高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法

陳鄭超

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法

陳鄭超1，2

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

高速鐵路實(shí)現(xiàn)高清視頻全覆蓋，結(jié)合杭黃高速鐵路工程，介紹區(qū)間數(shù)據(jù)傳輸采用GPON技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

高速鐵路；視頻監(jiān)控；GPON；工業(yè)以太網(wǎng)

隨著《中國鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的通知》（鐵總建設(shè)[2016]18號）的發(fā)布與落實(shí)，所有設(shè)計(jì)時(shí)速200 km高速鐵路區(qū)間的隧道口、公跨鐵立交橋、橋梁救援疏散通道、沿線設(shè)備機(jī)房內(nèi)外、調(diào)度局界口、車站咽喉區(qū)、區(qū)間路基、路基和橋梁結(jié)合部、6 km以上橋梁都需實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控的無縫覆蓋。

目前鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)，采用集中存儲與實(shí)時(shí)調(diào)看相結(jié)合的模式，視頻監(jiān)控前端設(shè)備與視頻節(jié)點(diǎn)間存在著恒定的視頻存儲數(shù)據(jù)流，通過區(qū)間傳輸系統(tǒng)提供透明通道進(jìn)行傳輸。隨著高速鐵路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，通道帶寬已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸需求。下面結(jié)合杭黃鐵路工程，介紹區(qū)間視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用PON以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高清視頻信號傳輸?shù)囊环N新思路。

1 工程實(shí)例

杭黃鐵路位于皖南及浙西地區(qū)，線路運(yùn)營長度287.530 km，正線橋梁167座91.887 km，隧道88 座139.448 km，全線橋隧總長231.335 km（左線、含杭長代建長度），橋隧比87.4%。最長橋梁為浦陽江特大橋，全長6.216 km。最長隧道為天目山隧道，全長12.013 km，位于皖浙交界處。

目前杭黃鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案如下：在通信、信號、牽引供電及電力供電區(qū)間機(jī)房內(nèi)、院落、GSM－R基站鐵塔（線路巡視）、橋梁救援疏散通道、公跨鐵立交橋、隧道口、車站咽喉區(qū)、聯(lián)絡(luò)線與正線連接點(diǎn)處設(shè)置視頻前端采集設(shè)備。本工程在通信基站、信號中繼站、電力電氣化節(jié)點(diǎn)通信機(jī)房設(shè)置采集點(diǎn)后端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻采集點(diǎn)設(shè)備的接入、視頻圖像壓縮編碼和視頻分析。

全線采用數(shù)據(jù)網(wǎng)和MSTP傳輸系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。車站、段所的視頻業(yè)務(wù)通過本線IP數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行承載，對于區(qū)間沒有數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，利用傳輸系統(tǒng)的1～3個(gè)VC-3時(shí)隙通道進(jìn)行透明傳輸，帶寬34 Mbit/s，考慮到封裝效率及通道開銷，通常一路VC3時(shí)隙可用帶寬為34×0.8=27.2 Mbit/s。而一路高清視頻信號1080P（200萬像素）壓縮完最小帶寬需求為4 Mbit/s,即目前區(qū)間傳輸系統(tǒng)最多只能支持18-21路高清視頻信號的存儲傳輸需求。

按照18號文要求，目前杭黃鐵路區(qū)間內(nèi)最多需布置100路高清攝像頭（最大50 km站距，按單區(qū)間內(nèi)最多8個(gè)節(jié)點(diǎn)估算），同時(shí)考慮極端情況下的集中調(diào)看情況，區(qū)間視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送帶寬應(yīng)至少能支持150路高清視頻信號的傳輸，即網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)不低600 Mbit/s，考慮到網(wǎng)絡(luò)開銷，網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)不低于600×1.2=720 Mbit/s。

2 方案介紹

鑒于杭黃鐵路的情況，可以采用以下2種方案實(shí)現(xiàn)區(qū)間高清視頻信號的傳送。

方案一：GPON方式

在沿線車站通信機(jī)房設(shè)置GPON OLT，在區(qū)間通信機(jī)房設(shè)置ONU，前端攝像機(jī)采用IP攝像機(jī)或編碼器方式完成視頻信號的編碼，接入ONU。

具體方案見圖1所示。

圖1 GPON區(qū)間視頻組網(wǎng)方案

為保證視頻信息傳輸?shù)陌踩?，ONU至OLT間可采用GPON的TYPE-B或手拉手保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)。

