动车组车厢视频监控的可视化设计方法

张海雁 庄绪明 陈晓辉 李勇序

摘 要：为更好的辅助铁路安保工作，所有车型的动车组都要求在车厢公共区域设置监控摄像头。为预防监控设备装车后出现的监控盲区，造成大量返工整改问题，需要研究开发一种可视化监控分析方法。能够在设计阶段预测监控的范围及程度，提高车厢视频监控设计质量。

关键词：视频监控;可视化设计;焦距;视场角;摄像头;三维模型;盲区

0 引言

随着技术的不断发展和进步，视频监控技术已成为社会公共安全防范技术的重要组成部分，被广泛应用于金融、交通运输管理、商业、医院、工厂、学校、住宅小区等各种安防应用领域。而时至今日，动车组已成为当下主要的交通工具，是一个具有流动性大、人员高度集中的公共场所;尤其需要运用视频监控技术对整个列车的内部环境进行监控，方便列车工作人员的安全管理[2-3]。

目前，动车组车厢视频监控设计工作中，因为前期视频监控分析不够清晰、准确而造成监控盲区问题。其整改带来大量返工，影响整车生产进度及质量问题。为此，研发一种可视化监控设计方法来提高车厢设计质量、保证车辆生产效率刻不容缓。

1 视频监控相关定义及设备选型

1.1 定义

焦距：指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。

视场角：以镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。

1.2 车厢视频监控设备选型

目前，动车组车厢视频监控设备主要选用有全景网络摄像机和半球网络摄像机[1]，其主要设备参数如下：

1.2.1 全景網络摄像机

（1）视场角： 180°;

（2）方位视场角： 360°;

（3）焦距： 1.3 mm～1.4 mm，范围内定焦可选;

（4）道光孔径： 2.0。

1.2.2 半球网络摄像头

（1）水平视场角 ：>55°;

（2）垂直视场角：> 28°;

（3）焦距： 2.8 mm、4 mm、6 mm 可选;

（4）道光孔径： 2.0。

半球网络摄像机视场角及焦距示意图可参见图1。

2 车厢视频监控设计现状及典型案例

2.1 车厢视频监控要求

动车组车厢视频监控要求车厢内客室、端部上、下门及小走廊区域、餐车厨房及吧台等公共区域，要求监控清晰、无死角[1]。

2.2 视频监控设备设置

动车组上的视频监控设备设置如下：在端部小走廊及上、下门区域、餐车厨房及吧台等敞开式的公共区域内，选择视场角广大、焦距小的全景网络摄像机;

在较长的客室车厢内部，选择视场角小、焦距大的半球网络摄像机[8]。

2.3 视频监控分析现状[4-6]

在摄像头视野角度一定的情况下，摄像头位置的设置直接影响着车厢内监控范围。由于车厢内的还有其他设备，如吊顶电视、行李架等可能会出现遮挡问题。在设计阶段，我们会使用二维CAD进行简单的监控视角分析，二维分析见图2，阴影部分为监控盲区。

因二维分析不够直观、准确，有时无法发现视频监控准确范围及盲区问题。等到后期车辆调试阶段出现车厢视频监控盲区问题时，再进行设计整改，就会造成大量返工，直接影响设计质量及生产进度。

2.4 视频监控的典型案例分析

在之前项目中，由于设计阶段分析不够清晰、准确，导致后期车辆调试阶段发现一些视频监控盲区问题。主要盲区问题如下，现车监控图像见图3。

（1）被行李架遮挡，客室端部靠近侧窗侧的乘客，监控不到清晰的人脸面部图像;

（2）被车厢吊顶电视遮挡，靠近端部的乘客，起身站立在门口时，监控不到乘客肩部以上的部位。

解决此监控盲区问题，需要重新调整监摄像机位置。但此时调整位置，就必须拆除车厢内的顶板、灯具等设备，甚至需要重新布线。整个加改过程会浪费大量人力、物力，还耽误车辆生产周期。

为此，我们需要开发一种可视化监控设计方法，在设计阶段就可以预视监控的程度及范围，提高车辆设计质量。

3 可视化监控设计方法

利用现有的CATIA软件，开发一种可视化监控方法。以复兴号（CR400AF）车厢内部半球摄像头视野分析为例，其具体操作如下。

3.1 搭建车厢内装三维模型

建立车厢内装（如顶板、墙板、端墙、地板等）及车厢内设备布置三维模型，车厢设备布置应包含可能影响摄像头视野的设备（如：行李架、吊挂电视、座椅等），对于前期方案分析，可采用美工发布的三维模型，建好的车厢三维模型见图4。

