視頻監(jiān)控作為一項成熟的技術手段，在鐵路安防領域得到了廣泛的應用。但是如何對移動的列車進行監(jiān)控和移動的列車如何與車站管理中心實現(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)濟的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)人員流動日益頻繁，鐵路負載大，是一個非常重要的交通運輸工具，是整個國家的經(jīng)濟大動脈。鐵路列車是人流非常集中的公共場合，空間狹小，人員復雜，治安形勢日趨嚴峻，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，還應該運用高科技的技術手段和先進的裝備，對整個列車的內外環(huán)境進行監(jiān)控。視頻監(jiān)控作為成熟的技術手段，在平安城市中得到大量應用，效果顯著，在鐵路列車中應用也將發(fā)揮重要作用。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅能應用在列車安防領域，也可以應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
列車監(jiān)控效果雖然明顯，但實施中有一些技術瓶頸需要克服，這也是目前列車監(jiān)控沒有廣泛應用的重要原因。
列車的車廂并不固定，會隨運力的調整不斷重新編組，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)境上應用需投資大量基站，費用大且維護不便。利用無線公網(wǎng)的數(shù)據(jù)通道是目前比較經(jīng)濟和現(xiàn)實的視頻傳輸途徑。
相對于衛(wèi)星、微波等技術，CDMA是一種成本合理、技術門檻相對較低的無線數(shù)據(jù)傳輸技術，使監(jiān)控系統(tǒng)中從列車上到遠程監(jiān)控指揮中心的實時圖像數(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)應用不需要另外再架設天線或者購置其他昂貴的輔助設施。只是利用現(xiàn)成的聯(lián)通C網(wǎng)來完成圖像傳輸，實現(xiàn)在任何地方都能較好的傳輸圖像的實戰(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的無線擴頻通信技術。
目前國內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)務的需求。
CDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點在于:
·傳輸速率高，最高理論帶寬可達到230.4kb/s，實測是目前公網(wǎng)傳輸中實測最高的,適合圖像數(shù)據(jù)傳輸；
·永遠在線，可以實時傳輸數(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滿足列車高速運動的特性
由于鐵路列車的不斷提速，在高速運動中無線數(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，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，多普勒效應會導致很快衰落，移動速度只能達到250km/h，當然頻率資源會節(jié)省一半。因此，聯(lián)通CDMA高速運動中傳輸?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，但實際測試的結果卻遠未達到，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，使信道理論帶寬達到240?560kb/s，完全滿足1路CIF圖像的實時傳輸，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，保證聲音實時到達，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程對講實時指揮。
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雜程度呈幾何級數(shù)上升，現(xiàn)有的網(wǎng)絡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)絡優(yōu)化模型，數(shù)據(jù)包分拆調度策略，數(shù)據(jù)糾錯機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整壓縮，生成和帶寬像適應的圖像數(shù)據(jù)，最終完成數(shù)字視頻圖像的高質量傳輸。
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或者域名的服務器即可，啟動接收服務后，就等待各個監(jiān)控終端的連接，特點是費用低，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)拓撲結構
系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。
系統(tǒng)實現(xiàn)
移動終端部分
·視頻采集模塊：實現(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，內嵌實現(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進行圖像傳輸之外，也是一臺數(shù)字硬盤錄像機，具有硬盤錄像機的錄像、回放、控制、備份、自動存儲及刪除等一切功能?？蓪F(xiàn)場傳輸時不夠清晰的圖像記錄下來，回放時高清晰還原；
·云臺攝像機控制模塊系統(tǒng)對云臺的控制，攝像機的變焦，預置位及巡航，可實現(xiàn)遠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、流媒體轉發(fā)等功能，同時可以對前端設備進行參數(shù)設置、控制、遠程喚醒。
·視頻接收模塊：接收遠程無線數(shù)據(jù)，解碼成可視圖像，并根據(jù)無線網(wǎng)絡工作狀態(tài)和移動視頻終端協(xié)調成最佳工作模式，通過嵌入式的專門設備可實現(xiàn)多達16路圖像數(shù)據(jù)的接收；
·視頻流媒體轉發(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發(fā)，在同一個網(wǎng)絡中的其他用戶可以通過向視頻流媒體轉發(fā)服務器請求獲得遠程的無線圖像，實現(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)進行壓縮編碼，通過聯(lián)通的網(wǎng)絡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)絡進行分發(fā)，但如果需要進入模擬監(jiān)視設備或模擬矩陣，圖像數(shù)據(jù)必須轉換成模擬信號，數(shù)字矩陣物理上完成了數(shù)字轉模擬的過程，是大型監(jiān)控網(wǎng)絡中的必要設備；
·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，實時檢測自身的位置，通過CDMA無線網(wǎng)絡通道上傳到車站監(jiān)控中心，車站監(jiān)控中心在實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鍵，一個沒有安全保障的無線傳輸圖像不但不能起到加強安全監(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證，未經(jīng)授權的用戶不能取得圖像和遠程控制；
·指揮接收中心可以使用防火墻和網(wǎng)閘對聯(lián)通的網(wǎng)絡進行隔離，進一步提高整個傳輸系統(tǒng)的安全性。
系統(tǒng)關鍵技術闡述
·具備專利的CDMA無線多通道捆綁技術：系統(tǒng)實現(xiàn)了無線通道的平衡調度和容錯使用，對無線窄帶下的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議進行優(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現(xiàn)了復用，合并復用后的無線高頻信號進行功率匹配放大，使復用后的CDMA信號的靈敏度要高于復用以前的獨立通道信號；
·具備自主知識產(chǎn)權的編解碼算法：系統(tǒng)使用了最先進的H.264視頻編碼算法，編解碼算法具備自主知識產(chǎn)權，在實際應用上該音視頻編解碼算法不但可實現(xiàn)低碼流下高質量的圖像，還可以和無線通道的捆綁有機結合起來，根據(jù)通道的狀態(tài)動態(tài)調整編碼算法，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，一臺設備完成多個功能。
應用前景
針對整個技術方案，筆者在K87列車進行了視頻傳輸技術試驗，在野外和高速時都取得了良好的試驗效果。借用分布全國的中國聯(lián)通CDMA網(wǎng)絡，移動視頻終端及其整個監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)，在鐵路系統(tǒng)移動監(jiān)控中具有廣闊的應用前景，隨著3G網(wǎng)絡等先進技術的逐步實施，必將完善和提高鐵路列車的監(jiān)控能力，從“平安城市”擴展到“平安鐵路”時代。
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