內(nèi)蒙古呼和浩特至包頭全路段監(jiān)控系統(tǒng)改造

孫殉

[摘要]全程監(jiān)控系統(tǒng)圖像傳輸質(zhì)量和安全性，路段設(shè)備取電的綠色節(jié)能方面，對(duì)高速公路運(yùn)維管理、安全督導(dǎo)起著至關(guān)重要的作用。本文從圖像采集、編碼、傳輸、查看、回放、存儲(chǔ)等幾方面介紹了高速公路全程監(jiān)控改造工程設(shè)計(jì)內(nèi)容.實(shí)現(xiàn)了圖像高質(zhì)量傳輸、造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理、圖像傳輸安全可靠、促進(jìn)交通安全督導(dǎo)等目的。

[關(guān)鍵詞]編碼器；攝像機(jī)；通信環(huán)網(wǎng)；風(fēng)光互補(bǔ)

呼和浩特至包頭段高速公路（以下簡(jiǎn)稱“呼包高速”）是國高網(wǎng)京藏高速公路（G6）以及京新高速公路在內(nèi)蒙古境內(nèi)的其中一段，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)“8988”公路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，呼包高速改擴(kuò)建工程途徑呼和浩特市和包頭市，路線全長(zhǎng)217396公里。

呼包高速監(jiān)控系統(tǒng)改造，設(shè)計(jì)為全路段實(shí)時(shí)監(jiān)控模式，平均每隔700米設(shè)置一處路側(cè)立桿式監(jiān)控?cái)z像機(jī)，將原有模擬圖像攝像機(jī)全部更換為數(shù)字傳輸、存儲(chǔ)模式，要求對(duì)每個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行IP地址分配、本地存儲(chǔ)、全網(wǎng)段劃?rùn)?quán)限模式實(shí)時(shí)查看、回放等。

一、初期方案比選

（一）改造前模擬攝像機(jī)

在改造前模擬監(jiān)控時(shí)期，前端攝像機(jī)的輸出接口是BNC，單一的接口使組網(wǎng)受到極大限制，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行IP地址分配、全網(wǎng)段實(shí)時(shí)查看、回放的要求，且用金屬等線纜作為模擬圖像傳輸介質(zhì)，其造價(jià)高、圖像質(zhì)量無法保證，因此不符合本次監(jiān)控改造需求。

（二）網(wǎng)絡(luò)IP攝像機(jī)

本次改造初期，探討過前端使用網(wǎng)絡(luò)IP攝像機(jī)，其輸出接口為Rj45。該產(chǎn)品雖然能滿足對(duì)每個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行IP地址分配、全網(wǎng)段實(shí)時(shí)查看、回放的要求，但沒有本地臨時(shí)存儲(chǔ)功能，對(duì)臨時(shí)發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)中斷，圖像無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控存儲(chǔ)服務(wù)器中，易造成圖像丟失，對(duì)高速公路運(yùn)行的事故處理、查看等帶來極大不便，因此不符合本次監(jiān)控改造需求。

（三）前端模擬攝像機(jī)加視頻編碼器組合

前端攝像機(jī)將采集到的圖像通過短距離視頻電纜（不超過15米），將模擬信號(hào)傳輸?shù)角岸艘曨l編碼器中，編碼器接收到模擬信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)編碼器進(jìn)行IP地址設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在全網(wǎng)域范圍內(nèi)的自由傳輸，同時(shí)前端視頻編碼器具有本地臨時(shí)存儲(chǔ)功能，根據(jù)需求可以設(shè)置不低于7天的本地存儲(chǔ)時(shí)間，極大的滿足了高速公路運(yùn)營(yíng)管理要求，因此該方案符合本次監(jiān)控改造需求。

二、傳輸技術(shù)介紹

（一）E PON光網(wǎng)絡(luò)接入

光纖接入從技術(shù)上可分為兩大陣營(yíng)：有源光網(wǎng)絡(luò)（AON，Active Optical Network）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON，Passive Optical Nework）。1983年，BT實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)明了PON技術(shù)；PON是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，由于消除了局端與用戶端之間的有源設(shè)備，它能避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，提高系統(tǒng)可靠性還能節(jié)省運(yùn)維成本，是運(yùn)維部門期盼已久的技術(shù)。PON的業(yè)務(wù)透明性較好，理論上可承載任何制式和速率的信號(hào)。目前基于PON的實(shí)用技術(shù)主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等幾種。在各種PON技術(shù)之爭(zhēng)的過程中，EPON脫穎而出，率先進(jìn)入大規(guī)模商用階段，這得益于EPON融合了多種最佳技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。把EPON技術(shù)引入到前端攝像機(jī)和編碼器中，利用EPON技術(shù)可以衍生出星型或總線型等諸多千變?nèi)f化的組網(wǎng)，如下所示：