3.2 建立摄像头视野边界三维模型

车厢视频监控目前采用半球摄像头。根据选定的摄像头视角参数，分别定义垂直视角、水平视角边界曲面及视角中心线;视角中心线可用于调整垂直方向视线方向，视角边界曲面设置为半透明，方便后续视野分析[10-11]。

3.3 摄像头在车厢内的布置

将摄像头视野边界三维模型装配至车厢内装三维模型中，半球摄像头一般布置在车厢内装顶板上，采用两个摄像头对向布置。具体布置如下：

视线与摄像头视线重合。

通过摄像头的视野边界曲面，并适当调整两个摄像头之间的位置，以消除摄像头覆盖范围的视野盲区，图纸中标注出的位置。

3.4 视野可视化操作过程

可视化方法是利用人机工程中人体模型的视野（Vision）可视化功能，将人体模型的眼睛移至车厢摄像头位置，模拟仿真摄像头成像[7]。

（1）选中带有摄像头的内装三维模型产品，从开始种进入“人机工程学设计与分析”界面—Human Builder。

（2）通过如下命令创建人体模型，选默认设置即可，并选中”Camera field of view analysis.product”。

（3）右鍵显示人眼视线，以用于装配模型中人眼。

（4）将人眼移至摄像头透镜位置，将人眼视线（蓝色线）与摄像头视角中心线（白色线）进行相合约束。此处可借助罗盘坐标系对人体位置进行微调，直至眼视线与摄像头视角中心线接近重合。

（5）通过人眼视窗功能，从人眼视角模拟可视化角度，通过调节人眼睛上下、左右角度，可以模拟摄像机镜头上下、左右调整功能，从而得到整个车厢客室内部的可视化图像，如图7所示。

3.5 可视化结果分析

动车组视频监控是通过GPRS网络，把中心控制模块构建的数据帧上传到监控中心，其成像清晰可辨[9]。我们将与模型分析相同车厢监控图像调出，将监控图像（图9）与视频监控分析图（图8）进行对比。从车厢监控左右范围、座椅的排数、内端门处高度可以看出，可视化监控设计效果与实车监控结果并无差异。

由此可见，车厢视频监控的可视化设计方法对于车辆的视频监控设计工作大大裨益。

4 结束语

人类在进步，科技在发展;同样伴随着快速发展的脚步，一些涉及安全的危险性事件也在不断发生。动车组车厢视频监控作为铁路安保工作一个重要组成部分，势必要与时俱进。为了适用快节奏的发展脚步，提高设计质量、避免返工性设计加改是每个设计师努力的保持方向。而利用现有资源，视频监控可视性设计方法的研发是具有代表性的一个阶段性提升。

在3D设计盛行的时代，动车组虽然内部结构复杂、包含设备繁多，但是也在大力发展整车的3D设计。设计出可视化产品结构模型，为后续出产高质量、高品质的动车组提供基础。

参考文献：

[1]库亚斌，李大峰，徐辉，等.TJ/CL408-2015，动车组车厢视频监控系统暂行技术条件[S].2015，

[2]刘勇.列车车厢视频监控系统[J].铁道通信信号，2015，51（3）：57-60.

[3]钱家强.铁路客车车厢视频监控系统研究与设计[J].中国铁路，2016（6）：85-87.

[4]陈爽.广州地铁新线车厢视频监控方案分析[J].铁路计算机应用，2014，23（5）：63-64.

[5]任佳.轨道交通车厢视频监控系统解决方案[J].中国铁路，2011（10）：38-41.

[6]孔令鑫.铁路客车车载视频监控实现方案探讨[J].中国安防，2015（10）：99-102

[7]李明智，钱雪军.地铁列车车载监控显示系统的仿真研究[J].城市轨道交通研究，2012，15（2）：96-99.

[8]王双全，张贤凯.动车组视频监控系统概述[J].科技创新导报，2016，13（23）：2-3.

[9]张金锋，朱岩，韩国盛.基于GPRS的车辆监控系统及数据通信可靠性研究[J].计算机与现代化，2011（12）：23-26.

[10]杨昊亚.基于CATIA平台的铁道车辆车轴参数化CAD系统研究[D].西南交通大学，2017，

[11]康瑞婷.基于CATIA的客车驾驶室人机工程学的设计与研究[D].河北工程大学，2015，