張鳳林，林永碩，李 鳴

(1.西安鐵路局 工務(wù)處，陜西西安 710054;2.西安鐵路局科研所，陜西西安 710054)

鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器是高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要設(shè)備部件，鄭西高速鐵路渭河特大橋鋪設(shè)了10組伸縮調(diào)節(jié)器，用來(lái)調(diào)整無(wú)縫線路鋼軌和大跨度連續(xù)梁梁體受溫度影響產(chǎn)生的位移變形。據(jù)觀察統(tǒng)計(jì)，發(fā)生最大位移的時(shí)間夏季大多在下午，冬季大多在凌晨。為保證鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的位移值及結(jié)構(gòu)狀態(tài)在運(yùn)營(yíng)安全范圍之內(nèi)，需要每天觀測(cè)檢查;由于高速鐵路觀測(cè)檢查只能在夜間綜合天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，無(wú)法24 h實(shí)時(shí)掌握伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和梁體位移的真實(shí)情況;因此，建立科學(xué)有效的遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，了解高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)，對(duì)于作出正確的維護(hù)決策，保證高速鐵路行車安全是至關(guān)重要的。

近年來(lái)鐵路系統(tǒng)視頻信息化建設(shè)得到了較快發(fā)展，已陸續(xù)建成安全生產(chǎn)指揮系統(tǒng)、防洪防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路客運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了在鐵路內(nèi)部TMIS網(wǎng)絡(luò)上的傳輸與共享。但是這些系統(tǒng)需要鐵路光纖通道傳輸，以及供電系統(tǒng)配合，建設(shè)中甚至影響鐵路行車。針對(duì)線路上的限制條件，研發(fā)了鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器太陽(yáng)能無(wú)線3G-VPDN視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以不受區(qū)間傳輸通道及電源環(huán)境限制，在距離和空間上取得突破性進(jìn)展。

1 3G-VPDN視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

隨著3G技術(shù)在國(guó)內(nèi)的逐步推廣，3G技術(shù)在視頻監(jiān)控行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)。CDMA作為三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展迅速，在一個(gè)無(wú)線信道傳送高速數(shù)據(jù)報(bào)文的情況下，理論上支持下行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)3.1 Mbps，上行速率最高達(dá)1.8 Mbps。中國(guó)電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費(fèi)用按流量或時(shí)間計(jì)算，隨著中國(guó)電信大力推廣3G業(yè)務(wù)，費(fèi)用也在逐步降低，為CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用普及提供有利的條件，3G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控也越來(lái)越受人們關(guān)注。

鄭西高速鐵路鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于3G-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無(wú)人執(zhí)守方式，太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換裝置供電，采集數(shù)據(jù)及圖片，利用中國(guó)電信3G網(wǎng)絡(luò)和鐵路局既有TMIS網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)傳輸方面采用VPDN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)TMIS網(wǎng)中授權(quán)用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器的目的。

系統(tǒng)具有以下功能:①采用光伏電源設(shè)備，節(jié)省電池容量，解決高速鐵路及鐵路區(qū)間無(wú)電源問(wèn)題，避免因從供電接觸網(wǎng)取電而干擾行車，降低系統(tǒng)建設(shè)的造價(jià);②前端視頻服務(wù)器支持3G無(wú)線方式接入，實(shí)現(xiàn)免布線，提高安裝速度;③VPDN保證信息安全，防止非法用戶訪問(wèn)鐵路TMIS網(wǎng)，并鑒別身份的真實(shí)性，防止假冒身份;④根據(jù)工作需要，定時(shí)上傳設(shè)備狀態(tài)圖片(D1格式視頻定時(shí)抓圖回傳)，定時(shí)查看前端動(dòng)態(tài)圖像;⑤TMIS網(wǎng)中有權(quán)限用戶客戶端調(diào)用或下載前端圖像，3G移動(dòng)客戶端調(diào)用或下載前端圖像。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)工作原理

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以分為4層結(jié)構(gòu):設(shè)備接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、中心管理層和業(yè)務(wù)處理層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 VPDN工作原理

