基于5G网络架构的智能铁路视频监控系统研究.pdf

总652期2023年第22期（8月 上）0 引言为了保证铁路运营与管理的安全性与稳定性，科学合理地设计铁路视频监控系统至关重要。现阶段，基于4G网络的传统铁路视频监控系统能够实现对铁路运营线路远程监控与指挥协助的功能1-4，但仍然存在一定的不足。主要表现在，一方面由于系统运行与通信速度较慢，导致操作终端不能随时对线路各处的设备的实时运行状况进行调阅查看5；另一方面，传统视频监控系统采用的接入方式过于落后，数字化程度与数据共享度相对较低，存在监控点覆盖不全面、视频监控内容无法共享、通信时效性较差、画质不清晰等问题。5G技术作为新一代宽带通信技术，具有低时延、高速率等特点，能够满足大量高清视频监控数据高速传输的需求。基于此，本文在传统铁路视频监控系统的基础上，引入5G技术，研究并设计了一种全新的基于5G架构的智能铁路视频监控系统。1 硬件设计1.1 硬件架构设计为了保证智能铁路视频监控系统硬件运行的安全性与时效性，首先对系统的硬件架构进行设计，为硬件的运行提供良好稳定的硬件环境。采用B/S网络硬件架构模式，与传统视频监控系统采用的C/S硬件架构相比，适应范围更加广泛，对视频监控信息安全的控制能力较强，能够实现智能铁路视频监控系统的完美进阶6。系统硬件架构示意见图1。图1 智能铁路视频监控系统硬件架构示意智能铁路视频监控系统，主要由Web服务器、数据库服务器以及客户机组成，通过Web服务器与数据库服务器，实现系统数据交互的目标，提高了系统的时效性，减轻了智能铁路视频监控系统后续维护与升级的工作量，使其能够自动进行实时更新。1.2 网络交换设备选型网络交换设备选型是否合理对智能铁路视频监控系统的运行具有重要影响7。本次选取S5850-24S2Q型号的10G网络交换机作为交换设备，支持MLAG跨设备链路聚合和DHCP中央管理功能。网络交换设备的尺寸为（44442422）mm，通过前、后气流方向运行。该型号的网络交换机的端口为4825 Gb SFP+，8100 GbQSFP28，IPv4路由数为60 K，IPv6路由数为4 K。根据收稿日期：2023-01-18作者简介：董玉圻（1992），男，河北平乡人，工程师，研究方向为铁路通信信号工程。基于5G网络架构的智能铁路视频监控系统研究董玉圻，张立伟（国家铁路局装备技术中心，北京 100070）摘要：常规的铁路视频监控系统通常采用传统的4G网络架构，进行系统视频监控信息的传输，具有利用率不高、应用效率低以及不具备实时性等局限性，且在视频监控请求频率不断增加的情况下，视频监控系统的CPU占用率较高，内存消耗较大，不利于系统的稳定运行。为此，研发一种基于5G网络架构的智能铁路视频监控系统。该系统采用5G技术设计网络通信模块，提高了信息传输与通信效率；设计视频监控实时播放功能模块，实时呈现铁路各个监控点的运营情况；设计回放数据处理模块，实现分发与共享视频监控数据的目标；对该视频监控系统进行了实验室测试，测试结果表明，在视频监控请求频率不断增长的情况下，系统的CPU占用率呈现缓慢上升趋势，均在075%范围内变化，占用率较低，在面对海量视频监控请求的冲击时，运行稳定性优势显著。关键词：智能铁路；5G；网络架构；视频监控中图分类号：U495文献标识码：A18交通世界TRANSPOWORLD铁路运营的实际需求与特征，设定网络交换设备的性能参数，使其能够在多场景中灵活部署：交换容量4T bps，包转发率2 976 Mps，数据包缓冲区36 MB，平均故障间隔时间大于162 213 h，工作温度045，延时0.7 s。1.3 网络摄像机选型选取型号为FC730-4K-N的超高清网络摄像机作为系统视频监控设备，其尺寸为（11837.230.8）mm。此型号的网络摄像机焦距为2.2 mm，水平视角为110，支持 8倍数码变焦。设定网络摄像机的连接头分别为USB3.0、Type C 4K，输入电压为5 V，具有2D、3D数字图像降噪功能，使系统视频监控图像更加柔和透彻8。网络摄像机的传感器和多层镜头，高度还原色彩，打造身临其境的视觉体验9。110 的大广角能够拍摄铁路的全景状况，使各个智能监控点实现一览无余。配套的隐私镜头盖，在不需要拍摄时轻轻合上即可阻挡全部画面，增强了信息的安全性和隐私性。2 软件设计智能铁路视频监控系统软件设计主要包括网络通信模块、实时播放功能模块和监控回放数据处理模块。