某城市軌道交通車載視頻無線回傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉振

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海市 200070）

1 引言

目前國家對(duì)重要公共場所視頻監(jiān)控存儲(chǔ)時(shí)間要求較高（90 天存儲(chǔ)），而軌道交通車輛受限于空間的局限性，車載視頻監(jiān)控存儲(chǔ)時(shí)間一般為15 天左右。為滿足視頻90 天存儲(chǔ)要求，一般利用人工將車載視頻數(shù)據(jù)通過U 盤拷貝至地面存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間長、人工維護(hù)工作量大（如：人工操作讀寫、License 維護(hù)、U 盤管理等）的問題，且存在感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于頻繁的U 盤插拔導(dǎo)致車載設(shè)備板卡故障率較高。鑒于以上問題，基于長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期工程的實(shí)際需求，在車輛基地設(shè)置車載視頻無線回傳系統(tǒng)，在車輛回庫后通過車地?zé)o線方式將車載視頻數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面保存。

2 功能需求

2.1 無線視頻回傳

（1）當(dāng)探測到車輛進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域（車輛基地停車庫），與車輛建立連接并啟動(dòng)車載視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）檢查有無未完成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如有則啟動(dòng)傳輸；如無則進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（3）視頻備份完成后每隔一段時(shí)間（可配置）檢查一次連接狀態(tài)，如檢查到有數(shù)據(jù)未完成上傳，則立即啟動(dòng)數(shù)據(jù)回傳直到完成。

（4）能顯示回傳狀態(tài)，包括未連接、正在上傳、已完成上傳。

2.2 斷點(diǎn)續(xù)傳

當(dāng)列車進(jìn)行視頻回傳尚未完成時(shí)，如果列車離開網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，地面視頻管理系統(tǒng)應(yīng)記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，應(yīng)從上次中斷的位置開始繼續(xù)傳輸視頻直到傳輸完畢。

2.3 視頻檢索

針對(duì)回傳至地面的視頻數(shù)據(jù)支持按車組號(hào)、車廂號(hào)、攝像頭編號(hào)、日期、時(shí)間進(jìn)行檢索。

2.4 視頻回放

針對(duì)回傳至地面的視頻數(shù)據(jù)支持視頻回放。

2.5 接口功能

車載視頻回傳系統(tǒng)與車輛基地地面專用視頻監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行連接，可在控制中心視頻監(jiān)控平臺(tái)調(diào)看轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面的車載視頻。

3 相關(guān)技術(shù)與資源分析

3.1 基本情況

（1）長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期工程近期與既有3 號(hào)線貫通運(yùn)營，接入既有3 號(hào)線控制中心，技術(shù)制式沿用既有3 號(hào)線技術(shù)方案。乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線采用LTE 技術(shù)方案工作頻段為1.8G頻段，專用無線通信系統(tǒng)采用TETRA 技術(shù)方案工作頻段為800M頻段，信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線采用Wi-Fi5 技術(shù)方案工作頻段為2.4G 頻段。

（2）乘客信息系統(tǒng)、專用無線通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)的車地?zé)o線車載天線設(shè)置在車頭，基本占滿車頭可利用空間，同時(shí)本工程車輛選型為6B 編組，車輛車頭車尾設(shè)備安裝空間存在一定局限性。

（3）運(yùn)營車輛回到車輛基地停車庫至始發(fā)第一班列車的時(shí)間區(qū)段內(nèi)，車輛帶電時(shí)間受限，車載視頻回傳系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間受該情況限制，在目前無線技術(shù)條件下進(jìn)行最優(yōu)考慮，需盡量減少視頻回傳時(shí)間。

3.2 Wi-Fi6技術(shù)分析

結(jié)合功能需求和上述基本情況，從投資費(fèi)用和傳輸速度兩個(gè)方面考慮，本次采用Wi-Fi6 技術(shù)方案。

（1）本工程Wi-Fi6 工作頻段設(shè)置為5G 頻段，與乘客信息系統(tǒng)、專用無線通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線工作頻段進(jìn)行區(qū)分。

