基于智能視頻分析的高速鐵路周界入侵探測技術(shù)淺析

王羽瑩　中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司電化電信院工程師

1　引言

隨著高速鐵路里程的增加，列車運營速度的提高，高速鐵路周界安全問題日益凸顯。由于高速鐵路沿線及相關(guān)設(shè)施的破壞活動時有發(fā)生，給高速鐵路運行安全帶來了嚴(yán)重的威脅及安全隱患。目前威脅高鐵運行安全的破壞行為主要包括違法進(jìn)入限界上線設(shè)障和針對重要設(shè)施的破壞行為。不法分子侵入限界的主要方式有：破壞金屬護(hù)網(wǎng)、砸斷水泥柵欄、強(qiáng)行攀爬護(hù)欄（含柵欄、應(yīng)急疏散通道、圍墻）、破壞排水鐵篦、破壞工作門、柵欄底部鉆入、站臺兩端侵入、攀爬橋梁鐵塔、線路高空拋物等。

傳統(tǒng)的防護(hù)方式大多為人力防范和實體防范，這兩種防范方式都存在一定的局限性和弊端，因此如何利用現(xiàn)有的資源加強(qiáng)技術(shù)防范，完善高速鐵路的技防措施，為高速鐵路反恐防暴提供更為有效的防控能力，保證行車和人民生命財產(chǎn)安全顯得尤為重要。

2　國內(nèi)已有的周界入侵報警探測技術(shù)概況

目前，國內(nèi)已有的周界入侵報警探測技術(shù)主要包括光波對射探測技術(shù)、脈沖電子圍欄探測技術(shù)、振動電纜探測技術(shù)、振動光纖探測技術(shù)、張力圍欄探測技術(shù)、多維三鑒振動探測、視頻智能分析探測技術(shù)等。上述各類探測技術(shù)的特點總結(jié)如表1所示。

上述各類周界入侵探測技術(shù)中，除智能視頻分析探測技術(shù)以外，其他探測技術(shù)均需要獨自構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由路局監(jiān)測平臺、監(jiān)控中心、現(xiàn)場設(shè)備三級架構(gòu)組成；智能視頻分析探測技術(shù)可利用已有的綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過視頻聯(lián)動，對入侵行為進(jìn)行確認(rèn)，通過對所采圖像進(jìn)行模式識別，對入侵行為進(jìn)行主動判斷、報警。目前隨著鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置和推廣的力度不斷加快，系統(tǒng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，鐵總建設(shè)【2016】18號文《中國鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計時速200公里及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的通知》中要求在高鐵沿線及相關(guān)重點區(qū)域加裝激光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)，以滿足高鐵周界全天候安防的要求。

因此針對大部分高速線路沿線均已安裝綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，充分利用已有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)成熟的架構(gòu)及設(shè)備，通過智能視頻分析探測技術(shù)、夜視技術(shù)、對關(guān)鍵部位的視頻采集點位補(bǔ)強(qiáng)等方式，實現(xiàn)對高鐵沿線的周界安全防護(hù)，相對于其他周界入侵監(jiān)測技術(shù)來說，是一種更為便捷及可靠的方案。

3　基于智能視頻分析的高速鐵路周界入侵探測技術(shù)

3.1　視頻監(jiān)控設(shè)備主要分類及比較

表1　周界入侵報警系統(tǒng)探測技術(shù)比較

近年來，隨著視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化、夜視化成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。目前視頻監(jiān)控設(shè)備主要有可見光攝像機(jī)、激光攝像機(jī)、紅外LED攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)、星光級攝像機(jī)等，其中可見光攝像機(jī)需在白天工作。激光攝像機(jī)、紅外LED攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)、星光級攝像機(jī)等均具備夜視功能，可實現(xiàn)夜間工作模式。

3.1.1　可見光攝像機(jī)

可見光攝像機(jī)利用環(huán)境光線進(jìn)行成像，是最早期、發(fā)展最為成熟的攝像機(jī)。其優(yōu)點是成本低，監(jiān)控距離長。其缺點是無法在無光線的環(huán)境下使用。

3.1.2　激光攝像機(jī)