2.1 基于5G技术设计系统网络通信模块网络通信模块作为智能铁路视频监控系统的重要软件之一，为系统实现高效率的视频监控提供了基本保障。传统的铁路视频监控系统多采用4G技术，相较于5G技术，通信速度较慢，降低了系统视频监控信息数据通信与传输的效率10。5G技术架构除了在通信速度方面与4G技术存在差异外，在极致业务体验方面也存在较大的差异，更加适用于监控面积广泛的智能铁路。本文设计的智能铁路视频监控系统5G网络通信模块，如图2所示。图2 系统5G网络通信模块结构示意图图2中，OTN为光传送网；MEC为移动边缘计算；NFV为网络功能虚拟化；AAU为有源天线；CU为集中式单元；DU为分布式单元；UP为用户面；CP为控制面。通过5G网络通信模块的高速运行，能够显著提升系统视频监控数据传输的效率，保证系统视频监控的时效性。2.2 视频监控实时播放功能模块设计视频监控实时播放功能模块为后续智能铁路监控视频的回放提供了保障11-13。在客户端发出视频监控实时播放的命令后，该功能模块对命令进行统一分解，分解为具有相同参数格式的命令，将其上传至实时播放功能模块的主程序。主程序通过信息查询的方式，查询与该命令具有关联性的视频数据，查询结束后分发视频数据，控制系统功能模块的空闲带宽。实时播放功能模块中空闲带宽的计算公式为：F=Fmax-Fq（1）式中：F为视频监控系统实时播放功能模块的空闲带宽；Fmax为视频监控系统实时播放功能模块的最大量化带宽；Fq为系统功能模块实际占用的量化带宽。通过获取到的功能模块空闲带宽结果，不断调整实时播放功能模块中冗余的视频监控信息，释放带宽。在此基础上，将智能铁路视频监控系统的服务器与视频设备进行连接。通过5G网络通信模块，发送与处理智能铁路实时运营信息，并通过图像化的呈现方式，呈现铁路各个监控点的实时运营与管理情况12。利用该功能模块，能够在短时间内获取铁路运营的实时视频数据，并采用相应的数据处理手段，对运营实时视频数据进行处理，在保证客户端视频流畅播放的前提下，将采集到的运营数据发送至系统下一个功能模块。2.3 视频监控回放数据处理模块设计视频监控回放数据处理模块实现系统分发与共享视频监控数据功能。为了保证视频监控回放数据处理的安全性，本文分别通过建立处理系统主连接与视频连接，设计回放数据处理模块。本文设计的智能铁路监控系统回放视频流程，首先，对系统服务器主连接进行初始化处理，根据客户的视频监控需求，接收并处理客户连接。在此基础上，对系统软件功能模块中的虚拟通道权限进行判断，验证并等待智能铁路视频监控的处理命令。解析并分析客户监控的处理命令，获取系统视频连接的相关信息与命令，进而查询视频监控回放数据处理模块中的数据信息，提取各个视频对应的目录文件信息，并从中获取智能铁路视频监控数据文件的描述信息，输出监控回放视频后提交。3 系统测试分析在该视频监控系统投入实际运用前，需要对其视频监控的效果进行测试，判定系统设计的有效性与可行性，避免后续投入使用中出现问题。3.1 功能测试按照上述本文提出的系统硬件与软件设计流程，搭建智能配网通信光缆自动监测系统的硬件结构与软件功能结构，并对各个功能结构进行测试控制。将浏览器与智能铁路监测服务器连接，实现铁路视频监控图形化展示与操作功能。客户端使用的测试配置中，19总652期2023年第22期（8月 上）选取CoreAVC3.0版本的解码库，通过服务器端与客户端选取的配置，共同搭建系统测试的软件环境。本文设计的智能铁路视频监控系统运行在 Windows Server2007平台下，在其软件安装完毕后，需要对系统测试的运行环境进行初始化设定，初始化完毕后创建与配置视频监控工作。使用Quick Test Professional功能模块测试工具，对智能铁路视频监控系统各个不同层次、不同节点服务器的功能模块进行测试，包括系统根服务器实时播放功能模块、中间汇聚服务器模块、子节点服务器模块等。测试在不同节点服务器与通道下，系统不同视频监控位置的数据访问情况以及各个智能监控点的视频播放状况是否正常。测试结果显示各个不同层次与节点的功能模块，其运行的测试结果均与预期结果相符，功能模块运行质量良好，且功能模块运行过程中，各层次上下级关系均符合相应的逻辑。3.2 性能测试采用白盒测试的方法原理，对智能铁路视频监控系统的运行性能进行测试。为了使系统测试结果更加清晰直观，特引进两个对照组，通过对比分析的测试方法，验证本文设计系统的应用效果。将本文设计的基于5G架构的铁路视频监控系统设置为实验组，将文献3提出的铁路巡防视频监控系统设置为对照组1、文献6提出的智能巡检视频监控系统设置为对照组2。