IVS在铁路系统的应用和展望 - 安防知识网

目前IVS已成功应用在银行、超市等较稳定的室内环境，并且有着较为优异的表现，另外在机场、军队的应用表现也不错。但是在铁路上的IVS应用还是不简单的，一条铁路线纵横几千里，一年四季寒暑变化，各种环境都有，而且铁路运营都处在动态之中，这对IVS策略的制定和摄像机及IVS参数设定都带来极大的困难。
文/凌宁

铁路是国家的重要基础设施、国家的大动脉、大众化交通工具，在综合交通体系中处于骨干地位。目前中国大量的长距离物资运输和中长途旅客运输主要由铁路承担，每年完成的旅客周转量约占全社会旅客周转量1/3多，完成货物周转量约占全社会货物周转量的55%。

保障安全运营是铁路运输的第一要务，而视频监控系统是运营安全保障体系的重要组成部分。环境条件复杂、监控范围广、通信资源紧张等都对铁路图像监控系统的建设、利用和发展提出挑战。正确运用IVS产品可以有助于节省带宽资源、降低人员疲劳损失、加快预警响应速度，充分发挥视频资源的作用。

需求分析
中国的铁路建设正进入一个高速发展的时期，“十一五”期间，中国铁路将建设新线1.7万公里，其中客运专线7000公里；建设既有线复线8000公里；既有线电气化改造1.5万公里。到2010年，全国铁路营业里程将达到9万公里以上。2007年，全国铁路进行了轰轰烈烈的第六次大提速，我国铁路既有线提速干线旅客列车最高运行时速达200公里以上，京哈、京沪、京广、胶济的概念提速干线部分区段可达到时速250公里。

正当铁路行业跨越式发展的时候，网络技术和图像数字技术恰到好处地进入技术成熟阶段，这给视频监控在铁路的运用带来了空前的发展机遇。短短的几年，各种需求的视频系统应运而生，在全线监控方面有：铁路综合监控系统视频分系统、客运信息化系统视频分系统；在车站方面有：车站客运系统视频监控、铁路货运站监控管理系统；在列车上有：客运列车视频监控系统、铁路机车视频监控系统；在编组站有：铁路编组站（场）视频监控系统等等。通过这些系统，可随时观察和掌握千里之外的铁路沿线和站点及设备情况，可以在灾害天气发生时实时掌握线路异常和灾害程度，从而及时通过调度中心调整列车运行。通过视频的辅助作用还可监控列车会让、中间站调车作业等情况，确保运输安全。然而铁路系统部门众多、地域跨度大、现场环境复杂，这无疑给视频监控系统带来挑战。无论是面对日益庞大的视频信息量，还是面对越来越复杂的安全压力，智能视频监控系统（IVS）都找到存在和发展的理由，预示着铁路视频监控系统将要翻开崭新的一页。

智能视频监控系统（IVS）依照一个或多个目标出现的时间、方向、位置、大小、速度、目标间距离与相对方向等因素，通过不同的规则实现不同的功能，如：越界、潜伏、超速、遗失、遗留、滞留、流量统计。可以识别摔跤、弯腰、起立、坐下等人体行为，以及一些人与人、人与物的交互，当出现规则所规定的特别状况时，IVS进行报警，或发送报警信息，以预警方式提醒监控人员注意，或提供给其他系统执行相关策略。与以往传统的视频监控相比，这种带有智能分析的系统可以大大减轻监控人员的负荷，从而减少人为原因产生的隐患。再者，如果系统采用IPoIP方式，还可以减轻网络带宽压力，使监控中心可以看到更多有效的重要图像。

目前在国家重点建设的铁路项目中，已经开始采用含有IVS的监控系统，不过根据项目的具体要求的不同，以及预算的多少，IVS的应用也是各有文章。

具体应用

系统概述
本系统中，铁路部门要求较高清晰度的图像显示，需达到D1图像质量，考虑到前端智能分析单元的图像质量不高，最高为CIF，故在系统中采取将IVS预警系统和常规监控系统并行运行的方式（见图1）。常规监控系统前端摄像机根据需要分为各站站台摄像机、岔道口摄像机、公跨铁立交摄像机、机房摄像机、牵变电摄像机等。它们的图像通过各站的DVR完成编码并传送到IP网络上，在分控中心或中心通过视频管理平台解码、显示、并管理这些图像。而IVS预警系统则是在这些摄像机中，将岔道口摄像机、公跨铁立交摄像机等重要图像发送至前端智能单元，出现异常情况时，前端智能单元根据预先设定的规则将异常信息的特征数据流通过IP网络送达中心的IVS分析服务器，完成预警任务。