激光攝像機(jī)采用激光作為輔助光源，在夜間光線較弱時自動開啟激光燈。其優(yōu)點是可在完全無光的環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控（最遠(yuǎn)可達(dá)3000～5000米），畫面清晰（分辨率可達(dá)百萬像素甚至幾百萬像素以上）。由于激光具有發(fā)光角度小、方向性好、亮度強(qiáng)等特點，因此激光攝像機(jī)可照射遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)發(fā)光角度來選擇最合適的光亮度，使目標(biāo)成像更為清楚。其缺點是受天氣影響較大，在霧霾等天氣下遠(yuǎn)距離照射過程中散射較為嚴(yán)重，目標(biāo)物不清晰，夜晚監(jiān)控的角度受限。

3.1.3　紅外LED攝像機(jī)

紅外LED攝像機(jī)采用紅外LED作為輔助光源，在夜間光線較弱時自動開啟紅外LED燈。其優(yōu)點是價格低，照明光斑均勻性好，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。其缺點是，監(jiān)控距離過短（一般在150米左右），并且由于設(shè)備的散熱問題，其使用壽命較低。

3.1.4　星光級攝像機(jī)

星光級攝像機(jī)可利用微弱環(huán)境光線進(jìn)行成像，是一種被動式夜視成像技術(shù)，由于其可滿足較高的隱蔽性要求，在軍事領(lǐng)域使用較多。其優(yōu)點是便于攜帶、使用方便靈活。其缺點是監(jiān)控距離較近（一般不超過300米），畫面不夠清晰，圖像噪點較大，易受光照條件影響，在一些惡劣環(huán)境下成像不清晰，且無法在完全無光的環(huán)境中使用。目前造價較高。

3.1.5　熱成像攝像機(jī)

熱成像攝像機(jī)通過感知物體所釋放的紅外熱輻射能量進(jìn)行成像，也是一種被動式夜視成像技術(shù)。其優(yōu)點是受天氣環(huán)境影響小，監(jiān)控距離可以很遠(yuǎn)（從幾百米到幾十公里），隱蔽性高、無需任何光源、抗眩光、功耗低。其缺點是由于成像原理導(dǎo)致的畫面分辨率過低，從而無法識別到清晰圖像，只能監(jiān)控到物體的輪廓，成本較高。

上述5種視頻監(jiān)控設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)及特點如表2所示。

3.2　智能視頻分析技術(shù)

目前，視頻監(jiān)控作為保障鐵路安全的重要方式之一，得到了廣泛的應(yīng)用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展，監(jiān)控點位的日益增多，使得視頻監(jiān)控畫面的海量信息已經(jīng)超過了人力有效處理的范圍，長時間的人工監(jiān)視會使人變得疲倦，容易產(chǎn)生疏漏。因此，通過對監(jiān)控圖像序列進(jìn)行處理和分析，識別物體入侵的行為，對有潛在危險的行為進(jìn)行報警勢在必行。

智能視頻分析類型主要分為前端分析和后端分析兩種。

表2　視頻監(jiān)控設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)及特點

3.2.1　前端視頻分析

前端視頻分析技術(shù)是指通過嵌入到攝像機(jī)或編碼器中的視頻分析模塊完成核心算法的運行和相關(guān)計算，實現(xiàn)對視頻內(nèi)容分析，從而完成目標(biāo)跟蹤、行為判斷、報警觸發(fā)。當(dāng)有違反規(guī)則的事件發(fā)生時，將報警信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。前端視頻分析技術(shù)的優(yōu)點是響應(yīng)時間較快，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和后臺服務(wù)器資源的占用較小。其缺點是前端設(shè)備配置不高，模式識別能力有限，誤報率較高。另外其軟件固化在設(shè)備中，不便于更新升級。

3.2.2　后端視頻分析

后端視頻分析技術(shù)是指在視頻接入節(jié)點的服務(wù)器或計算機(jī)上通過安裝視頻分析軟件，實現(xiàn)對接收到的視頻內(nèi)容進(jìn)行分析從而觸發(fā)報警的技術(shù)。后端視頻分析技術(shù)的優(yōu)點是系統(tǒng)配置靈活，可對指定攝像機(jī)采集的視頻圖像進(jìn)行分析。其缺點是分析算法全部由后臺服務(wù)器完成，因此對后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力要求較高，另外大量的圖像信號會占用較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，且系統(tǒng)時延性較大。

結(jié)合鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及架構(gòu)，考慮到基于后端視頻分析技術(shù)在系統(tǒng)后臺配置、帶寬、實時性等方面存在的問題，目前，基于前端視頻分析技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路領(lǐng)域顯得更為可行，也可適當(dāng)結(jié)合后端分析技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點級進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

