付革民，王繼柱

（1.國能包神鐵路集團有限責任公司 機務分公司，陜西 榆林 719316；2.國能包神鐵路集團有限責任公司 神朔鐵路公司，山西 朔州 036002)

根據(jù)《鐵路機車操作規(guī)則》中機車乘務員確認呼喚標準，要求機車乘務員在行車過程中進行信號確認時，必須使用一套規(guī)范的手勢，以此來提高機車運行安全性。但在實際行車中，既有的機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在部分問題：從技術角度來看，既有系統(tǒng)無法對乘務員的動作行為進行實時監(jiān)控，從而缺乏對機車乘務員規(guī)范行為操作的有效監(jiān)督，導致很多乘務員并未按照機車操作規(guī)范標準行車；從管理角度來看，其無法實現(xiàn)添乘監(jiān)督全覆蓋。在鐵路運輸中，機車乘務員的操作行為是否規(guī)范標準，對行車安全至關重要，因此，亟需對鐵路機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，利用技術手段實現(xiàn)視頻智能動態(tài)監(jiān)控和自動分析[1]，提升監(jiān)控設備的覆蓋范圍和智能化水平，減少機車運行中存在的行車安全隱患，確保提高鐵路行車安全。

1 機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

1.1 既有系統(tǒng)存在問題

（1）視頻數(shù)據(jù)結(jié)構存在異狀。目前現(xiàn)場運用的鐵路機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)頗多，廠家各異，造成視頻系統(tǒng)功能、性能、清晰度以及軟硬件兼容性等相關標準參數(shù)未能統(tǒng)一，主要存在視頻類型多樣、格式不一，轉(zhuǎn)儲、調(diào)閱軟件多樣，數(shù)據(jù)缺失[2]等問題。

（2）視頻場景較為單一。既有機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能受制于當時視頻系統(tǒng)等技術水平，只對作業(yè)過程、機車信息以及機車環(huán)境等方面進行重點設計，功能較為片面、單一，兼容性較差。

（3）視頻分析方法受限。既有機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)類型較多，導致各類機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)難以進行數(shù)據(jù)匹配，無法綜合聯(lián)動，對現(xiàn)場關鍵場所、地段、作業(yè)環(huán)節(jié)、重點操作行為等覆蓋率不足，同時缺少大數(shù)據(jù)分析支撐，難以形成智能化系統(tǒng)分析功能。

（4）現(xiàn)場生產(chǎn)效率低下，綜合資源浪費多。既有機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的視頻信息量大，正常情況一臺車一天就能產(chǎn)生上百吉字節(jié)(GB)的視頻，導致視頻分析工作量非常巨大，需設置專崗專人轉(zhuǎn)儲列車運行監(jiān)控裝置(以下簡稱“LKJ”)監(jiān)控文件、視頻、音像等數(shù)據(jù)，分析行車違規(guī)行為，使得人力資源投入頗多，且耗時長，易出錯，勞動效率不高。

1.2 系統(tǒng)設計原則

基于既有機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在問題的分析，優(yōu)化設計的機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足機務系統(tǒng)管理現(xiàn)代化，在高速度、重載化、高密度運輸形勢下，能夠預測、預防、預控機車運行過程中乘務員行為規(guī)范和機車設備故障，機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)須遵循以下設計原則。

（1）合理性。根據(jù)既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)和優(yōu)化的機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)情況，符合各項功能應用要求，為系統(tǒng)迭代開發(fā)提供開放的軟硬件平臺，確保系統(tǒng)整體構架以及設備配置的合理性。

（2）先進性。隨著計算機、網(wǎng)絡通信、智能視頻技術的不斷發(fā)展，充分利用當今最前沿的成熟技術，預留以后融入新技術的可行性。

（3）實用性。滿足監(jiān)、控、存、查、管、用等基本功能需求，做到系統(tǒng)軟件平臺界面友好，使用方便；采用統(tǒng)一的標準和通信協(xié)議，方便與其他系統(tǒng)接口。

（4）可靠性[3]。系統(tǒng)軟硬件運行過程中防止各種不穩(wěn)定因素，確保系統(tǒng)的完整性和可恢復性。

（5）可擴展性。預留新技術發(fā)展驅(qū)動的各種新功能需求下，機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)具有擴展能力，在滿足當前視頻監(jiān)控需求的基礎上，可進行模塊化擴展；具有良好的兼容性和通用的軟硬件接口，系統(tǒng)軟硬件能夠平滑升級，網(wǎng)絡節(jié)點的增減對網(wǎng)絡性能不造成任何不良影響，可進行多次功能開發(fā)[4-5]。

