趙一穎，姜志威

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 概述

鐵路作為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和大眾化的交通工具，在現(xiàn)代運輸體系中發(fā)揮著重要的作用。鐵路旅客車站，特別是大型鐵路客運樞紐站，通常位于城市人口集散的主要區(qū)域，對客流的安全集散擔(dān)負(fù)著重要的社會責(zé)任[1]。在鐵路旅客車站內(nèi)，候車區(qū)、樓扶梯、進/出站通道等處承載了大量的旅客客流流動，因此，車站管理面臨客流密度高、運營管理難度大、運輸組織復(fù)雜等諸多難題。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為維護和保證運輸安全的重要手段，無論在日常運營管理，還是應(yīng)急現(xiàn)場指揮中，均發(fā)揮著不可替代的作用。

隨著視頻監(jiān)控設(shè)備高清化、多樣化的發(fā)展，鐵路旅客車站視頻監(jiān)控前端設(shè)備也存在著選型標(biāo)準(zhǔn)各異、布點方式五花八門、覆蓋效果參差不齊的問題。在此背景下，本文首先分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，其次，分析對比半球、球機和槍機3 種類型的攝像機。再結(jié)合點狀、線形和矩形3 種典型場景，提出不同的布點方式建議，以滿足覆蓋要求，避免監(jiān)控盲區(qū)。最后，簡要分析并展望智能視頻分析新技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用。

2 視頻監(jiān)控前端設(shè)備的選型

攝像機是鐵路旅客車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備，主要由成像鏡頭、CMOS/CCD 傳感器等設(shè)備組成。以CMOS/CCD 傳感器為核心元器件，對現(xiàn)場畫面進行實時采集，在同步的視頻信號產(chǎn)生電流回路后，通過視頻信號處理芯片進行圖像處理和生成[2]。

鏡頭由光學(xué)鏡片組構(gòu)成，研究中可等效近似為一片凸透鏡，主要參數(shù)包括焦距和光圈。其中，焦距決定物體在傳感器上成像的大小，光圈控制了鏡頭的景深、通光量。由于攝像機通常都具備自動對焦和自動調(diào)節(jié)光圈的功能，因此只需要根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，研究物體成像大小與鏡頭等效焦距之間的關(guān)系即可，如圖1 所示。

圖1 成像原理示意Fig.1 Schematic diagram of imaging principle

根據(jù)高斯成像原理，可得公式（1）：

公式（1）中：H：目標(biāo)垂直方向尺寸。

S：目標(biāo)與鏡頭之間距離。

f：鏡頭焦距。

h：目標(biāo)在傳感器靶面上所成像的垂直方向尺寸。

變換后，可得公式（2）：

如公式（2）所示，可以計算出清晰可分辨的目標(biāo)圖像，攝像機與目標(biāo)圖像之間的最大距離。下面以1 920×1 080、200 萬像素、靶面大小約為1/2.8 英 寸、像 素 點 尺 寸 為2.4 μm×3.2 μm 的攝像機為例進行計算，參考約翰遜準(zhǔn)則中的條紋線對數(shù)概念，若達(dá)到區(qū)分目標(biāo)特征的標(biāo)準(zhǔn)，像素高度最少為16，則靶面成像的垂直尺寸h最小為0.051 2 mm。若目標(biāo)垂直高度H為1.6 m（一般人體身高），目標(biāo)與鏡頭距離S為40 m（一般車站候車廳寬度），可得鏡頭焦距f為1.28 mm。即鏡頭焦距為1.28 mm 的1 080 P 攝像機，最大覆蓋距離是40 m，隨著鏡頭焦距增加，覆蓋距離也會增加。

目前，鐵路旅客車站主要采用半球型攝像機、球型攝像機和槍型攝像機（固定焦距）等3 種類型的攝像機。根據(jù)《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 575-2017）的規(guī)定，下面針對3 種類型攝像機在分辨率、信噪比、寬動態(tài)、最低照度、紅外等方面進行分析比較，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 攝像機技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of camera technical indicators

綜上所述，3 種攝像機各有特點和適用范圍，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控區(qū)域?qū)嶋H情況選擇最適合的攝像機類型。半球攝像機由于受外形體積制約，不可轉(zhuǎn)動，監(jiān)控覆蓋能力有限，并且需要結(jié)合吊頂?shù)冉ㄖO(shè)施安裝，適用于小范圍監(jiān)控，如人工售票服務(wù)區(qū)的工位。球型攝像機自帶云臺裝置，可轉(zhuǎn)動，具有監(jiān)控視角靈活可變的優(yōu)勢，適用于客流密集區(qū)域的定點調(diào)看，不適用于固定場景的連續(xù)監(jiān)控。槍型攝像機具有安裝方式靈活、鏡頭類型多樣等特點，適用于大范圍監(jiān)控，如售票廳、檢票口、候車廳、樓扶梯、站臺等諸多場景，是鐵路旅客車站視頻監(jiān)控攝像機的主要選型對象。

