能。
應(yīng)用前景
針對整個技術(shù)方案，筆者在K87列車進(jìn)行了視頻傳輸技術(shù)試驗(yàn)，在野外和高速時都取得了良好的試驗(yàn)效果。借用分布全國的中國聯(lián)通CDMA網(wǎng)絡(luò)，移動視頻終端及其整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在鐵路系統(tǒng)移動監(jiān)控中具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著3G網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)的逐步實(shí)施，必將完善和提高鐵路列車的監(jiān)控能力，從“平安城市”擴(kuò)展到“平安鐵路”時代。
a&s傳媒是全球知名展覽公司法蘭克福展覽集團(tuán)旗下的專業(yè)媒體平臺，自1994年品牌成立以來，一直專注于安全&自動化產(chǎn)業(yè)前沿產(chǎn)品、技術(shù)及市場趨勢的專業(yè)媒體傳播和品牌服務(wù)。從安全管理到產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，a&s傳媒擁有首屈一指的國際行業(yè)展覽會資源以及豐富的媒體經(jīng)驗(yàn)，提供媒體、活動、展會等整合營銷服務(wù)。
粵公網(wǎng)安備 44030402000264號
