鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)

王成亮，葛暉

（中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

2016年，原中國鐵路總公司（簡稱總公司）發(fā)布鐵總建設(shè)〔2016〕18號文[1]，對設(shè)計時速200 km及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置提出了明確標(biāo)準(zhǔn)，文件明確要求“單側(cè)線路監(jiān)視范圍不應(yīng)小于1.5 km”。中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司認(rèn)真貫徹落實總公司關(guān)于毫不松懈抓好運(yùn)輸安全的工作部署，積極響應(yīng)關(guān)于加強(qiáng)鐵路綜合視頻智能識別應(yīng)用技術(shù)研究的部署，組織相關(guān)部門成立“鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)設(shè)備”課題組，聚焦“行人非法上道、沿線非法施工損壞鐵路設(shè)備設(shè)施、上跨橋及公鐵并行區(qū)段機(jī)動車肇事侵入線路”等長期影響鐵路運(yùn)輸安全的問題，聯(lián)合相關(guān)科技開發(fā)公司，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，攻克多項技術(shù)難題，歷時2年成功研發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)算法的鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用視頻識別和深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，自動發(fā)現(xiàn)影響鐵路安全的危險目標(biāo)，實現(xiàn)無人值守條件下的目標(biāo)識別和預(yù)警功能，能夠有效應(yīng)對鐵路沿線的安全威脅。

1 現(xiàn)狀分析

截至2018年底，我國高鐵營業(yè)里程超過2.9萬km，伴隨著鐵路的迅猛發(fā)展，鐵路周界安全防范成為重點(diǎn)關(guān)注的課題。《高速鐵路反恐怖行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[2]把高鐵運(yùn)行系統(tǒng)作為防護(hù)目標(biāo)，明確需要運(yùn)用智能化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)與周界入侵報警系統(tǒng)，而且系統(tǒng)應(yīng)具備“晝夜監(jiān)視、高清、全覆蓋、系統(tǒng)聯(lián)動、異物侵限監(jiān)控、智能識別與分析、有效發(fā)現(xiàn)、驅(qū)趕、防止人為破壞和攀爬翻越入侵”等功能。目前鐵路周界安全防范技術(shù)主要是利用傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)，對非法侵入周界的行為進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)有人、動物攀爬或穿越預(yù)定的防區(qū)時，設(shè)備產(chǎn)生報警信息。目前大多數(shù)周界防范手段都是非可視化防范，如物理阻攔、振動光纖、脈沖電子圍欄、光波對射等[3]?？偣居?015年發(fā)布《高速鐵路周界入侵報警系統(tǒng)總體技術(shù)方案》[4]，對上述防范技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用說明，但這些防范技術(shù)在應(yīng)用后由于誤報率高，無法適應(yīng)鐵路沿線、重點(diǎn)區(qū)域安全保障工作的需要。因此開發(fā)一款誤報率低、適應(yīng)能力強(qiáng)的鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)勢在必行。

2 總體方案與主要組成

基于視頻深度學(xué)習(xí)的鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)是鐵路周界防范最直接、最有效、最可信的方式，具有全天候、無人值守、低誤報率等獨(dú)特優(yōu)勢。系統(tǒng)在滿足日常視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，通過在視頻畫面上設(shè)置需要重點(diǎn)監(jiān)控的周界入侵檢測區(qū)域，可實現(xiàn)單側(cè)線路1.5 km周界入侵檢測功能。系統(tǒng)采用激光攝像機(jī)與紅外熱成像攝像機(jī)實現(xiàn)白天和夜晚的連續(xù)監(jiān)控；采用激光攝像機(jī)與紅外熱成像攝像機(jī)高精度聯(lián)動方式，實現(xiàn)區(qū)間線路、咽喉等監(jiān)控的全覆蓋；采用前置目標(biāo)智能識別與檢測技術(shù)，實現(xiàn)人員入侵、火警等異常情況的智能自動識別，有效克服了人員巡邏帶來的巡視空隙缺點(diǎn)，與其他非可視化防護(hù)存在的高誤報率、低可靠性等問題相比，有效提高了防護(hù)準(zhǔn)確率和實效性[5]。