3 典型場景的視頻監(jiān)控前端設(shè)備布點方式

目前，不同監(jiān)控區(qū)域視頻監(jiān)控前端設(shè)備布點主要依據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014）、《鐵路客運服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（TB 10074-2016）和《鐵路客運服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（Q/CR 9140-2018）。各設(shè)計規(guī)范布點原則相同，但視頻監(jiān)控前端采集設(shè)備設(shè)置要求存在差異。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014），在鐵路旅客車站進/出站集散廳、候車區(qū)、安檢區(qū)、售票區(qū)、站臺、站前廣場等處設(shè)置攝像頭[3]。

根據(jù)《鐵路客運服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（TB 10074-2016），在鐵路旅客車站站前廣場、售票廳、售票室、候車區(qū)、進/出站集散廳、站臺等人員密集的區(qū)域設(shè)置前端采集設(shè)備，對車站的客運服務(wù)作業(yè)以及自動檢票機、自動售票機、樓扶梯、垂直電梯、地道、站臺等設(shè)施進行監(jiān)視。根據(jù)設(shè)置地點的不同，選擇高清晰度變焦攝像機或高清晰度定焦攝像機[4]。

根據(jù)《鐵路客運服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（Q/CR 9140-2018），鐵路旅客車站售補票區(qū)域、進站區(qū)、候車區(qū)域等不同監(jiān)控區(qū)域視頻監(jiān)控前端設(shè)備布點方式要求，如表2 所示[5]。

表2 不同監(jiān)控區(qū)域視頻監(jiān)控設(shè)備布點要求Tab.2 Layout requirements for video monitoring devices in diff erent monitoring areas

通過梳理上述規(guī)范對監(jiān)控區(qū)域的劃分，可以將鐵路旅客車站內(nèi)視頻監(jiān)控應(yīng)用場景歸納為點狀、線形和矩形3 種。根據(jù)不同場景，提出相對應(yīng)的監(jiān)控終端設(shè)備布點原則。

點狀場景主要是人工售票服務(wù)區(qū)的工位、垂直電梯出入口等處，布點原則是結(jié)合現(xiàn)場安裝條件，選擇半球攝像機或槍型攝像機定點監(jiān)控，如圖2 所示。

圖2 點狀場景視頻監(jiān)控終端設(shè)備布點示意Fig.2 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in dot scene

線形場景主要是站臺、樓扶梯、進/出站通道等處，布點原則是選擇槍型攝像機順向覆蓋，且槍型攝像機方向應(yīng)與旅客流線相對，利于捕捉旅客面部信息，如圖3 所示。

圖3 線形場景視頻監(jiān)控終端設(shè)備布點示意Fig.3 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in linear scene

矩形場景主要是售票廳、安檢區(qū)、候車廳、檢票口等處，布點原則是使用槍型攝像機兩兩一組對射或交叉覆蓋；區(qū)域較大時應(yīng)設(shè)置多組，并且覆蓋區(qū)域應(yīng)適當(dāng)交疊，避免監(jiān)控盲區(qū)；對于客流密度較大的場景，還應(yīng)補充設(shè)置球型攝像機，以滿足靈活調(diào)看的需求，如圖4 所示。

圖4 矩形場景視頻監(jiān)控終端設(shè)備布點示意Fig.4 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in rectangular scene

4 智能視頻應(yīng)用的前端設(shè)置優(yōu)化

隨著視頻技術(shù)和應(yīng)用的日漸成熟，視頻監(jiān)控正朝著網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、高清化、智能化、開放化方向發(fā)展[6]。智能視頻監(jiān)控結(jié)合了計算機視覺技術(shù)與人工智能技術(shù)，通過對視頻圖像內(nèi)容的描述、理解和分析，過濾圖像中的無效干擾信息，自動抽取視頻中的有效信息，對監(jiān)控場景中的變化進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，能在異常情況發(fā)生時及時發(fā)出警報或提供有用信息，有效協(xié)助車站工作人員處理危機，最大限度降低誤報和漏報現(xiàn)象[7]。

目前，智能視頻分析系統(tǒng)已在京張高鐵上線應(yīng)用。智能視頻分析的實現(xiàn)可分為前端分析和后端分析2 種。京張高鐵在車站旅服系統(tǒng)設(shè)置視頻分析服務(wù)器，并安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內(nèi)容進行分析，實現(xiàn)站臺越線檢測、站臺端部入侵檢測、客流密度檢測、排隊長度檢測和扶梯人流逆行檢測等功能[8]。