（2）Wi-Fi6 最高理論傳輸速率達(dá)9.6Gbps，Wi-Fi6 能良好提供實(shí)際高達(dá)6Gbps 的吞吐性能；本工程應(yīng)用場景為無線局域網(wǎng)靜態(tài)傳輸，為Wi-Fi6 傳輸達(dá)到峰值創(chuàng)造一定條件。

（3）目前主流且商用的高速無線通信技術(shù)方案中，Wi-Fi 的系統(tǒng)建設(shè)成本對(duì)比5G 具有一定優(yōu)勢，成本低于后者。

（4）Wi-Fi6 在5G 頻段可使用的信道主要有36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161、165 這13 個(gè)互不重疊的信道，合理進(jìn)行頻點(diǎn)的捆綁和分布設(shè)置，可極大減少無線干擾問題。

4 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)

車載視頻回傳系統(tǒng)主要由車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分組成。車載系統(tǒng)對(duì)2-3 天的車載視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，車輛回到車輛基地停車庫后建立與地面系統(tǒng)的連接并進(jìn)行車載視頻的回傳，將存儲(chǔ)的車載視頻數(shù)據(jù)傳至地面進(jìn)行存儲(chǔ)；地面系統(tǒng)將車載的視頻存儲(chǔ)至地面，并實(shí)現(xiàn)視頻的檢索和回看的功能。

4.1 車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)主要由高速緩存設(shè)備、車載交換機(jī)、車載AP 設(shè)備及無線天線組成，構(gòu)成如圖1所示。

圖1：車載系統(tǒng)構(gòu)成

（1）考慮車載局域網(wǎng)的帶寬（千兆）、減小對(duì)車載其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響和受限于車載視頻存儲(chǔ)的讀取速度，需設(shè)置車載高速緩存設(shè)備在列車運(yùn)行過程中將視頻圖像臨時(shí)存儲(chǔ)，待車輛回庫后通過Wi-Fi6 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)高速傳輸至地面進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）車載視頻回傳系統(tǒng)在停車庫進(jìn)行工作，在車輛設(shè)置一套車載設(shè)備即可滿足通信要求，為減小安裝難度和避免對(duì)車載其他無線設(shè)備安裝產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)車載高速緩存、車載交換機(jī)、車載AP 設(shè)備安裝在車輛居中位置，無線天線安裝在車輛頂部車體外居中位置。

（3）車載無線天線采用定向天線，無線信號(hào)方向?yàn)榇怪庇谲囕v往正上方。

（4）車載緩存設(shè)備與車載交換機(jī)、車載交換機(jī)至車載AP 采用雙網(wǎng)口鏈路聚合，提升有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬上限。

4.2 地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面系統(tǒng)主要由地面AP 設(shè)備、接入交換機(jī)、核心交換機(jī)、地面高速緩存、存儲(chǔ)設(shè)備和操作終端組成，構(gòu)成圖2。

圖2：地面系統(tǒng)構(gòu)成

（1）本工程車輛基地停車庫為10 股道共計(jì)20 列位，在每列車停車位中間位置正上方設(shè)置無線天線，無線信號(hào)方向?yàn)榇怪庇谲囕v往正下方，與車載無線天線進(jìn)行通信。目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT，Target Wakeup Time）技術(shù)允許設(shè)備之間協(xié)商喚醒時(shí)間，在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)搜索，在減少功耗的同時(shí)減小AP 設(shè)備之間的無線干擾。

（2）為增加無線傳輸速率，采用40MHz 頻率組網(wǎng)并使用8×8 MIMO 的模式，將2 對(duì)頻點(diǎn)進(jìn)行捆綁并進(jìn)行復(fù)用，可從頻率、空間及功率控制三個(gè)個(gè)方面進(jìn)行AP 布置和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

（3）設(shè)置2 套萬兆接入交換機(jī)和2 套核心交換機(jī)組網(wǎng)，提高數(shù)據(jù)處理性能。

（4）存儲(chǔ)設(shè)備按照90 天存儲(chǔ)進(jìn)行配置。

（5）車載緩存設(shè)備、地面緩存設(shè)備配置視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回傳軟件；視頻操作終端配置視頻管理軟件供車輛基地運(yùn)營維管部門使用。

