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赵一颖，姜志威
（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）
铁路作为国家重要的基础设施和大众化的交通工具，在现代运输体系中发挥着重要的作用。铁路旅客车站，特别是大型铁路客运枢纽站，通常位于城市人口集散的主要区域，对客流的安全集散担负着重要的社会责任[1]。在铁路旅客车站内，候车区、楼扶梯、进/出站通道等处承载了大量的旅客客流流动，因此，车站管理面临客流密度高、运营管理难度大、运输组织复杂等诸多难题。视频监控系统作为维护和保证运输安全的重要手段，无论在日常运营管理，还是应急现场指挥中，均发挥着不可替代的作用。
随着视频监控设备高清化、多样化的发展，铁路旅客车站视频监控前端设备也存在着选型标准各异、布点方式五花八门、覆盖效果参差不齐的问题。在此背景下，本文首先分析视频监控系统的工作原理，其次，分析对比半球、球机和枪机3 种类型的摄像机。再结合点状、线形和矩形3 种典型场景，提出不同的布点方式建议，以满足覆盖要求，避免监控盲区。最后，简要分析并展望智能视频分析新技术在铁路行业的应用。
摄像机是铁路旅客车站视频监控系统的前端设备，主要由成像镜头、CMOS/CCD 传感器等设备组成。以CMOS/CCD 传感器为核心元器件，对现场画面进行实时采集，在同步的视频信号产生电流回路后，通过视频信号处理芯片进行图像处理和生成[2]。
镜头由光学镜片组构成，研究中可等效近似为一片凸透镜，主要参数包括焦距和光圈。其中，焦距决定物体在传感器上成像的大小，光圈控制了镜头的景深、通光量。由于摄像机通常都具备自动对焦和自动调节光圈的功能，因此只需要根据凸透镜成像规律，研究物体成像大小与镜头等效焦距之间的关系即可，如图1 所示。
图1 成像原理示意Fig.1 Schematic diagram of imaging principle
根据高斯成像原理，可得公式（1）：
公式（1）中：H：目标垂直方向尺寸。
S：目标与镜头之间距离。
f：镜头焦距。
h：目标在传感器靶面上所成像的垂直方向尺寸。
变换后，可得公式（2）：
如公式（2）所示，可以计算出清晰可分辨的目标图像，摄像机与目标图像之间的最大距离。下面以1 920×1 080、200 万像素、靶面大小约为1/2.8 英 寸、像 素 点 尺 寸 为2.4 μm×3.2 μm 的摄像机为例进行计算，参考约翰逊准则中的条纹线对数概念，若达到区分目标特征的标准，像素高度最少为16，则靶面成像的垂直尺寸h最小为0.051 2 mm。若目标垂直高度H为1.6 m（一般人体身高），目标与镜头距离S为40 m（一般车站候车厅宽度），可得镜头焦距f为1.28 mm。即镜头焦距为1.28 mm 的1 080 P 摄像机，最大覆盖距离是40 m，随着镜头焦距增加，覆盖距离也会增加。
目前，铁路旅客车站主要采用半球型摄像机、球型摄像机和枪型摄像机（固定焦距）等3 种类型的摄像机。根据《铁路综合视频监控系统技术规范》（Q/CR 575-2017）的规定，下面针对3 种类型摄像机在分辨率、信噪比、宽动态、最低照度、红外等方面进行分析比较，具体内容如表1 所示。
表1 摄像机技术指标对比Tab.1 Comparison of camera technical indicators
综上所述，3 种摄像机各有特点和适用范围，应根据监控区域实际情况选择最适合的摄像机类型。半球摄像机由于受外形体积制约，不可转动，监控覆盖能力有限，并且需要结合吊顶等建筑设施安装，适用于小范围监控，如人工售票服务区的工位。球型摄像机自带云台装置，可转动，具有监控视角灵活可变的优势，适用于客流密集区域的定点调看，不适用于固定场景的连续监控。枪型摄像机具有安装方式灵活、镜头类型多样等特点，适用于大范围监控，如售票厅、检票口、候车厅、楼扶梯、站台等诸多场景，是铁路旅客车站视频监控摄像机的主要选型对象。
目前，不同监控区域视频监控前端设备布点主要依据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）、《铁路客运服务信息系统设计规范》（TB 10074-2016）和《铁路客运服务信息系统设计规范》（Q/CR 9140-2018）。各设计规范布点原则相同，但视频监控前端采集设备设置要求存在差异。
根据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014），在铁路旅客车站进/出站集散厅、候车区、安检区、售票区、站台、站前广场等处设置摄像头[3]。
根据《铁路客运服务信息系统设计规范》（TB 10074-2016），在铁路旅客车站站前广场、售票厅、售票室、候车区、进/出站集散厅、站台等人员密集的区域设置前端采集设备，对车站的客运服务作业以及自动检票机、自动售票机、楼扶梯、垂直电梯、地道、站台等设施进行监视。根据设置地点的不同，选择高清晰度变焦摄像机或高清晰度定焦摄像机[4]。
根据《铁路客运服务信息系统设计规范》（Q/CR 9140-2018），铁路旅客车站售补票区域、进站区、候车区域等不同监控区域视频监控前端设备布点方式要求，如表2 所示[5]。
表2 不同监控区域视频监控设备布点要求Tab.2 Layout requirements for video monitoring devices in diff erent monitoring areas