设定系统视频监控请求的频率分别为2 s、4 s、6 s、8 s、10 s、12 s，在用户连接与视频监控请求频率逐渐增加的情况下，分别对 3种铁路视频监控系统进行冲击测试。选取智能铁路视频监控系统的CPU占用率作为本次性能测试的评价指标，正常情况下，该性能评价指标应当在075%之间变化，占用率越小，表明视频监控系统运行的速率较快，内存消耗越小，符合海量铁路视频监控请求冲击的需求，反之同理。采用MATLAB分析软件，分别测定3种视频监控系统的CPU占用率，并对比，绘制成如图4所示的对比效果图。图3 3种系统冲击测试对比结果根据图3的冲击测试对比结果可以得知，本文提出的基于5G架构的智能铁路视频监控系统，在视频监控请求频率不断增长的情况下，系统CPU占用率呈现缓慢上升趋势，均在075%范围内变化，较对照组1与对照组2，各个视频监控请求频率对应的CPU占用率均较低。两个对照组在视频监控请求频率超过 4 s 时，CPU占用率大幅度增长，内存消耗较大，容易对监控系统产生不利影响，严重情况下可能导致视频监控系统崩溃，无法满足铁路大规模视频监控的需求。由此不难看出，本文设计的智能铁路视频监控系统具有较高的可行性，在海量视频监控请求的冲击下，仍然能够稳定地运行，不会产生较大的内存消耗，应用效果优势显著。4 结束语本文设计的智能铁路视频监控系统能够有效地提高视频监控的时效性，能够快速对铁路各处的运营情况做出精确监控，且在铁路视频监控请求频率不断增长的条件下，系统CPU占用率变化趋势不明显，内存消耗较小，可以有效地应对智能铁路海量视频监控请求的冲击，保证视频监控系统运行的稳定性与可靠性。参考文献：1 张景雯，赵文杰，侯日根，等.铁路一体化综合视频监控系统接入云节点研究J.中国铁路，2022（11）：142-147.2 陈瑞凤，张亚伟，李超，等.面向京张高速铁路智能车站生产要素感知的异构物联网关键技术研究J.铁道运输与经济，2022，44（9）：69-76.3 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试验段施工质量检测养护完成的聚氨酯路面平整，无松散、离析及裂缝现象，表面也无轮印等碾压痕迹。按照公路路基路面现场测试规程（JTG 34502019）相关要求，使用摆式摩阻仪、路面渗水仪、铺砂法、3 m直尺和钻芯取样等技术检测试验路段摩擦因数、渗水系数、构造深度、平整度和压实度4。根据检测结果，聚氨酯路面各项性能均满足公路沥青路面施工技术规范（JTGF402017）相关要求。4 结束语综上所述，聚氨酯改性沥青混合料在我国公路沥青路面中的应用仍处于初期阶段，在施工开始前，必须结合工程实际及路用性能要求，加强原材料性能检测及配合比设计，合理确定聚氨酯胶黏剂掺加量。施工过程中加强原材料储存、黏层油洒布及摊铺碾压施工控制。结合该公路沥青路面运行效果，聚氨酯改性沥青混凝土表现出很好的耐高温、抗低温稳定性能，即使在夏季高温运行环境下，路面也表现出弹性性质，较好地减少路面高温车辙病害的出现。参考文献：1 应国强，邱庆生，祝春华，等.聚氨酯路面施工工艺研究J.公路，2022，67（6）：65-69.2 舒睿，张海燕，曹东伟，等.聚氨酯改性沥青混合料性能研究J.公路交通科技（应用技术版），2015，11（12）：142-144，161.3 李添帅，陆国阳，王大为，等 OESER Markus.高性能聚氨酯透水混合料关键性能研究J.中国公路学报，2019，32（4）：158-169.4 王火明，李汝凯，王秀，等.多孔隙聚氨酯碎石混合料强度及路用性能J.中国公路学报，2014，27（10）：24-31.的方案研究J.铁路通信信号工程技术，2021，18（9）：31-37.9 钟昊，陈博，李占文，等.面向铁路安全的智能视觉PaaS平台研究J.中国铁路，2021（8）：128-132.10 杨兴磊，鲁玉龙，张俊尧，等.基于边缘计算的智慧铁路工地生产管理系统J.铁路计算机应用，2020，29（10）：26-29.11 王爱丽，赵元，王子腾，等.城市轨道交通客流信息智能检测与管控系统研究与设计J.铁路计算机应用，2020，29（2）：68-72.12 张亚伟，吕晓军，李明，等.智能视频监控系统在铁路旅客服务系统的研究与应用J.中国铁路，2020（1）：109-113.13 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