4　基于智能視頻分析的高速鐵路周界入侵探測技術(shù)實施方案

4.1　視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及周界入侵報警需求分析

目前，我國大部分高速鐵路均設(shè)置有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有綜合視頻監(jiān)控技術(shù)用于高速鐵路周界入侵報警時仍存在諸多問題。例如，可見光攝像機(jī)在夜間無法實現(xiàn)監(jiān)控功能，在白天采用模式識別進(jìn)行入侵行為檢測時易受光照、樹枝等環(huán)境影響；激光攝像機(jī)其監(jiān)控距離較遠(yuǎn)，晝夜均可使用，通常用來巡視（夜間圖像為光斑），但其不能主動發(fā)現(xiàn)入侵目標(biāo)；紅外LED攝像機(jī)模式識別的有效監(jiān)控距離較短，夜間的有效監(jiān)控距離進(jìn)一步縮短，誤報率較高，易受光影變化、蚊蟲、雨雪等影響；熱成像攝像機(jī)可視范圍較大，不易受環(huán)境干擾，可主動發(fā)現(xiàn)入侵目標(biāo)，但其無法識別入侵目標(biāo)的細(xì)部特征。

然而在物防、人防的基礎(chǔ)上，還需要一種技術(shù)手段實現(xiàn)對非法破壞或穿越鐵路護(hù)欄、在軌道上放置異物等危險或惡意行為的多方位、全天候監(jiān)測。顯然單純的應(yīng)用一種視頻監(jiān)控手段很難實現(xiàn)這種目標(biāo)。

4.2　基于智能視頻分析的高速鐵路周界入侵探測技術(shù)實施方案

因此，針對上述這些問題，本文提出了一種采用多種監(jiān)控手段相結(jié)合的方法。即采用熱成像攝像機(jī)與紅外LED攝像機(jī)、激光攝像機(jī)進(jìn)行聯(lián)動，由熱成像攝像機(jī)主動發(fā)現(xiàn)入侵目標(biāo)，紅外LED攝像機(jī)或激光攝像機(jī)捕捉入侵目標(biāo)細(xì)部特征的方案，實現(xiàn)對高速鐵路沿線的實時防護(hù)。

本方案充分利用鐵路兩側(cè)已有的通信鐵塔，通過增加視頻桿補(bǔ)強(qiáng)的方式，實現(xiàn)通信鐵塔左右兩側(cè)各1500米區(qū)域范圍內(nèi)的入侵監(jiān)測。具體部署方案如下：在通信鐵塔上左右兩側(cè)分別設(shè)置1臺熱成像攝像機(jī)、1臺激光攝像機(jī)和1臺紅外LED攝像機(jī)（球機(jī)）；其中，熱成像攝像機(jī)負(fù)責(zé)通信鐵塔一側(cè)區(qū)域375米直線距離內(nèi)的入侵行為監(jiān)測，激光攝像機(jī)負(fù)責(zé)該區(qū)域范圍內(nèi)的確認(rèn)復(fù)核，紅外LED攝像機(jī)（球機(jī)）負(fù)責(zé)通信鐵塔下的盲區(qū)監(jiān)控；當(dāng)超過375米的監(jiān)測區(qū)域時，在距離通信鐵塔左右約750米處分別增加視頻桿，并在視頻桿上左右兩側(cè)分別設(shè)置1臺熱成像攝像機(jī)、1臺激光攝像機(jī)和1臺紅外LED攝像機(jī)（球機(jī)），通過這種方式實現(xiàn)整個1500米區(qū)域范圍內(nèi)的監(jiān)測。

視頻監(jiān)控設(shè)備安裝方式如圖1所示，部署方案如圖2所示。

圖1　視頻監(jiān)控設(shè)備安裝示意圖

5　結(jié)束語

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，反恐形勢的日益嚴(yán)峻，鐵路總公司提出要通過加強(qiáng)人力防范、實體防范、技術(shù)防范，以維護(hù)鐵路安全。結(jié)合目前規(guī)模日漸完善及擴(kuò)大的鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過智能視頻分析技術(shù)，構(gòu)建一個全方位、智能化的高速鐵路沿線周界入侵報警系統(tǒng)，可大大提升高速鐵路沿線的安全防護(hù)等級，保證人民及財產(chǎn)的安全。

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圖2　方案部署示意圖

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