通过梳理上述规范对监控区域的划分，可以将铁路旅客车站内视频监控应用场景归纳为点状、线形和矩形3 种。根据不同场景，提出相对应的监控终端设备布点原则。
点状场景主要是人工售票服务区的工位、垂直电梯出入口等处，布点原则是结合现场安装条件，选择半球摄像机或枪型摄像机定点监控，如图2 所示。
图2 点状场景视频监控终端设备布点示意Fig.2 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in dot scene
线形场景主要是站台、楼扶梯、进/出站通道等处，布点原则是选择枪型摄像机顺向覆盖，且枪型摄像机方向应与旅客流线相对，利于捕捉旅客面部信息，如图3 所示。
图3 线形场景视频监控终端设备布点示意Fig.3 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in linear scene
矩形场景主要是售票厅、安检区、候车厅、检票口等处，布点原则是使用枪型摄像机两两一组对射或交叉覆盖；
区域较大时应设置多组，并且覆盖区域应适当交叠，避免监控盲区；
对于客流密度较大的场景，还应补充设置球型摄像机，以满足灵活调看的需求，如图4 所示。
图4 矩形场景视频监控终端设备布点示意Fig.4 Layout diagram of video monitoring terminal equipment in rectangular scene
随着视频技术和应用的日渐成熟，视频监控正朝着网络化、模块化、高清化、智能化、开放化方向发展[6]。智能视频监控结合了计算机视觉技术与人工智能技术，通过对视频图像内容的描述、理解和分析，过滤图像中的无效干扰信息，自动抽取视频中的有效信息，对监控场景中的变化进行定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，能在异常情况发生时及时发出警报或提供有用信息，有效协助车站工作人员处理危机，最大限度降低误报和漏报现象[7]。
目前，智能视频分析系统已在京张高铁上线应用。智能视频分析的实现可分为前端分析和后端分析2 种。京张高铁在车站旅服系统设置视频分析服务器，并安装视频分析软件，对接收到的视频内容进行分析，实现站台越线检测、站台端部入侵检测、客流密度检测、排队长度检测和扶梯人流逆行检测等功能[8]。
为保证智能视频分析功能的实现，需对铁路旅客车站视频监控前端按以下原则进行优化补强。
第一，站台两侧的枪型摄像机覆盖范围按照不超过110 m 进行控制，保证监控对象在摄像机的成像单元上有足够多的像素数量，用于智能视频应用。
第二，站房内外的摄像机逐类区域细化布点原则，选择最佳的监控视角，客流密度大的区域采用“枪型摄像机+球型摄像机”的组合方案，并且对覆盖盲区进行监控补强，为智能视频应用提供丰富的信息量。
第三，考虑到光照是影响智能视频应用效果的重要因素，摄像机应支持宽动态功能、强光抑制及逆光补偿功能，并且具备红外补光功能。同时，室外摄像机具备低照度的性能。
铁路旅客车站视频监控终端设备正在不断向高清化、网络化和智能化方向发展，新型设备为其提供多种解决方案，包括前端分析型智能摄像机、全景拼接摄像机及4K 超高清摄像机等。下面对于这几种新型设备进行简要分析。
1）前端分析型智能摄像机：得益于数字化芯片技术的飞速发展，市场中涌现出大量的前端分析型智能摄像机，能够从视频监控系统获取视频流，并对其进行智能分析，进而对车站候车厅、站台等关键场所中旅客的聚集、斗殴、丢包、绊黄线等异常行为触发告警提示[9]。但是，由于各厂家的智能信息数据采用私有协议传输，无法保证通信专业设置的综合视频监控系统后端设备与摄像机同厂家，所以前端分析型智能摄像机在铁路旅客车站视频监控系统中尚未广泛应用。
2）全景拼接摄像机：全景拼接并不是一个新概念，早期产品主要依靠后端服务器实现图像拼接，如目前仍能见到的多台枪型摄像机架加智能拼接服务器组成的180°全景或360°全景产品[10]，实际使用效果欠佳。虽然目前全景拼接摄像机已全面更新换代，采用一体化超高清多镜头的架构，甚至集成鱼眼镜头，可实现360°全景监控，适用于进站区域、候车大厅的整体性监控。相较于目前人工多画面“脑补”拼接，优势明显。但是，各厂家全景拼接摄像机的设计架构差异较大，没有统一的标准进行规范，而且拼接视频流的传输大多也是采用私有协议，所以全景拼接摄像机在铁路旅客车站视频监控系统中尚未广泛应用。
3）4K 超高清摄像机：图像分辨率是视频监控摄像机的重要指标之一，目前铁路旅客车站视频监控，其他综合视频监控系统的前端摄像机，均采用1 920×1 080 的全高清分辨率，但是视频监控领域的主流产品，已经经历2K、3K 的过渡，可以达到4K，甚至是6K、8K 的分辨率。以4K 为例，国际电信联盟对4K 超高清的定义是水平清晰度3 840，垂直清晰度2 160，宽高比16：9，830 万像素[11]。从定义中可以看出，4K 超高清摄像机的分辨率是1 080 P 摄像机的4 倍。尽管4K 超高清摄像机的设备单价正在逐步走低，但是受限于通信专业综合视频监控系统的接入条件限制，以及传输带宽需求和存储成本的4 倍增加等问题，所以4K 超高清摄像机在铁路旅客车站视频监控系统中尚未广泛应用。
除了前文提到的几种新型摄像机，还可以在视频监控领域探索BIM 技术的应用，在铁路旅客车站三维场景内，对摄像机监控覆盖区域、覆盖效果进行仿真[12]。随着科技的进步和铁路综合视频监控系统的优化升级，新产品、新技术必将在铁路旅客车站视频监控领域得到更为广泛的应用。
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