1.传统视频监控系统的主要问题
随着轨道交通建设的大规模兴起，国家正在逐步建设交通强国，轨道交通载客吞吐量的增加和运营安防要求的不断增加，对视频监控系统的要求越来越高，传统的视频监控系统逐渐暴露出很多不足之处，主要体现如下。
（1）视频系统组网方式落后。视频系统采用混合矩阵+数字编解码的组合方式，造成系统结构复杂、设备繁多，不能灵活调用摄像机图像，控制流程复杂，系统的灵活性和扩展性受限。前端存储的图像多数采用DVR方式分别进行监控和存储，系统缺乏统一性。
（2）系统与设备之间的兼容性差。目前，轨道交通视频监控系统主要采用H.264、MPEG-2、MPEG-4等解码方式，由于不同系统对应的储存方式、通信协议、压缩格式的不同，导致不同格式的编解码系统无法相互兼容，并且行业内的竞争也造成技术客观化的差异性。随着监控对象的不断增大、监控系统不断升级，视频监控管理单位将面临巨大的挑战。
（3）传输图像不佳。轨道交通视频监控系统多数采用模拟系统，视频的远距离传输采用模拟光端机，随着科学技术的不断进步，将现场采集的模拟视频信号和模拟声音信号转换为数字信号，通过监控系统承载网进行传输。受现有网络传输速率的限制，视频的垂直分辨率最高达到720，导致图像效果不佳，有明显的颗粒感、卡顿现象。
（4）监控对象急剧增加，实施监控效果差。随着社会各级对公共安全管理日益重视与关注，轨道交通运营的安全性越来越受重视，视频监控系统的前端摄像设备在急剧增加，按照每个车站120个的规模计算，轨道交通沿线20个车站计算，单线摄像设备的数量已经达到2400个。多台摄像设备的传输和控制对网络传输及人工检修都是比较大的挑战，操作人员工作强度大，实时监控效果差。
2.视频监控系统的发展瓶颈
以数字高清晰摄像机结合高宽带传输网络，远程无人智能监控成为可以实现的目标。远程智能监控技术通过监控视频图像的实时分析，对动态场景的目标进行定位、识别和跟踪，根据系统算法识别、判断，并及时做出反应，实现实时监测、防范未然。数字高清晰摄像机的快速发展受限于网络带宽，轨道交通视频监控管理要提高视频图像清晰度，不得不调节网络码流的码率、帧率、分辨率和图像质量等参数，来提高网络传输的效果，实现图像质量和传输质量双兼顾。例如，前几年行业中出现的双码流回放技术，让用户可以根据网络带宽灵活选择码流格式，达到本地高清存储，同时后端低码流网络传输，成为一些对视频清晰度要求较高行业的选择。随着网络带宽的提高，尤其是5G技术的突破，超高速的传输速率足以让一直饱受传输系统中“带宽不够，传输慢”严重制约远程智能监控系统发展的问题得以解决。
3.5G技术在轨道交通远程监测的应用
3.1接触网设备运行状态静态监测
5G技术可以提供10Gb/s的下行速度，是LTE版4G网络的100倍，具备毫秒级的超低传输时延，高达500km/h的高速移动性。利用5G技术高速传输的特点，以远程红外高清摄像设备为载体，监测接触网设备及接触网零部件等重要点的运行状态。
对于大型基础设施的质量监测，目前已经有相关研究团队开展大型桥梁健康检测概念与检测系统设计研究，充分考量自动化检测可能性，在轨道交通通信领域建设中也在逐步引入5G技术，深圳轨道交通11号线试行5G车地无线通信，在短短的150s内，深圳轨道交通11号线列车上40个高清摄像头带来的监控视频、设备监测等高达25GB的车载数据，通过部署在列车和车站的5G车地设备完成了自动传输。深圳轨道交通试行的5G车地无线通信是全球首例轨道交通5G超宽带车地无线通信。
高清摄像技术已经成功应用于道路监控、智能建筑管理、桥梁巡检及轨道交通运营维护等方方面面，但对铁路接触网的运营管理还缺乏深入的探讨。接触网是向电力机车提供动力的关键设备，其稳定性直接影响着整个铁路运输系统的安全与效率。由于接触网露天架设，受环境、气候等因素的影像，运行的电力机车对接触网设备具有较强的冲击性和不稳定性，接触网成成为铁路运行中的主要故障点，接触网设备及零部件的检修作业也是运营管理单位关注的重点。接触网设备检修频率高、周期长、范围广，检修通常采用人工巡检的方式，对专业人员的技术水平要求较高。
利用5G对区段接触网设备实时监测，与以往人工检修具有很多优势，如表1所示。
表1 5G监测技术和人工检修技术对比分析
3.2路基沉降监测
路基沉降的变化对铁路线运营及维护有着十分重要的意义，无论是对于有砟轨道还是无砟轨道都需要定期跟踪沉降点的变化。传统的沉降观测一般采用高精度数字水准仪进行沉降观测测量，实现小范围沉降自动化观测。对于有砟轨道货运专线，常年的轨道扰动和巨大的货运吞吐量造成路基沉降，尤其是无砟轨道对结构的刚度和基础的沉降十分敏感，其永久变形只能通过调整扣件才能恢复轨道的几何形状，但扣件的调整量非常有限，因此只能严格限制线下工程的沉降量来保障无砟轨道的安全稳定性。因此，铁路客运专线对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降提出了十分严格的要求。
3.2.1路基沉降特征分析
路基是铁路线路工程的一个重要组成部门，承受着轨道结构的重量和列车的载荷，在线路工程中处于最不稳定的环节，路基几何尺寸的不平顺，将会引起轨道的物理变形，路基的沉降观测和分析对轨道铺设起着决定性作用。
典型地基沉降特性曲线如图1所示。从路基沉降时程曲线不难发现，真实合理的监测数据曲线呈“S”形的4个阶段：①发生阶段；②发展阶段；③成熟阶段；④极限阶段。
图1 地基沉降特性曲线
3.2.2路基沉降监测
在轨道交通建设及运营维护过程中，可以无线传感网的监测方案，利用5G快速网络部署需求，减少专业的网络配置工作（自动组网），同时满足远程配置和分析的需求。
3.3供电设备运行状态动态监测
电能传输依靠高压输电线路，输电线路及其附属设备多分布在空旷、地形复杂的地区，自然环境极为恶劣，输电线路及其附属设备长期暴露在野外，持续受力、电气闪络、材料老化的影响，极易产生不同程度的损伤，需及时进行维修，因此需要定期对输电线路及其附属设备进行巡检。
传统的人工巡检面临着工作强度大、工作环境危险的难题，严重威胁着输电线路的安全稳定运行，因此研发一套无人机动态紫外成像在线监测和智能诊断预警系统是保障线路安全运行的有效方法。输电线路机载紫外巡检和故障诊断技术利用无人机搭载紫外成像仪，对线路数据进行实时传输，以实现输电线路在线检测与诊断，同时系统可通过设定临界值对光子计数的变化进行分析处理实时预警，能够实时地发现问题、反馈问题，给予工作人员准确、快捷的信息，能够及时解决处理问题，从而达到零故障发生的目标。
4.结语
在5G时代下，网络化、高清化及智能化是未来轨道交通视频监控技术的发展趋势。通过5G技术在轨道交通场景的研究可知，5G技术将会逐渐渗透到轨道交通系统的各个方面，为实现智能轨道交通提供有力的技术支撑。
作者：李承连（中铁十一局集团电务工程有限公司）
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第23期
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