1、IVS预警系统架构
本案视频智能预警系统采用分级监控、中心查看的监控架构。首先，智能监控的视频都传到每个分控中心。通过视频分配器分出重点模拟视频到智能单元，然后通过智能单元把相应模拟视频转换成数字视频并接入分控中心网络，与后端的IVS分析服务器结合，完成各种视频行为的分析告警。每个分控中心均采用这种建设模式，所有的分控中心最终接入总监控中心。其中，IVS分析服务器主要作用是进行智能的分析、监控、报警；视频管理平台主要作用是视频管理、设备管理、进行报警信息的统计、报警点的定位、报警视频的查看。IVS分析服务器与视频管理平台之间通过协议沟通。

2、IVS分析预警系统工作原理
图像行为分析预警系统采用IPoIP架构，其工作方式如图2所示。首先，服务器端请求前端智能处理单元提取相应的特征数据流，接下来智能处理单元提取特征数据流，发回服务器。然后服务器对不同的特征数据流进行算法比对、侦测，对符合报警的特征数据流进行报警提示，结果显示在监控终端。其报警结果包括报警信息的记录、声音提示、第一时间快照、报警实时视频。而报警视频通过前端智能处理单元进行调用。

图像行为分析预警系统分为前端智能单元、后端行为分析系统、终端显示系统三部分（见图2）。

前端智能单元根据服务器的要求，从视频流中提取特征数据流，比如非法停车、可疑静止物体等，发给后端行为分析系统进行分析。

3、系统构成具体如下
·普通模拟摄像机挂接具有特征流提取功能的前端处理单元。放置在分控中心（即各车站），后端并入监控网络；
·后端行为分析系统是整个图像行为分析预警系统的核心(如图2的服务器端)，它是由各种行为分析模块外加服务器构成。其主要作用是接收和处理成千上百个前端发过来的特征数据流，进行分析、侦测，对符合限定的特征数据流给出报警信号；
·终端显示系统是对网络配置、功能设置、智能显示的管理系统。一旦产生报警，会记录报警信息，给出声音报警提示，进行第一时间快照，显示报警视频。

铁路部门目前较关心的IVS功能
1、运动目标的探测、报警与跟踪
·系统可以对运动的人、车辆进行视频特征的分析，自动探测出满足预警条件的运动目标；
·系统自动发出报警，锁定运动目标，自动弹出报警画面，记录报警信息并画出运动目标的轨迹；
·对探测区域，系统可实现多个不同运动目标的分别探测，而且互不影响。

2、遗留物体的探测与识别
·系统可实现对静止的车辆、包裹、箱体等物体的视频特征分析，自动探测出满足预警条件的遗留物体；
·系统自动定位遗留物体的位置，自动弹出报警画面并产生报警信息。

3、聚集的探测与报警
·系统可实现对大面积人群、少数人聚集的视频特征分析、自动探测出满足预警条件的人群；
·系统自动发出报警，弹出报警画面，产生报警信息。

4、徘徊目标的探测、报警与跟踪
·系统可实现对探测区域中徘徊目标的视频特征分析，自动探测出满足预警条件的徘徊目标；
·系统自动发出报警，锁定徘徊目标，自动弹出报警画面，记录报警信息并画出徘徊目标的轨迹。

5、系统自身探测报警
·视频丢失；
·视频遮挡；
·强光照射；
·光线太弱。

在本案上的具体应用方式
1、岔道口智能监控系统应用
·采用人员进入区域侦测：主要是防止在特定时间段可疑人进入道岔保护区域。一旦有人进入，系统就会产生报警，及时提醒值班人员进行处理；
·采用遗留物体侦测：主要是检测岔道口轨道上可疑的遗留物体，对意外情况进行及时的报警，防止意外事故的发生，如图3、4所示。
2、交叉路口智能监控系统应用
·遗留物侦测：交叉路口是人员活动相对较多的地方，不排除有人故意放置可疑的遗留物于轨道上，而图像行为分析预警系统恰恰能对可疑遗留物体进行分析、报警；
·人员进入区域侦测：无论在什么情况下，都不允许有人靠近高速铁路。为了提高其安全系数，我们采用大面积的区域侦测，从而能更快侦测到各种可疑的情况，避免造成重大损失；
·交通障碍侦测：为了防止交叉路口有可疑车辆的停放，采用此功能来进一步防止交通事故的发生。

在本案中遇到的问题与困难

应用过程中出现的问题
在系统调试和试运行阶段，其他各大系统的收尾工作也都在紧张进行，机柜周围更是人来人往，设备移动频繁，电源和网络也会出现不稳定的现象。根据在调试后期和试运行期间的故障记录，我们注意到有时前端处理单元会出现网络不通的情况，也出现过网络畅通，但没有视频传过来的情况，这些情况为什么出现，我们还不得而知。电源和网络不稳定是否有可能对前端处理单元的正常运行带来风险，是不是前端处理单元里的处理程序中含有bug，我们很难在短时间内测出。这个毛病影响虽小，但处理一下有时就要跑几百公里，所以今后在系统设计的时候对这些新的东西还是要考虑电源的中心控制。另外，我们发现IVS对服务器的要求较高，虽然系统在设计时已经考虑了IVS对资源消耗较多的情况，但从使用的情况来看，仍然要加大余量。对于服务器的配置，这里有两方面因素要考虑，一是因为视频行为分析需要大量的运算，特别是要处理多路前端智能单元的特征信息的时候，运算占用的资源更高，这就要求较高的计算机硬件配置，留有设计余量，二来要求操作系统和应用软件的安装也不能随意处置，最好不用GHOST的方式，不相关的软件不装。