（6）通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備連接正線視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，正線控制中心可調(diào)看回傳至地面的車載視頻文件。

4.3 回傳時(shí)間計(jì)算

（1）本次采用地面AP 設(shè)備與車載AP 設(shè)備按照1:1 通信進(jìn)行配置，每列車獨(dú)享40M 頻寬、8×8 MIMO 模式下的帶寬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)該模式下數(shù)據(jù)通信速率約為1.3Gbps；根據(jù)一般情況下列車每天出車運(yùn)營時(shí)間約為18 小時(shí)；本工程車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用1080P 高清制式和H.265 編碼模式，視頻碼流按2Mbps 配置，單列車輛車載攝像機(jī)數(shù)量為28 臺(tái)。

列車全天視頻存儲(chǔ)大?。℅B）= 28（攝像機(jī)數(shù)量）× 2（碼流）×（18×60×60）（列車運(yùn)行時(shí)間）÷1024（換算單位G）÷8（換算單位GB）= 443（GB）。

（2）列車全天視頻回傳時(shí)間（分鐘）= 28（攝像機(jī)數(shù)量）× 2（碼流）×（18×60×60）（列車運(yùn)行時(shí)間）÷1300（傳輸速率）÷60（換算單位分鐘）= 46.5（分鐘）。

（3）考慮客觀環(huán)境、無線干擾及車輛回庫時(shí)間等因素，理論上回傳時(shí)間約為1 小時(shí)左右，車輛在庫時(shí)間約為6 小時(shí)；實(shí)際傳輸時(shí)間需待工程實(shí)施完成后進(jìn)行測試。

5 總結(jié)及建議

根據(jù)上文研究及分析，針對(duì)本工程采用Wi-Fi6 技術(shù)方案組建車載視頻無線回傳系統(tǒng)能夠較好滿足實(shí)際需求。因本工程的特殊性，該方案是在考慮各方面綜合因素后確定的較為合適的設(shè)計(jì)方案，但針對(duì)軌道交通新線建設(shè)有如下建議：

（1）車載視頻無線回傳可結(jié)合乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線方案綜合考慮，Wi-Fi6 相比Wi-Fi5 具有更高的傳輸帶寬，主流廠商設(shè)備可滿足車輛120km/h 運(yùn)行狀態(tài)下提供不小于300Mbps 的帶寬，乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線可采用Wi-Fi6 方案，在滿足車輛視頻上傳控制中心功能的前提下，可同時(shí)滿足車載視頻實(shí)時(shí)上傳至地面進(jìn)行存儲(chǔ)，無需另外單獨(dú)建設(shè)車載視頻無線回傳系統(tǒng)，從工程投資和資源共享方面能取得較好效果。

（2）軌道交通車輛的空間資源有限，多個(gè)系統(tǒng)與車輛均有車地?zé)o線的接口，需在車輛安裝相應(yīng)的車載無線設(shè)備，各系統(tǒng)在實(shí)施進(jìn)度上應(yīng)與車輛專業(yè)實(shí)施進(jìn)度匹配，避免因?qū)硬患皶r(shí)導(dǎo)致車輛設(shè)計(jì)完成后無法進(jìn)行后續(xù)的設(shè)備安裝和調(diào)試。

（3）針對(duì)軌道交通視頻存儲(chǔ)90 天的要求，應(yīng)從軌道交通線網(wǎng)的角度單獨(dú)考慮車載視頻回傳，通過線路傳輸及線網(wǎng)骨干網(wǎng)傳輸?shù)韧ǖ肋M(jìn)行線網(wǎng)級(jí)視頻數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)行集中地面存儲(chǔ)和管理，統(tǒng)一線網(wǎng)級(jí)車載視頻回傳的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和維管制度，避免各個(gè)線路的獨(dú)立考慮車載視頻回傳方案造成的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、存儲(chǔ)位置分散、增加維護(hù)管理單位工作量等問題。