系統(tǒng)主要由3部分組成：前端視頻采集系統(tǒng)、前置視頻分析報警系統(tǒng)、后端綜合管理平臺（見圖1）。

2.1 前端視頻采集系統(tǒng)

前端視頻采集系統(tǒng)主要包括：激光攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)（可選配語音播放系統(tǒng)等）。

圖1 系統(tǒng)組成

前端視頻采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的“眼睛”，主要用于對防護(hù)監(jiān)控區(qū)域的全天候連續(xù)成像、視頻采集。前端視頻采集系統(tǒng)由3個用于目標(biāo)檢測的熱成像攝像機(jī)和2個高精度聯(lián)動激光攝像機(jī)組成（見圖2）。熱成像攝像機(jī)主要實現(xiàn)全天候、大場景目標(biāo)檢測、預(yù)警，激光攝像機(jī)實現(xiàn)熱成像攝像機(jī)報警后的細(xì)節(jié)觀察及二次確認(rèn)。

圖2 前端設(shè)備及監(jiān)控區(qū)間

2.2 前置視頻分析報警系統(tǒng)

前置視頻分析報警系統(tǒng)利用熱成像攝像機(jī)提供目標(biāo)位置，激光攝像機(jī)自動定位跟蹤目標(biāo)，并進(jìn)行二次判別。2種不同類型夜視攝像設(shè)備組合在一起，實現(xiàn)從大場景發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，到局部場景把目標(biāo)拉近放大、檢測、跟蹤、識別、報警等功能。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將前端視頻信號、報警信號以及各種其他數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析及聯(lián)動，從而實現(xiàn)目標(biāo)快速探測識別，保證系統(tǒng)報警信息的時效性[6]。

夜晚越界報警及云臺聯(lián)動視頻截圖見圖3。圖中展示了系統(tǒng)遠(yuǎn)距離夜間成像效果，具備人形目標(biāo)識別、越界報警及高清激光夜視聯(lián)動、細(xì)節(jié)放大等多種信息。

圖3 夜晚越界報警及云臺聯(lián)動視頻截圖

2.3 后端綜合管理平臺

后端綜合管理平臺是一套集成化、數(shù)字化、智能化的平臺，在一個平臺下即可實現(xiàn)多子系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與互聯(lián)互動，真正做到“一體化”管理。平臺通過Web服務(wù)，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的劃線布防、撤防、更改以及攝像頭配置等功能，提高了周界布防的靈活性，設(shè)定完成即可生效。

平臺自動將告警按重要告警、次要告警、一般告警3個級別進(jìn)行劃分，也可根據(jù)用戶需要設(shè)定告警的具體歸屬級別，實現(xiàn)對全路所有告警信息和告警視頻的訂閱、查詢，并對系統(tǒng)內(nèi)部視頻內(nèi)容分析告警信息進(jìn)行處理，在系統(tǒng)中自動存儲告警級別、類型、時間及內(nèi)容等相關(guān)信息。

用戶可通過客戶端配置相關(guān)信息，實現(xiàn)告警信息的短信、聲光、彈出圖像等方式提示。通過多畫面模式，瀏覽經(jīng)智能分析后的監(jiān)控視頻信號，也可選擇特定位置監(jiān)控進(jìn)行單畫面瀏覽，便于用戶實現(xiàn)對整體情況的全局監(jiān)控以及特定位置的重點(diǎn)監(jiān)控。同時，客戶端也可對傳送的告警信息進(jìn)行獨(dú)立解析，并在列表中顯示告警信息。用戶可點(diǎn)擊告警信息，查看視頻分析結(jié)果，并作出相應(yīng)處理?？蛻舳藭诒镜亟⑿⌒蛿?shù)據(jù)庫，保存最近3 d收到的告警信息，并提供本地信息檢索功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多光譜攝像機(jī)集群聯(lián)動技術(shù)