2.1.1 設(shè)備接入層

設(shè)備接入層主要指現(xiàn)場(chǎng)終端固定設(shè)備。

視頻終端安裝在專門設(shè)計(jì)的支架上，監(jiān)控鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的構(gòu)件隨溫度變化的位移情況;其主要模塊包括:太陽(yáng)能供電設(shè)備、CCD視頻信號(hào)采集攝像機(jī)、視頻服務(wù)器(包含A/D轉(zhuǎn)換模塊、3G無(wú)線傳輸模塊、存儲(chǔ)器)、專用標(biāo)尺等。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是依托中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，充分利用3G的帶寬資源傳輸視音頻和數(shù)據(jù)信息。由運(yùn)營(yíng)商提供VPDN網(wǎng)絡(luò)，各種無(wú)線設(shè)備需要使用特定的手機(jī)號(hào)及用戶名和密碼，才能訪問(wèn)該網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)“專網(wǎng)專號(hào)專用”，最大限度保證數(shù)據(jù)安全，防范外部入侵。

2.1.3 中心管理層

中心管理層包括:接入服務(wù)器、管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、流媒體服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器等模塊，為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供管理支撐。

2.1.4 業(yè)務(wù)處理層

業(yè)務(wù)處理層是整個(gè)系統(tǒng)的最終展示，它提供了對(duì)視音頻數(shù)據(jù)的瀏覽、對(duì)各種采集數(shù)據(jù)的匯總以及檢索回放處理等功能。

2.2 VPDN工作原理

由于在傳輸過(guò)程中，使用了3G通道，如何解決網(wǎng)絡(luò)安全就成了本系統(tǒng)建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，經(jīng)與中國(guó)電信協(xié)商，建立了西安鐵路局基于3G無(wú)線接入方式的虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)業(yè)務(wù)(3G+VPDN)，它是利用L2TP隧道傳輸協(xié)議，可以在現(xiàn)有的撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一條虛擬的、不受外界干擾的專用通道，從而實(shí)現(xiàn)采用有線專用網(wǎng)絡(luò)方式訪問(wèn)企業(yè)內(nèi)部資源，如圖2所示。

即3G無(wú)線視頻終端用戶通過(guò)3G模塊連入中國(guó)電信LAC服務(wù)器。LAC服務(wù)器通過(guò)用戶名或接入號(hào)碼識(shí)別出該用戶為TMIS系統(tǒng)VPDN用戶后，就和路局TMIS系統(tǒng)LNS進(jìn)行連接驗(yàn)證，基于從LAC請(qǐng)求中獲得的名字和隧道密鑰。LNS會(huì)通過(guò)查找本地的VPDN配置，檢查該LAC是否允許建立隧道。

如果認(rèn)證通過(guò)，終端和LNS之間進(jìn)入 IPCP(IP Control Protocol IP控制協(xié)議)階段，路由被建立起來(lái)，對(duì)話也開始在終端和LNS之間進(jìn)行。LAC負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，LAC和LNS之間的數(shù)據(jù)會(huì)在VPDN隧道中傳輸。VPDN用戶與LNS成功建立連接，開始進(jìn)行通信。3G網(wǎng)絡(luò)中的視頻終端使用UM卡，MSI號(hào)是UM卡的全球唯一標(biāo)識(shí)，在得到UM卡的同時(shí)就有了與這個(gè)卡相關(guān)的MSI號(hào)，這個(gè)信息可以作為身份鑒別的一個(gè)因素。身份認(rèn)證服務(wù)器主要功能為檢驗(yàn)用戶帳號(hào)的合法性和權(quán)限，并提供一定的審計(jì)功能。在身份認(rèn)證系統(tǒng)中既對(duì)比用戶使用的MSI號(hào)，也對(duì)比用戶的帳號(hào)和密碼，從4方面進(jìn)行用戶身份的鑒別。設(shè)備接入層視頻服務(wù)器3G模塊需要使用特定的手機(jī)號(hào)及用戶名和密碼，才能訪問(wèn)該網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)“專網(wǎng)專號(hào)專用”，只有4項(xiàng)輸入全部正確時(shí)，遠(yuǎn)端的3G視頻終端信息才能通過(guò)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入TMIS，通過(guò)虛擬的安全通道和用戶內(nèi)部的用戶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，而公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶則無(wú)法穿過(guò)虛擬通道訪問(wèn)用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的資源。充分保證了TMIS數(shù)據(jù)安全，在系統(tǒng)中不僅MSI號(hào)是唯一的，而且一個(gè)帳號(hào)綁定一個(gè)MSI號(hào)，這樣就防止了UM卡的竊取、盜用。如果不法分子竊取到UM卡，在不知道用戶的帳號(hào)及口令的情況下，依然不能連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)在路局TMIS防火墻上設(shè)置訪問(wèn)控制列表的目的地址，可設(shè)置一臺(tái)服務(wù)器能被3G無(wú)線視頻終端訪問(wèn)，TMIS網(wǎng)絡(luò)中其它服務(wù)器不能被無(wú)線終端訪問(wèn)。通過(guò)設(shè)置，嚴(yán)格控制無(wú)線終端對(duì)服務(wù)器的訪問(wèn)規(guī)則，保證各種訪問(wèn)的合法性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的功能有很多，可以分為以下幾個(gè)組成部分:視頻采集檢測(cè)、視頻編碼、傳輸與客戶端交互等主要線程，如圖3。