GPON系統(tǒng)上下行帶寬分別達(dá)到1.25 Gbit/s，2.49 Gbit/s，對于目前的高清視頻信號，主要考察上行的視頻存儲及調(diào)用帶寬，GPON技術(shù)采用GEM封裝方式綜合傳輸效率在93%左右，則一路PON接口可用帶寬為1 250×0.9=1 125 Mbit/s，即一路GPON接口最多可以支持280路高清視頻信號的傳輸。

方案二：工業(yè)交換機(jī)組環(huán)方式

在沿線區(qū)間通信機(jī)房設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，利用鐵路兩側(cè)的各2芯光纖組成區(qū)間工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)，在車站接入數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)。

具體方案見圖2所示。

圖2 工業(yè)以太網(wǎng)視頻組網(wǎng)方案

工業(yè)以太網(wǎng)采用私有協(xié)議方式保證環(huán)網(wǎng)的快速倒換，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)故障下的50 ms倒換。

采用以太網(wǎng)方式封裝數(shù)據(jù)，單環(huán)節(jié)點(diǎn)雙向傳輸帶寬均為1 Gbit/s，并支持對多條鏈路的捆綁以擴(kuò)展帶寬。在單環(huán)場景下，傳輸效率在80%左右，即一個(gè)區(qū)間單環(huán)最大可以支持200路高清視頻信號的傳輸。

3 方案比選

以上兩個(gè)方案各有優(yōu)劣。采用GPON方式組網(wǎng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到1.25 Gbit/s，在采用TYPE B或手拉手方式組網(wǎng)下，可以實(shí)現(xiàn)最快50ms的故障倒換。同時(shí)由于GPON作為無源系統(tǒng)，主要的配置及維護(hù)工作如設(shè)備注冊入網(wǎng)等都在網(wǎng)管側(cè)完成，現(xiàn)場ONU配置維護(hù)的工作量很小，非常適合于高鐵這種維護(hù)天窗很短的應(yīng)用場景。

GPON系統(tǒng)最大支持60 km邏輯距離，在多級分光場景下最少支持20 km的中繼距離，但在目前杭黃鐵路部分站間距達(dá)到50 km，可能無法滿足站間直接中繼距離要求，這就需要在部分區(qū)間站點(diǎn)增加中繼OLT，帶來了建設(shè)成本與組網(wǎng)的復(fù)雜性。

采用工業(yè)以太網(wǎng)方式組網(wǎng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬1.25 Gbit/s，支持帶寬靈活擴(kuò)展。工業(yè)以太網(wǎng)采用自愈環(huán)方式組網(wǎng)，可以提供50 ms內(nèi)的故障倒換。設(shè)備的配置及管理主要也都在網(wǎng)管側(cè)進(jìn)行，但部分情況下需要在現(xiàn)場進(jìn)行交換機(jī)的配置及維護(hù)，對現(xiàn)場人員的技術(shù)要求較高。

工業(yè)以太網(wǎng)光模塊目前最大可以達(dá)到80 km，同時(shí)可以采用跳站方式實(shí)現(xiàn)區(qū)間中繼，組網(wǎng)方式較為靈活。

考慮目前GPON系統(tǒng)的主要設(shè)備成本在OLT側(cè)，而杭黃鐵路的站間距目前有4個(gè)區(qū)間超過40 km，如采用GPON方式，就需要增加8個(gè)區(qū)間環(huán)的中繼PON設(shè)備，大大增加了系統(tǒng)建設(shè)成本。因此，建議在杭黃鐵路區(qū)間視頻組網(wǎng)仍然采用工業(yè)以太網(wǎng)方式。

4 結(jié)束語

隨著高速鐵路推進(jìn)高清視頻監(jiān)控的全覆蓋，區(qū)間接入網(wǎng)絡(luò)的寬帶化是一種必然趨勢，且優(yōu)點(diǎn)突出，值得我們對采取的技術(shù)路線進(jìn)行深入探討。

在具體的工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮系統(tǒng)性能、建設(shè)成本、運(yùn)營維護(hù)成本的平衡，選擇不同技術(shù)路線的產(chǎn)品來滿足工程應(yīng)用的實(shí)際需要。

For setting high-defi nition video along the whole high-speed railway line, the paper introduces the design and implementation methods of using GPON technology and industrial Ethernet technology to transmit data in Hangzhou-Huangshan high-speed railway project.

high-speed railway; video monitoring; GPON; Ethernet

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.008

2016-09-22）

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題課題項(xiàng)目（J2016Z020）