最麻烦的事情
有一位IVS厂商在谈到IVS市场教育的时候谈到IVS调试的不易，说到“屡战屡败”这个词，笔者想那些IVS的代理和集成商的技术人员一定有刻骨铭心的体会。就本案而言估计有80%以上的工作量是在调整策略和参数。策略是规则的组合，时间、地点、要求不同，策略就不同。对各个规则要仔细调整参数，根据角度、速度、目标大小等，在不同时间段进行测试，晴天、雨天、雪天、黄昏，不但要调前端智能单元，还要调摄像机的参数，工作量较大。而铁路沿线距离远，若遇到多场大雪，沿线的摄像机大多“雪盲”，策略需要重新调整，摄像机参数需要重新设定，60-70cm的积雪给调试带来的挑战无法想象。本案的IVS在环境良好的情况下，综合识别率在90%，其中入侵识别率较高，可达97%以上，而遗留物识别较低。误报和漏报较多的时候是傍晚，最大的困难是调整漏报和误报的平衡点（拒绝漏报，减少误报），虽然调整参数可在控制中心完成，但现场还是需要人员配合，给铁路行业大范围应用带来不少困难。

就目前情况而言，贸然选择摄像机可能会给自己带来现场调试的困难。某些摄像机性能不稳定，如温度变化或开机时间较长时发生色偏，这可是IVS比较“头痛”的事情，因此选择摄象机要注意听IVS供应商的建议。不管视频分析的算法做的多么好，它最终也只能是分析图像而已。这些算法在分析图像时，图像像素很重要，如果图像中包含了被歪曲的像素，那么视频分析就发挥不了作用了。选定好了摄像机，在摄像机中的参数调整时还要综合考虑，快门、补偿、增益等等。

对IVS参数设定需要反复测试。譬如滞留物或公跨铁落物识别，物体太小识别困难，物体太大要产生误报，最后需要取得各种因素的平衡。笔者多次测试得知：在距离20米远的地方上用DVR的盒子作测试可获得较好的效果。即便如此，偶尔火车通过时还会产生误报。而大大小小的动物也会带来麻烦。

铁路IVS环境的特殊性
目前IVS已成功应用在银行、超市等较稳定的室内环境，并且有着较为优异的表现，另外在机场、军队的应用表现也不错。但是在铁路上的IVS应用还是不简单的，一条铁路线纵横几千里，一年四季寒暑变化，各种环境都有，而且铁路运营都处在动态之中，这对IVS策略的制定和摄像机及IVS参数设定都带来极大的困难。虽然机场或军队也有室外需求，但就目前而言，其范围还都较为局部，大多也都是边界入侵探测，比较静态，而铁路则“地域范围广、物理交叉多、现场布局难”。

希望和展望
目前的IVS产品或系统在室外和前端摄像机相处得并不理想，对环境要求也较高，在今后IVS不断突破、不断发展的过程中，算法应不断更新，程序不断增加。兼容性和稳定性一定会是伴随着它的难题。当然随着高清晰度摄像机的不断应用以及摄像机数字化技术的成熟，希望摄像机和IVS之间的问题少一些。

希望厂家研究现场测试方法，虽然现在厂商已经有提供，但还停留在室内应用或理想应用水平，测试方法的研究应该和IVS功能研究同步发展，而且也同样重要。

从管理层面看，IVS有标准化的需求，铁路监控的智能化进程刚刚开始，随着老线路的改造，新线路的铺设，铁路信息化的快速发展，国内国外的各家IVS产品会大量应用，如果各自为政，便形成信息孤岛，不但系统扩容会受到羁绊，而且为今后系统的并网和视频信息后续处理带来障碍，希望这个问题早点考虑。

IVS进入国内铁路的时间不长，还在探索和积累经验阶段，但是，铁路发展的大环境已经确立，面对视频信息急剧增加的压力、运营提升带来的安全压力，人们都对IVS寄予了希望。IVS需要挖掘更多的相关应用，如旅客流量统计、机车司机的规范操作、旅客车厢异常行为分析等等，并与铁路信息化专家系统联系起来，为实现图像信息分级、分层、分类管理和安全监控的跨专业、跨部门、多系统综合应用提供技术基础，为铁路信息化提供“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术支持。
IVS，刚刚开始，没有尽头。