工業(yè)以太網(wǎng)在鐵路區(qū)間視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

張炅

摘 要 本文結(jié)合鐵路視頻監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求，介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，提出了鐵路區(qū)間視頻監(jiān)控采用工業(yè)以太網(wǎng)的解決方案，供工程設(shè)計中參考。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng) 區(qū)間視頻監(jiān)控 組網(wǎng)方案

在鐵路快速發(fā)展的今天，隨著快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)、煤運(yùn)通道、區(qū)際干線建設(shè)的推進(jìn)和既有鐵路技術(shù)改造的加快，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在鐵路運(yùn)輸中的需求越來越迫切。高速鐵路的建設(shè)及鐵路管理的精細(xì)化對監(jiān)控圖像清晰度要求的不斷提高，高清化逐漸成為鐵路視頻監(jiān)控發(fā)展的趨勢。然而高清化不僅意味著更清晰的圖像和更好的效果，也帶來了更高的遠(yuǎn)距離傳輸帶寬。如何采用穩(wěn)定可靠的方案滿足鐵路區(qū)間視頻圖像傳輸?shù)男枨笫潜疚挠懻摰闹攸c(diǎn)。

1 現(xiàn)狀與存在的問題

高速鐵路均配套建設(shè)有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如下：在鐵路沿線重要處所設(shè)置視頻采集點(diǎn)，目前大多采用模擬攝像機(jī)；在區(qū)間通信節(jié)點(diǎn)（區(qū)間基站、信號中繼站、電氣化所亭等）設(shè)置視頻匯集點(diǎn)，負(fù)責(zé)鄰近視頻采集點(diǎn)圖像的接入、編碼；在沿線車站設(shè)置視頻接入節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)本站以及臨近區(qū)間視頻采集點(diǎn)的圖像接入、處理和存儲。

視頻接入節(jié)點(diǎn)間的視頻圖像業(yè)務(wù)主要通過鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)承載，視頻接入節(jié)點(diǎn)與視頻匯集點(diǎn)之間通過各線接入層SDH傳輸系統(tǒng)提供的FE通道承載，視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)（或視頻接入節(jié)點(diǎn)）主要通過光纖或視頻線纜連接。鐵路區(qū)間視頻監(jiān)控具有視頻采集點(diǎn)分布廣泛、接入距離遠(yuǎn)、視頻業(yè)務(wù)帶寬需求大等特點(diǎn)，導(dǎo)致視頻圖像傳輸面臨以下問題：

1.1 光纜芯數(shù)占用過多

傳統(tǒng)方式下，視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)一般采用點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)組網(wǎng)方式組網(wǎng)，不僅建設(shè)成本高，還會占用大量光纜資源，也為后期運(yùn)維管理帶來不便。

1.2 區(qū)間傳輸網(wǎng)帶寬壓力大

視頻匯集點(diǎn)至視頻接入節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)通道基本上采用邏輯點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式，占用了大量接入層2Mb/s傳輸通道資源，并且無網(wǎng)絡(luò)冗余功能。隨著720p、1080p分辨率高清視頻的普及將進(jìn)一步加劇這種現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差

視頻監(jiān)控作為保障行車安全的重要輔助手段，時常會根據(jù)監(jiān)控需要補(bǔ)充設(shè)置視頻采集點(diǎn)，既有“點(diǎn)對點(diǎn)”星形組網(wǎng)方式不利于后期增加視頻采集點(diǎn)。

為了解決上述問題，我們需要尋找能夠同時提供覆蓋范圍廣、帶寬高、擴(kuò)展性強(qiáng)的方案來解決區(qū)間視頻圖像傳輸?shù)膯栴}。

2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)以太網(wǎng)是在以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種工業(yè)用通信網(wǎng)絡(luò)，與商用以太網(wǎng)交換機(jī)相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用工業(yè)級設(shè)計，支持-40～85℃寬溫工作、工業(yè)級的外殼設(shè)計（IP30等級防護(hù)）、抗震、防沖擊、機(jī)架或?qū)к壈惭b、冗余直流或交流輸入，可以抵抗現(xiàn)場各種惡劣環(huán)境。

（2）支持冗余環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，100個節(jié)點(diǎn)的環(huán)網(wǎng)單點(diǎn)故障自愈時間小于50ms，網(wǎng)絡(luò)局部單元出現(xiàn)故障，不影響整個系統(tǒng)的正常工作。

（3）支持遠(yuǎn)距離傳輸，單模光纖在無中繼的情況下傳輸距離可達(dá)80km，滿足鐵路視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)空間分布廣，距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