系統(tǒng)的前端采集軟件是基于嵌入式Linux平臺(tái)，在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)之前，首先要完成搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，建立引導(dǎo)裝載程序Bootloader，移植Linux內(nèi)核，移植根文件系統(tǒng)，編寫、修改和移植Linux驅(qū)動(dòng)程序等工作，然后對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。

圖3 軟件流程

客戶端程序使用ANCI C對(duì)海康威視(Hikvision Ds-40xxhc+Ds-40xMD SDK)進(jìn)行二次開發(fā)，真正達(dá)到了開發(fā)高效、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、快速的效果。如對(duì)第三通道啟動(dòng)視頻錄像只需調(diào)用下面一句(Start_Video_Capture(3，”，1，3);網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 2.0 系列平臺(tái)軟件(如圖 4)基于B/S和C/S構(gòu)架模式，適用公網(wǎng)環(huán)境視頻監(jiān)控應(yīng)用的解決方案，一方面面向大量終端用戶提供監(jiān)控服務(wù)，另一方面提供類似傳統(tǒng)專網(wǎng)監(jiān)控中的集中監(jiān)控功能。B/S平臺(tái)架構(gòu)軟件由Web管理中心和Web客戶端組成，通過(guò)中心服務(wù)器構(gòu)架數(shù)據(jù)庫(kù)和Web Server服務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)B/S構(gòu)架下的設(shè)備、用戶權(quán)限管理以及預(yù)覽和回放等操作。Web管理中心:主要完成系統(tǒng)的配置操作，進(jìn)行區(qū)域、設(shè)備和用戶的配置等功能。Web客戶端:通過(guò)Web登錄管理中心獲取相關(guān)權(quán)限，進(jìn)行預(yù)覽、回放等操作，如圖4。

經(jīng)授權(quán)的客戶端輸入帳戶、密碼及服務(wù)器域名，完成區(qū)域設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入、導(dǎo)出設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端視頻圖片的調(diào)用、查詢、分組輪詢及遠(yuǎn)程升級(jí)、系統(tǒng)重啟等功能。

圖4 客戶端軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特性是利用3G+VPDN技術(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，整合了太陽(yáng)能供電技術(shù)、3G數(shù)據(jù)通訊功能和數(shù)字視頻編碼等多種技術(shù)。把光能轉(zhuǎn)換為電能，把攝像機(jī)圖像經(jīng)過(guò)視頻壓縮編碼模塊壓縮，通過(guò)智能無(wú)線通訊終端發(fā)射到3G網(wǎng)絡(luò)，利用鐵路TMIS網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的交互、發(fā)送、接收、加解密、加解碼、鏈路的控制維護(hù)等功能。尤其適合于普速鐵路及高速鐵路沿線固定設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)，也適用于基建、電力、管線、交通、石油、公安、城市管理等行業(yè)重要場(chǎng)所安全防護(hù)的無(wú)線監(jiān)控。

[1]夏振華.張正炳.基于3G移動(dòng)通信的無(wú)線視頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2010，26(3):95-98.

[2]MATSUSHITA Y，OFEK E，TANG X，et al.Full-Frame Video Stabilization with Motion Inpainting[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2006，28(7):1150-1163.

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.運(yùn)基通信(2008)630號(hào) 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.