熱成像攝像機(jī)和激光攝像機(jī)聯(lián)動要求1 500 m處目標(biāo)定位誤差不超過3 m，使用多臺固定安裝的熱成像攝像機(jī)覆蓋完整的監(jiān)控范圍，檢測畫面中的所有可疑目標(biāo)。激光攝像機(jī)依據(jù)熱成像攝像機(jī)的檢測結(jié)果，觀測目標(biāo)細(xì)節(jié)信息并辨別確認(rèn)。熱成像攝像機(jī)得到的是可疑目標(biāo)在視頻畫面中的相對位置，而激光攝像機(jī)則需要目標(biāo)的實際空間位置才能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定位觀測。針對該問題，設(shè)計開發(fā)了熱成像攝像機(jī)與激光攝像機(jī)空間 位置匹配標(biāo)定解算算法，通過算法標(biāo)定解算[7]，可將目標(biāo)在熱成像視頻畫面中的相對位置準(zhǔn)確解算為激光攝像機(jī)的物理方位及鏡頭焦距參數(shù)，并利用激光攝像機(jī)的高精度伺服系統(tǒng)，準(zhǔn)確響應(yīng)解算參數(shù)，定位目標(biāo)并觀測目標(biāo)，對可疑目標(biāo)進(jìn)行識別確認(rèn)[8]。

空間位置匹配標(biāo)定解算算法主要采用以下技術(shù)：

（1）熱成像鏡頭畸變消除：為了保證空間位置標(biāo)定算法的精確性，使用棋盤格模板對熱成像攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，消除成像設(shè)備的光學(xué)畸變問題。

（2）空間位置對應(yīng)：利用仿射變換模型來代表它們之間的差異，通過選擇標(biāo)定點(diǎn)，計算仿射變換參數(shù)[9]，將熱成像攝像機(jī)的畫面點(diǎn)與激光攝像機(jī)的視場中心點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)，實現(xiàn)控制位置對應(yīng)。

由于采用多熱成像攝像機(jī)對應(yīng)多激光攝像機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)來保證監(jiān)控區(qū)域的全覆蓋，在實際使用中就存在同一時刻多臺熱成像攝像機(jī)控制單臺激光攝像機(jī)，或者激光攝像機(jī)在響應(yīng)某臺熱成像攝像機(jī)聯(lián)動消息過程中，另一臺熱成像攝像機(jī)的聯(lián)動消息到來等問題，最終造成消息沖突，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為解決復(fù)雜條件下的命令完整性及命令沖突等問題，設(shè)計聯(lián)動調(diào)度子系統(tǒng)，子系統(tǒng)消息隊列、信息優(yōu)先級排序及冗余信息過濾等保證聯(lián)動系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行指令，完成目標(biāo)識別確認(rèn)。單聯(lián)動工作流程見圖4，集群聯(lián)動工作流程見圖5。

圖4 單聯(lián)動工作流程

3.2 多光譜變焦系統(tǒng)全天候焦點(diǎn)快速匹配技術(shù)

根據(jù)需要監(jiān)測目標(biāo)的距離，變焦后需要重新聚焦，一般采取手動聚焦或自動聚焦方式。手動聚焦需要人工干預(yù)，效率低下且需要人員值守。自動聚焦雖無需人員干預(yù)，但其自動聚焦過程存在由模糊至清晰的反復(fù)過程，時間一般為3 s左右，該過程對目標(biāo)的識別會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，會導(dǎo)致快速移動目標(biāo)的丟失。高清可見光成像系統(tǒng)、高清紅外變焦成像系統(tǒng)均存在該問題。系統(tǒng)運(yùn)用光學(xué)無熱化、智能焦點(diǎn)快速匹配、精密聚焦定位光機(jī)電結(jié)合技術(shù)，通過大量模型建立與分析，實現(xiàn)多光譜變焦系統(tǒng)全天候焦點(diǎn)快速匹配，在不同時刻、不同距離、不同照度、不同溫度等條件下，均可直接定位至清晰點(diǎn)，焦點(diǎn)位置匹配快速、精準(zhǔn)。

