城市軌道交通車載視頻監(jiān)控傳輸存儲方案

寧遞杰

摘要：城市軌道交通車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展一直受到車地通信帶寬的限制。目前，城市軌道交通車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用車載分布式存儲方案，該方案視頻數(shù)據(jù)一般儲存于列車上，由于硬盤空間限制，其儲存時間一般為7 d，且無法實現(xiàn)歷史視頻在線調(diào)閱，已經(jīng)無法滿足運營管理需求。為解決此問題，文章介紹了一種城市軌道交通車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸存儲方案，并分析了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：車載視頻;車地通信;數(shù)據(jù)存儲;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展完善和人們在公共出行安全意識方面的不斷提高，人們對城市軌道交通運營安全提出了更高的要求。城市軌道交通中車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)在運營事件和安全事件的調(diào)查過程中，發(fā)揮著日益重要的作用。

根據(jù)《中華人民共和國反恐怖主義法》2018年修訂后第三十二條要求，涉及公共安全的場所采集的視頻圖像保存期限不得少于90 d。列車作為公共安全場所的一部分，對城市軌道交通車載視頻監(jiān)控存儲容量提出了更高的要求。目前城市軌道交通車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲時間一般在7 d左右，極限一般也只能做到30 d，且無法實現(xiàn)歷史視頻在線調(diào)閱查看。本文介紹了一種城市軌道交通車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸存儲方案，并分析該方案的可行性。

1 存在問題及分析

目前城市軌道交通車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用車載分布式存儲方案，在駕駛室、客室，分別安裝大容量網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（NVR）來存儲車載CCTV視頻，該方案車載視頻錄像儲存至NVR，如果按照六節(jié)編制B型（6B型）列車進(jìn)行計算，共計需要安裝24路高清攝像機(jī)（IPC），攝像機(jī)為1 080 p清晰度，3 Mbit/s碼流，每車每日運行20 h?？梢杂嬎愠雒苛熊嘚VR最低需要存儲容量≈55.62 TB（見式3）。

首先，計算一臺IPC每小時的存儲容量，單位為MB。

由此可見，車載分布式存儲方案，在未考慮冗余的情況下，每列6B編組列車的存儲容量高達(dá)50 TB以上，如采用大容量機(jī)械硬盤，則在列車震動、粉塵等惡劣的工作條件下極易損壞。如果采用SSD硬盤，則相對于機(jī)械硬盤，造價提高3～5倍，如果再考慮增加冗余的情況，成本還要在此基礎(chǔ)上提高30%以上。

歷史視頻的在線調(diào)看，也是長期困擾城市軌道交通運營的難題，傳統(tǒng)的車載CCTV系統(tǒng)或受制于車地?zé)o線通信系統(tǒng)（LTE-M或者802.11 n）帶寬，僅能滿足為數(shù)不多的幾路視頻實時調(diào)看與輪詢，特別是在全自動駕駛的情況下，給調(diào)度工作帶來很大的難度。如果需要調(diào)看歷史視頻，通常需要人工登車進(jìn)行拷貝，因視頻容量較大及接口拷貝速度限制，根據(jù)上述式（2）可以得知每列車每天有約633 GB的數(shù)據(jù)。根據(jù)檢修統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，登車拷貝數(shù)據(jù)，每線每月需進(jìn)行50次拷貝工作，每次耗時至少2 h，視頻拷貝甚至影響列車夜間檢修工作，浪費大量人力物力。

2 無線方案分析

目前城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)主要為WLAN無線和LTE-M技術(shù)兩種。WLAN技術(shù)作為最早進(jìn)入城市軌道交通車地?zé)o線通信的技術(shù)，隨著城市軌道交通建設(shè)要求不斷提高，WLAN技術(shù)問題也慢慢突顯出來。比如存在隧道內(nèi)設(shè)備多，維護(hù)不便;快速切換協(xié)議為各制造商私有，設(shè)備互換性差;為實現(xiàn)快速切換，多采用多鏈接鏈路選擇協(xié)議，信令開銷及空間數(shù)據(jù)流沖突很大，導(dǎo)致有效速率大幅降低;高速移動條件下通信不穩(wěn)定等問題。

在2015年工信部批準(zhǔn)了1 785～1 805 MHz專用頻段作為城市軌道交通專用頻段，該頻段可以提供更安全、更穩(wěn)定的傳輸通道，但是LTE-M技術(shù)方案也存在一定的局限性，該頻段最大有效傳輸帶寬僅僅為20 M。根據(jù)10+10 MHz的傳輸帶寬進(jìn)行分配，5 MHz用于信號CBTC的A網(wǎng)加緊急文本，另外15 MHz中的10 MHz用于信號CBTC的B網(wǎng)加PIS。所以，真正能用于CCTV的僅剩余約5 MHz的傳輸帶寬，在工信部所規(guī)定的20 MHz頻段內(nèi)，LTE技術(shù)難以提供滿足車載監(jiān)控視頻的傳輸儲存。