1.3 系統(tǒng)設計目標

機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)是將機車圖像視頻結(jié)合機車實時運行信息數(shù)據(jù)，自動實時檢索、智能分析乘務員違規(guī)行為，如發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為時，可通過車載顯示終端向乘務員進行提示，同時通過網(wǎng)絡向地面系統(tǒng)傳輸報警信息，地面系統(tǒng)結(jié)合LKJ 監(jiān)控文件實現(xiàn)更加細致準確的行為分析，實現(xiàn)視頻智能檢查全覆蓋，智能分析無差異，達到提高乘務員規(guī)范性操作，保障行車安全的目的，其設計目標主要有以下幾點。

（1）地面視頻智能分析。機車智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)需對從機車轉(zhuǎn)儲下來的視頻文件，通過圖像識別技術和行為分析算法進行分析，結(jié)合乘務員行車操作規(guī)范和LKJ 監(jiān)控文件，完成對違規(guī)行為的快速檢索，自動生成報告文件。在機車轉(zhuǎn)儲下來的離線視頻分析基礎上，利用行為分析算法，將地面算法進行優(yōu)化并移植到車載視頻智能分析主機，結(jié)合機車實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)乘務員行為分析結(jié)果實時報警提示，向乘務員發(fā)出報警警告，同時通過智能機車視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)自帶的傳輸功能模塊，將分析結(jié)果及視頻片段上傳至地面服務器，實時通知地面管理人員。

（2）智能識別機車運行中乘務員的操作行為。機車智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)依托視頻攝像頭收集的大量數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)中充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能及云計算技術，通過計算機和數(shù)學推理的方法對機車動態(tài)運行過程中采集到的機車乘務員手勢、司機室人數(shù)、司機巡檢規(guī)范、運行中精神狀態(tài)、視頻質(zhì)量等問題進行自動識別評價，利用視頻智能監(jiān)控、人機交互、視頻編碼以及行為分析算法實時對乘務員不安全行為進行智能分析，并通過車載顯示終端報警，達到消除行車嚴重安全隱患的目的，為機務段提供機車乘務員操作隱患管理決策分析手段[6]。

2 機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)是集生產(chǎn)調(diào)度、人員設備預防監(jiān)控、設備大數(shù)據(jù)信息分析、突發(fā)情況下的應急指揮、應急處理于一體，形成一套智能化的基于圖像技術的自動分析系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻文件自動分析并生成分析報告，在滿足當前視頻監(jiān)控功能基礎上，實現(xiàn)乘務員值乘行為實時分析，系統(tǒng)需包容性強、擴展功能接口多，從而支撐上下貫通、左右銜接、信息共享、互為支撐的機務安全生產(chǎn)體系建設[7-8]。

2.1 總體架構

系統(tǒng)利用分布式系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集工具、數(shù)據(jù)傳輸工具、可視化工具等技術手段，實現(xiàn)視頻行為圖像智能分析，系統(tǒng)由地面視頻智能分析系統(tǒng)、車載智能設備2 部分組成，機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall architecture of intelligent video surveillance system of locomotive

（1）地面視頻智能分析系統(tǒng)。由地面視頻智能分析服務器、地面分析終端、5G 基站組成，其主要工作內(nèi)容分為機車運行和機車進入機務整備場2種情況。

當機車運行時，地面視頻智能分析服務器通過Internet 網(wǎng)絡連接機車設備的4G 網(wǎng)絡，并結(jié)合乘務員操縱規(guī)范，實時查看機車乘務員作業(yè)行為；車載智能分析主機通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)將違規(guī)視頻片段傳輸?shù)降孛嬉曨l智能分析服務器，安裝于值班室或安監(jiān)分析室的地面分析終端通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)獲取地面智能分析服務器的違規(guī)視頻片段、手動確認乘務員不安全違規(guī)信息、通過手機聯(lián)系乘務員告知其某時某分作業(yè)行為違規(guī)及時制止違規(guī)行為，防止違規(guī)行為重復發(fā)生。

當機車進入機務整備場時，地面視頻智能分析服務器通過地面安裝的5G 基站自動連接機車設備的5G 模塊，自動獲取機車運行中的LKJ 文件、機車專業(yè)專用文件及機車視頻文件；進行機車運行中乘務員作業(yè)行為信息邏輯處理、信息統(tǒng)計分析、緩存、存儲；自動對所有文件進行聯(lián)動分析，安裝于值班室或安監(jiān)分析室的地面分析終端通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)獲取地面智能分析服務器的分析數(shù)據(jù)，作業(yè)不安全行為違規(guī)視頻片段，根據(jù)權限的不同，可以查詢聯(lián)動分析結(jié)果、查詢歷史記錄、手動分析違規(guī)項點等，并通報至機務段安監(jiān)室，達到控制和減少乘務員違規(guī)作業(yè)的目的。