（4）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力，支持SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，實現(xiàn)集中管理和配置、故障報警、數(shù)據(jù)流量、誤碼率分析等。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于電力、交通、冶金、石油石化、工業(yè)控制等領(lǐng)域，在高速鐵路列控和SCADA系統(tǒng)中也已得到成功應(yīng)用。與基于xPON的區(qū)間光通信技術(shù)相比，其長傳輸距離、高可靠性、安全性等方面都具有優(yōu)勢，更適合用于鐵路區(qū)間視頻圖像的傳輸。

工業(yè)以太網(wǎng)自愈環(huán)網(wǎng)采用快速冗余技術(shù)，使保護(hù)倒換時間為毫秒級，實時性和可靠性很高，在組網(wǎng)時應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)。單環(huán)網(wǎng)物理上是閉環(huán)，邏輯為開環(huán)，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)不區(qū)分主從關(guān)系，正常工作時，數(shù)據(jù)在主鏈路進(jìn)行傳輸，當(dāng)發(fā)生故障（單點(diǎn)設(shè)備故障或鏈路故障）時，數(shù)據(jù)自動從反方向傳輸，從而實現(xiàn)自愈。雙環(huán)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸，并選擇最近的路徑傳輸，減輕了每個交換機(jī)的負(fù)擔(dān)。

3 組網(wǎng)方案

綜合考慮鐵路區(qū)間視頻業(yè)務(wù)帶寬需求和投資的性價比，本次推薦采用GE單環(huán)網(wǎng)方案，保證網(wǎng)絡(luò)的輕載并預(yù)留后期的發(fā)展空間。

3.1 視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)

在車站視頻接入節(jié)點(diǎn)、區(qū)間視頻匯集點(diǎn)設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，利用鐵路兩側(cè)干線光纜中的各2芯光纖構(gòu)成分別組建站間單環(huán)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。相鄰站間環(huán)網(wǎng)在車站單點(diǎn)相切，共用1臺設(shè)備。與傳統(tǒng)的鏈形組網(wǎng)方式相比，不僅大大提高了網(wǎng)絡(luò)的自愈能力，避免單點(diǎn)失效導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)不能正常工作，而且提高了視頻監(jiān)控信息存儲的安全性和高效性。

為了實現(xiàn)相鄰站間環(huán)網(wǎng)的子網(wǎng)隔離，車站視頻接入節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用三層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，視頻匯集點(diǎn)采用二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。如果整個網(wǎng)絡(luò)全部采用二層設(shè)備組網(wǎng)，全線均在一個大的網(wǎng)段內(nèi)，存在不能隔離廣播域的缺點(diǎn)，一旦其中一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障，將產(chǎn)生大量廣播報文，這些報文會很快擴(kuò)散到其它相鄰站間環(huán)網(wǎng)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。此外，視頻接入節(jié)點(diǎn)的三層設(shè)備還要為提供與鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)互聯(lián)的路由協(xié)議，以及基于訪問控制列表的數(shù)據(jù)流量控制、網(wǎng)絡(luò)安全防范等功能。

3.2 區(qū)間視頻采集點(diǎn)與視頻匯集點(diǎn)/接入節(jié)點(diǎn)

當(dāng)區(qū)間視頻采集點(diǎn)數(shù)量較少時，可以采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)鏈形組網(wǎng)方式接入臨近的視頻采集點(diǎn)或視頻接入節(jié)點(diǎn)；也可根據(jù)視頻采集點(diǎn)的分布情況構(gòu)建多個小型分支光纖環(huán)網(wǎng)，最終與本文3.1中的環(huán)網(wǎng)形成相切環(huán)，如圖2所示。

當(dāng)區(qū)間視頻采集點(diǎn)數(shù)量較多時，如全線或某段線路進(jìn)行視頻監(jiān)控?zé)o縫覆蓋方式，此時鏈形組網(wǎng)方式無法體現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)高實時性和可靠性的冗余環(huán)網(wǎng)優(yōu)勢?？梢詤⒄?.1中視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式，組建站間視頻采集點(diǎn)單環(huán)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)束語

目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已日漸成熟并在各工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，因此適時在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中引入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，不僅較好地滿足了鐵路區(qū)間視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的接入需求，而且使視頻網(wǎng)絡(luò)更加安全、可靠。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將為鐵路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信提供更加靈活的解決方案，相信工業(yè)以太網(wǎng)在鐵路通信建設(shè)領(lǐng)域?qū)惺謴V闊的應(yīng)用前景。

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作者單位

武漢新業(yè)人力資源服務(wù)有限公司 湖北省武漢市 430063