3 解決方案

由于WLAN和LTE-M技術(shù)很難實現(xiàn)車載監(jiān)控視頻的傳輸儲存，故本文按照城市軌道交通的獨有特征，設(shè)計了一種60 GHz無線車地通信方案。由于60 GHz的無線頻點處于大氣傳播中的衰減峰值，頻段不適合長距離通信，但是其作為短距離無線通信，具有傳輸速率高、安全性能高、抗干擾能力強(qiáng)、通用性好的等優(yōu)點，其實際數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)到1 Gbit/s，本方案根據(jù)城市軌道交通運行高密度停車的特性，利用列車停站和線路終點在折返線區(qū)域低速運行期間，實現(xiàn)列車車載視頻回傳。

3.1 設(shè)備系統(tǒng)組成

60 GHz無線車地通信方案中，列車仍然利用列車原有車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)，各個子系統(tǒng)單元不變，在列車上安裝兩套60 GHz的車載天線，用于與地面設(shè)備進(jìn)行通信，利用原有的網(wǎng)絡(luò)與列車車載NVR連接，列車車載視頻數(shù)據(jù)儲存于車載NVR，但是NVR只需要設(shè)置滿足48 h數(shù)據(jù)儲存的SSD即可，SSD容量根據(jù)上述式（1）和式（2）計算可知，僅僅需要1.5 TB即可。另外地面設(shè)備需在站臺上下行兩端設(shè)置兩套AP，用于接收來自于列車視頻數(shù)據(jù)信息，并與車站服務(wù)器進(jìn)行連接。系統(tǒng)圖見圖1。

3.2 設(shè)備布置要求

（1）需要計算每列車線路全程的數(shù)據(jù)總量和視頻數(shù)據(jù)回傳時間，以前文所述6B編組列車為例，假設(shè)列車單程運行時間為1 h，則單程運行過程中，列車存儲的車載CCTV視頻容量≈31.64 GB。使用60 GHz車地?zé)o線設(shè)備，其帶寬理論上可以超過1 Gbit/s，現(xiàn)按照1 Gbit/s進(jìn)行計算，完成單程31.64 GB視頻回傳，僅約需253.1 s。

（2）計算線路軌旁所需布置的設(shè)備數(shù)量，根據(jù)上述計算，完成單程視頻數(shù)據(jù)回傳需要約253.1 s。如果以終點停車清客加上列車折返時間180 s，列車中途每站停站時間40 s，只需要在正線上折返線以及沿線部署3座車站，即使有效回傳時間按照90%計算也有270 s進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，完全可以實現(xiàn)本單程列車車載視頻數(shù)據(jù)的回傳。

（3）為防止列車中途退出運營，列車不停站通過，部分視頻數(shù)據(jù)不能通過車站以及折返線進(jìn)行回傳。所以需要在車輛段停車線設(shè)置一套與正線站臺一樣的AP設(shè)備，并與車輛段機(jī)房服務(wù)器進(jìn)行連接。

4 方案優(yōu)勢

本方案利用了城市軌道交通運行高密度停車的特性，巧妙地利用列車停站的短暫時間，折中利用列車停站和在折返線區(qū)域低速運行期間，實現(xiàn)車載視頻的回傳;由于視頻數(shù)據(jù)在列車單程運行時間內(nèi)均被回傳到地面保存，車載NVR僅需要存儲48 h數(shù)據(jù)即可，無須大量使用昂貴的工業(yè)級SSD;可實現(xiàn)車載視頻數(shù)據(jù)歷史視頻的實時調(diào)看，調(diào)看時延視區(qū)間運行時分而定，通常在數(shù)分鐘以內(nèi);只在站臺兩端部署無線通信設(shè)備，隧道內(nèi)無須安裝任何設(shè)備，成本低，可維護(hù)性好;基本為靜態(tài)傳輸，不需要車地?zé)o線通信系統(tǒng)支持快速切換，無須使用制造商私有切換協(xié)議，互換性好;所有硬件設(shè)備均為成熟產(chǎn)品，無須專門定制。5 結(jié)語

該系統(tǒng)巧妙地利用了靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)高帶寬的特性，避免了全線部署移動網(wǎng)絡(luò)面臨的困難，有效地完成了車載視頻數(shù)據(jù)回傳和地面存儲，特別適用既有線路的改造。同時，該系統(tǒng)還可兼顧列車TCMS及信號系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)回傳，為基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測性維護(hù)奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2020-06-10