通過使用被動無熱化設(shè)計方法和變焦距設(shè)計方法，使鏡頭透鏡材料的熱特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)件熱特性得到合理匹配，溫度變化時，它們之間的作用總是相互抵消，像面的位置能夠一直保持在常溫時的位置。因此可在-40～60 ℃溫度范圍內(nèi)、在全焦距段連續(xù)變焦時，均可得到良好的像質(zhì)。

焦點(diǎn)快速匹配技術(shù)要求聚焦定位機(jī)械傳動位置精準(zhǔn)，在此采用帶位置精準(zhǔn)反饋的光電編碼器直流減速電機(jī)，編碼器傳動位置反饋精度為0.005 mm，精密傳動絲杠與電機(jī)軸為一體化設(shè)計，保證了焦點(diǎn)位置精準(zhǔn)定位、快速響應(yīng)，光學(xué)系統(tǒng)全天候焦點(diǎn)匹配時間≤1 s。

圖5 集群聯(lián)動工作流程

3.3 背景無關(guān)嵌入式高清視頻目標(biāo)實時識別技術(shù)

基于深度學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)識別技術(shù)不受視頻畫面背景變化影響，識別明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的背景建模方法，具有很好的抗干擾能力[10]。

深度學(xué)習(xí)概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，算法通過學(xué)習(xí)一種深層非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依據(jù)目標(biāo)自身特征做識別計算，通過組合低層特征形成更加抽象的高層，從而表示屬性類別或特征，實現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)逼近，具有強(qiáng)大的從少數(shù)樣本集中學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集本質(zhì)特征的能力，因此系統(tǒng)具有良好的性能指標(biāo)。系統(tǒng)實際應(yīng)用時漏報率與誤報率測試結(jié)果見表1，系統(tǒng)時延測試結(jié)果見表2。

表1 系統(tǒng)實際應(yīng)用時漏報率與誤報率測試結(jié)果

表2 系統(tǒng)時延測試結(jié)果

4 結(jié)束語

鐵路安全視頻監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)自2017年初在京滬高鐵德濟(jì)25號塔上安裝，在實際場景下對1.5 km范圍內(nèi)開展全天候、全區(qū)間的自動目標(biāo)檢測、跟蹤、識別、報警等方面的現(xiàn)場試用。試用結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效改善原有監(jiān)控設(shè)備夜間監(jiān)視能力不足的問題；通過熱成像圖像智能檢測、激光攝像機(jī)高精度實時聯(lián)動跟蹤識別，在1.5 km范圍內(nèi)進(jìn)行無盲區(qū)晝夜監(jiān)控，對高溫、霧霾、雨雪等不良天氣適應(yīng)性較強(qiáng)；基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法，開發(fā)前置目標(biāo)智能識別軟件，對鐵路現(xiàn)場中的人形、火源等目標(biāo)進(jìn)行智能高準(zhǔn)確率識別和預(yù)警，實現(xiàn)對鐵路監(jiān)控區(qū)域報警目標(biāo)快速定位和主動防御。該系統(tǒng)的功能亮點(diǎn)為：智能化程度高、識別目標(biāo)及時精準(zhǔn)、全天候，且對外部自然環(huán)境自適應(yīng)、成像效果好、系統(tǒng)技術(shù)設(shè)備表現(xiàn)穩(wěn)定可靠?？傊?，該系統(tǒng)技術(shù)及其設(shè)備、資源供應(yīng)條件比較成熟，在鐵路周界安全防范中具有推廣應(yīng)用價值。