為保證智能視頻分析功能的實現(xiàn)，需對鐵路旅客車站視頻監(jiān)控前端按以下原則進行優(yōu)化補強。

第一，站臺兩側(cè)的槍型攝像機覆蓋范圍按照不超過110 m 進行控制，保證監(jiān)控對象在攝像機的成像單元上有足夠多的像素數(shù)量，用于智能視頻應(yīng)用。

第二，站房內(nèi)外的攝像機逐類區(qū)域細(xì)化布點原則，選擇最佳的監(jiān)控視角，客流密度大的區(qū)域采用“槍型攝像機+球型攝像機”的組合方案，并且對覆蓋盲區(qū)進行監(jiān)控補強，為智能視頻應(yīng)用提供豐富的信息量。

第三，考慮到光照是影響智能視頻應(yīng)用效果的重要因素，攝像機應(yīng)支持寬動態(tài)功能、強光抑制及逆光補償功能，并且具備紅外補光功能。同時，室外攝像機具備低照度的性能。

5 視頻監(jiān)控領(lǐng)域新技術(shù)的展望

鐵路旅客車站視頻監(jiān)控終端設(shè)備正在不斷向高清化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，新型設(shè)備為其提供多種解決方案，包括前端分析型智能攝像機、全景拼接攝像機及4K 超高清攝像機等。下面對于這幾種新型設(shè)備進行簡要分析。

1）前端分析型智能攝像機：得益于數(shù)字化芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，市場中涌現(xiàn)出大量的前端分析型智能攝像機，能夠從視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取視頻流，并對其進行智能分析，進而對車站候車廳、站臺等關(guān)鍵場所中旅客的聚集、斗毆、丟包、絆黃線等異常行為觸發(fā)告警提示[9]。但是，由于各廠家的智能信息數(shù)據(jù)采用私有協(xié)議傳輸，無法保證通信專業(yè)設(shè)置的綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)后端設(shè)備與攝像機同廠家，所以前端分析型智能攝像機在鐵路旅客車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中尚未廣泛應(yīng)用。

2）全景拼接攝像機：全景拼接并不是一個新概念，早期產(chǎn)品主要依靠后端服務(wù)器實現(xiàn)圖像拼接，如目前仍能見到的多臺槍型攝像機架加智能拼接服務(wù)器組成的180°全景或360°全景產(chǎn)品[10]，實際使用效果欠佳。雖然目前全景拼接攝像機已全面更新?lián)Q代，采用一體化超高清多鏡頭的架構(gòu)，甚至集成魚眼鏡頭，可實現(xiàn)360°全景監(jiān)控，適用于進站區(qū)域、候車大廳的整體性監(jiān)控。相較于目前人工多畫面“腦補”拼接，優(yōu)勢明顯。但是，各廠家全景拼接攝像機的設(shè)計架構(gòu)差異較大，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范，而且拼接視頻流的傳輸大多也是采用私有協(xié)議，所以全景拼接攝像機在鐵路旅客車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中尚未廣泛應(yīng)用。

3）4K 超高清攝像機：圖像分辨率是視頻監(jiān)控攝像機的重要指標(biāo)之一，目前鐵路旅客車站視頻監(jiān)控，其他綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端攝像機，均采用1 920×1 080 的全高清分辨率，但是視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)歷2K、3K 的過渡，可以達(dá)到4K，甚至是6K、8K 的分辨率。以4K 為例，國際電信聯(lián)盟對4K 超高清的定義是水平清晰度3 840，垂直清晰度2 160，寬高比16：9，830 萬像素[11]。從定義中可以看出，4K 超高清攝像機的分辨率是1 080 P 攝像機的4 倍。盡管4K 超高清攝像機的設(shè)備單價正在逐步走低，但是受限于通信專業(yè)綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入條件限制，以及傳輸帶寬需求和存儲成本的4 倍增加等問題，所以4K 超高清攝像機在鐵路旅客車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中尚未廣泛應(yīng)用。

除了前文提到的幾種新型攝像機，還可以在視頻監(jiān)控領(lǐng)域探索BIM 技術(shù)的應(yīng)用，在鐵路旅客車站三維場景內(nèi)，對攝像機監(jiān)控覆蓋區(qū)域、覆蓋效果進行仿真[12]。隨著科技的進步和鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化升級，新產(chǎn)品、新技術(shù)必將在鐵路旅客車站視頻監(jiān)控領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。