EPON星型組網(wǎng)圖

EPON系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：

1.TCO成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展，易于升級(jí)。EPON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護(hù)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本和管理成本低；

2.EPON系統(tǒng)對(duì)局端資源占用很少，多個(gè)終端設(shè)備接入時(shí)只需占用一個(gè)局端設(shè)備端口：

3.能提供高帶寬。EPON目前可以提供上下行對(duì)稱的1Gbps的帶寬，并且隨著以太技術(shù)的發(fā)展可以平滑升級(jí)到106bps；

4.提供高安全性的前端接入。

在常見的以太網(wǎng)中，對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層安全性考慮甚少。以太網(wǎng)自身沒有認(rèn)證或安全機(jī)制，理論上一個(gè)以太網(wǎng)端口可以接入任何一臺(tái)終端設(shè)備。而EPON則不然，不是所有的終端設(shè)備都能隨意的接入到EPON網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)終端設(shè)備的身份進(jìn)行認(rèn)證，只有合法的終端設(shè)備才能接入到EPON網(wǎng)絡(luò)中去。即使是經(jīng)過合法認(rèn)證接入后的設(shè)備，其通信過程啟用了128位的AES加密或者48位的三重?cái)噭?dòng)加密，形成端到端的加密通道，而且各個(gè)終端設(shè)備的密鑰都不同，每10秒更新一次，其時(shí)間周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于密鑰破譯所需時(shí)間，具有很高的安全性。

EPON的適用場(chǎng)景

在高速公路中的高安全性接入

在高速公路監(jiān)控的部署中，由于其安全性因素，都要求IP不到路面，采用EPON方式接入是最合適的。在高速公路的設(shè)計(jì)模型中，EPON的總線型和扇形覆蓋都比較常見?？偩€型覆蓋主要應(yīng)用在高速公路中的道路監(jiān)控，而扇形覆蓋則主要適用于一個(gè)園區(qū)的監(jiān)控。

在高速公路中的高可靠性接入

在高速公路的應(yīng)用場(chǎng)景下，業(yè)界通用的方案是選用光端機(jī)，采取手拉手的組網(wǎng)方案，此方案需要對(duì)光端機(jī)供電，而高速公路上供電穩(wěn)定性無法保障，如果出現(xiàn)一臺(tái)光端機(jī)設(shè)備掉電，則會(huì)導(dǎo)致后面所有節(jié)點(diǎn)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都無法回傳，可靠性很差，如下圖所示：

把總線型分光模式引入到高速公路監(jiān)控解決方案中，利用EPON長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)，突破EPON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中20公里限制，延伸一倍達(dá)到40公里。如果采取3公里的密度進(jìn)行部署，可以進(jìn)行11級(jí)分光，覆蓋范圍能達(dá)到36公里。而分光器是無源設(shè)備，根本無需考慮掉電風(fēng)險(xiǎn)。

（二）RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議）接入

環(huán)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)單而言，就是將設(shè)備連接到一起構(gòu)成環(huán)狀，實(shí)現(xiàn)相互通信的一種技術(shù)。為避免環(huán)網(wǎng)中產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，最初業(yè)界普遍采用STP協(xié)議環(huán)路保護(hù)機(jī)制。但實(shí)際應(yīng)用中STP協(xié)議的收斂時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊戄^大，在網(wǎng)絡(luò)直徑大時(shí)收斂時(shí)間較長(zhǎng)，無法滿足視頻流傳輸?shù)囊?，迫切需要一種故障時(shí)收斂時(shí)間短的環(huán)網(wǎng)技術(shù)，故障切換時(shí)對(duì)視頻圖像基本無影響，RRPP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。RRPP能為二層以太網(wǎng)絡(luò)提供高可靠性的服務(wù)質(zhì)量保證，可以防止環(huán)路上的廣播風(fēng)暴，鏈路故障時(shí)可以提供小于50ms的快速收斂，基本不影響視頻圖像的連續(xù)性。

1.每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有雙鏈路上行，并具環(huán)網(wǎng)保護(hù)機(jī)制