（2）車載智能設備。由車載視頻智能分析主機、數(shù)字高清攝像頭、車載顯示終端、4G 網(wǎng)絡和5G 模塊組成，其主要工作內(nèi)容分為機車運行和機車進入機務整備場2 種情況。

當機車運行時，數(shù)字高清攝像頭全程自動錄制機車運行中乘務員作業(yè)行為，通過機車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡發(fā)送到車載智能視頻分析主機、車載顯示終端；車載智能分析主機對乘務員作業(yè)行為信息進行邏輯處理、信息統(tǒng)計分析、緩存、存儲；并結(jié)合乘務員操縱規(guī)范，實時分析機車乘務員作業(yè)行為，自動截取違規(guī)作業(yè)的視頻片段，一方面?zhèn)魉椭涟惭b于司機室操作臺正上方的車載顯示終端，自動語音提示乘務員作業(yè)行為違規(guī)，防止事故進一步擴大；另一方面通過機車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡連接機車4G 網(wǎng)絡上傳至地面視頻智能分析服務器，并通過地面分析終端進行預警，并結(jié)合乘務員操縱規(guī)范，對違規(guī)視頻片段用紅色標記，供地面工作人員通過地面分析終端實時了解乘務員作業(yè)狀況，掌握機車乘務員違規(guī)憑據(jù)；機車運行時5G 模塊與5G 基站斷開網(wǎng)絡連接，暫停數(shù)據(jù)文件和信息的傳輸。

當機車進入機務整備場時，機車5G 模塊自動與地面5G 基站連通，將機車視頻文件、LKJ 文件、機車專業(yè)專用文件全部傳輸至地面視頻智能分析服務器，服務器自動對所有文件進行聯(lián)動分析，并自動生成行為分析報告，供地面分析人員通過地面終端分析、掌握乘務員不安全行為動態(tài)情況。

2.2 關鍵功能

（1）機車視頻離線分析自動化。機車視頻離線分析自動化主要是針對機車視頻監(jiān)控轉(zhuǎn)儲下來的視頻文件，通過轉(zhuǎn)儲到地面的視頻文件與LKJ 文件結(jié)合，結(jié)合乘務員操縱規(guī)范，以視頻智能分析服務器為硬件基礎，視頻AI 算法為核心，同步自動、加速分析，實現(xiàn)行車過程中乘務員行為分析并自動生成分析報告。

（2）乘務員行為實時分析。乘務員視頻實時分析是利用車載智能視頻分析主機，結(jié)合機車運行實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)乘務員在行車過程中行為實時分析，對違規(guī)行為通過車載顯示終端實時報警并通過機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)自帶的傳輸功能模塊上傳至地面存儲服務器。

（3）視頻存儲輕量化。視頻智能監(jiān)控主機采用全時段存儲模式，通過行為分析及行車安全項點為觸發(fā)條件，實現(xiàn)有問題、關鍵點視頻存儲，減輕視頻存儲量及下載量，為視頻無線轉(zhuǎn)儲提供技術基礎。

（4）行車安全分析數(shù)據(jù)化。機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)可全程記錄影音視頻動態(tài)，并設計LKJ 違章、視頻違章行為的聯(lián)動播放功能，當播放至違章行為畫面時，系統(tǒng)可自動懸浮違章相關信息，同時系統(tǒng)覆蓋LKJ 違章智能化分析盲區(qū)，結(jié)合已有行車安全項點分析，實現(xiàn)違章項點、安全因素與視頻自動聯(lián)動，多維度操縱數(shù)據(jù)，提升乘務員行為數(shù)據(jù)分析質(zhì)量。

3 結(jié)束語

機車視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、重載化、高密度運輸形勢下，預測預防預控機車運行過程中乘務員行為規(guī)范和機車設備故障，科學指導現(xiàn)場標準化作業(yè)，強化現(xiàn)場安全生產(chǎn)組織，實現(xiàn)對機車乘務員安全風險的預防管理控制，增強機務系統(tǒng)的調(diào)度指揮協(xié)調(diào)能力和現(xiàn)代化管理水平。下一步還可繼續(xù)探索實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動，多崗合一的系統(tǒng)功能設計，力求將該系統(tǒng)發(fā)展為能適應現(xiàn)代化鐵路的機務安全監(jiān)控系統(tǒng)，進一步為鐵路運輸安全生產(chǎn)保駕護航。