環(huán)網(wǎng)拓?fù)湎?，編碼器為雙端口接入，在一個(gè)端口down的情況下，依然可以保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，對(duì)端口的光電屬性無要求，可以是光電接口混合組網(wǎng)。

2.環(huán)網(wǎng)拓?fù)浔苊饬薙RG（Shared Risk Group共享風(fēng)險(xiǎn)組）問題

環(huán)網(wǎng)拓?fù)湎碌木W(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)間的光纖分別走不同的管道，不會(huì)存在SRG的問題。

3.RRPP環(huán)網(wǎng)提供了50ms的快速保護(hù)倒換能力

RRPP是一個(gè)專門應(yīng)用于以太網(wǎng)環(huán)的鏈路層協(xié)議，它在以太網(wǎng)環(huán)中能夠防止數(shù)據(jù)環(huán)路引起的廣播風(fēng)暴；當(dāng)以太網(wǎng)環(huán)上一條鏈路斷開時(shí)，能迅速啟用備份鏈路以恢復(fù)環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信通路。和STP協(xié)議相比，RRPP協(xié)議具有拓?fù)涫諗克俣瓤旌褪諗繒r(shí)間與環(huán)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)無關(guān)的特點(diǎn)。

4.低成本的高可靠性接入方案

RRPP環(huán)網(wǎng)接入只需要2芯光纖即可完成環(huán)網(wǎng)的搭建，適用于光纖資源緊缺，核心設(shè)備端口資源緊張，要求成本控制，要求高可靠性的場(chǎng)景。

（三）雙鏈路上行組網(wǎng)

安裝在重要點(diǎn)位的編碼器，對(duì)可靠性要求很高，除了選取高質(zhì)量元器件設(shè)備以及高穩(wěn)定IMOS軟件的基礎(chǔ)，還需考慮到鏈路級(jí)的冗余備份機(jī)制。如下圖所示，當(dāng)一條鏈路故障或者一臺(tái)上行交換機(jī)故障或異常斷電，視頻流量能自動(dòng)的遷移到另外一個(gè)網(wǎng)口或者鏈路上，視頻監(jiān)控流量不受影響。

改造后路段監(jiān)控?cái)z像機(jī)選用市電供電和風(fēng)光互補(bǔ)兩種供電方式：

（一）市電供電

1.除距離供電點(diǎn)較遠(yuǎn)的外場(chǎng)設(shè)備采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)供電，各收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)附近的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備供電均引自就近變電所低壓配電柜，監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留回路。

2.監(jiān)控外場(chǎng)選用YJV₂₂型電力電纜，線纜壓降按小于額定電壓的5%。

3.根據(jù)外場(chǎng)設(shè)備實(shí)際負(fù)荷、電力電纜敷設(shè)路由，選用電纜線徑、敷設(shè)長(zhǎng)度以及斷路器的型號(hào)。

（二）風(fēng)光互補(bǔ)供電

距離就近供電點(diǎn)較遠(yuǎn)的外場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，采用低壓電力電纜方式配電，電能損耗較大，且經(jīng)濟(jì)性較差，因此采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能光伏組件、風(fēng)機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器（含泄荷器）、蓄電池組、設(shè)備機(jī)箱、蓄電池箱、安裝支架等組成。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的額定輸出電壓DC 24V，若攝像機(jī)輸入電壓與之不一致，需選用逆變器或變換器轉(zhuǎn)換后供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量需根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲?、風(fēng)能自然條件來進(jìn)行配置，并進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，需保證整個(gè)系統(tǒng)在連續(xù)陰天、無風(fēng)情況下正常工作4天，本改造項(xiàng)目風(fēng)光互補(bǔ)的最低配置不低于：太陽能光伏電池組件800Wp、風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率不小于300W、蓄電池450Ah（單塊12V150Ah，2串3并）。

路段監(jiān)控需為路段運(yùn)營(yíng)解決全路網(wǎng)監(jiān)控?zé)o死角、圖像清晰、不丟失，并根據(jù)設(shè)置權(quán)限實(shí)時(shí)、方便的調(diào)取、回看圖像。本文根據(jù)呼包高速路段實(shí)際情況，切入運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)呼包高速路段監(jiān)控改造工程從圖像質(zhì)量、傳輸、安全、存儲(chǔ)、調(diào)用、供電等多方面進(jìn)行了討論，并在其后的項(xiàng)目實(shí)施中得到了印證，運(yùn)行效果良好、系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足了呼包高速運(yùn)維對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)改造的目標(biāo)需求。