車載視頻地面轉(zhuǎn)儲方案研究

張 娜

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043）

目前國家對重要公共場所視頻監(jiān)控存儲時間要求90 d以上存儲，而軌道交通車輛受限于空間的局限性[1]。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，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲時間長、人工維護工作量大的問題，且存在感染病毒的風(fēng)險，同時由于頻繁的U盤插拔導(dǎo)致車載設(shè)備板卡故障率較高。

結(jié)合運營生產(chǎn)實際需求，針對目前地鐵車載視頻存儲在造價、檢修等方面存在造價高、便捷性差等痛點問題，同時為進一步提升地鐵運營事件處理的及時性，以及后期智能業(yè)務(wù)支撐，現(xiàn)對車載視頻采用5G相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)儲至地面的方案進行研究，達到在列車安全事件發(fā)生第一時間或根據(jù)權(quán)限管理登錄平臺隨時查看列車上的最新視頻信息，提高事件的響應(yīng)速度，滿足運營的實際需求。

1 方案研究

1.1 功能需求

①車載視頻回傳功能：當(dāng)探測到車輛進入無線覆蓋區(qū)域（場段運用庫），與車輛建立連接并啟動車載視頻信息的傳輸。②斷點續(xù)傳：當(dāng)列車進行車載視頻數(shù)據(jù)回傳尚未完成時，如果列車離開無線覆蓋區(qū)域，地面視頻網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進入無線覆蓋區(qū)域時，應(yīng)從上次中斷的位置開始繼續(xù)傳輸視頻數(shù)據(jù)直到傳輸完畢。③視頻檢索：針對回傳至地面的車載視頻數(shù)據(jù)支持按車組號、車廂號、攝像機編號、日期和時間進行檢索。④視頻回放：針對回傳至地面的車載視頻數(shù)據(jù)支持視頻回放。⑤接口功能：車載視頻系統(tǒng)與場段視頻監(jiān)視系統(tǒng)進行接口，可實現(xiàn)在控制中心視頻監(jiān)控平臺調(diào)看轉(zhuǎn)儲至地面的車載視頻圖像。

1.2 車載視頻轉(zhuǎn)存需求分析

1.2.1 無線轉(zhuǎn)儲網(wǎng)絡(luò)容量需求

車載攝像機的碼流按照2 Mbit/S計算，每列車按照28路攝像機，單程運行時間按照33 min計算，則單列車運營時段單程視頻容量見表1。

表1 單列車運營時段單程視頻容量

每列車1 d大約運行18×60/65=32次；

單列車運營時段1 d的視頻存儲容量為32×13.4=428.8 GB；

單列車非運營時段1 d的視頻存儲容量為28×6×3 600×2 M/1 024/8=147.6 GB；

單列車非運營時段單程平均視頻容量147.6/16=9.2 GB；

列車非運營時段的視頻圖像需在運營階段通過車地?zé)o線轉(zhuǎn)儲至地面，則單列車單程需轉(zhuǎn)儲的視頻容量為13.4+9.2=22.6 GB。

1.2.2 存儲需求

存儲需求包括車載存儲需求和地面存儲需求，按照車載存儲15 d+地面集中存儲90 d的方案考慮。其中，15 d的視頻存儲在車上，90 d的存儲CCTV視頻回傳到地面存儲設(shè)備，地面存儲可采用控制中心云平臺存儲或者集中非云存儲。存儲時間應(yīng)按線路最高行車密度（每日不間斷運行18 h）計算。車載CCTV單列車視頻存儲需求見表2。

表2 車載CCTV單列車視頻存儲需求表

以17列車為例，容量按單程視頻容量和線網(wǎng)每日實際開行列次，并考慮未來增加30%的發(fā)車對數(shù)進行設(shè)計，存儲容量需求見表3。

表3 車載視頻存儲容量需求

1.3 5G相關(guān)無線技術(shù)分析

5G移動通信技術(shù)，基于端到端的全新體系架構(gòu)，采用全新毫米波頻段、多天線和波束賦型等先進技術(shù)，具有超高寬帶、超低時延、多連接等特性。應(yīng)用于車地通信可以做到車、地之間通信設(shè)備的自動對準(zhǔn)、自動連接、自動身份識別和自動上傳，全程安全可靠，無需人工干預(yù)，最大傳輸速率超過1.5 Gbps[2]。

目前5G相關(guān)技術(shù)主要包括5G毫米波、WiFi-6等，此技術(shù)單用戶上行速率可實現(xiàn)高達1 Gbit/s以上的傳輸速率；移動邊緣計算（MEC）技術(shù)的引入，將應(yīng)用業(yè)務(wù)“下沉”到車站接入網(wǎng)側(cè)，使用戶能感受到的時延縮小到1 ms以內(nèi)，基本實現(xiàn)零時延。5G相關(guān)技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用，將會給軌道交通領(lǐng)域的無線通信技術(shù)帶來一場重大的技術(shù)革命，將顯著提高城市軌道交通的運維效率和乘客的用戶體驗，也為城市軌道交通開啟萬物互聯(lián)的智慧軌道交通時代提供重要的基礎(chǔ)建設(shè)支撐。5G毫米波與WiFi-6技術(shù)對比見表4。

表4 5G毫米波與WiFi-6技術(shù)對比表

地鐵行車數(shù)據(jù)有高安全、高可靠要求，WiFi頻段無線環(huán)境復(fù)雜，易受民用設(shè)備干擾，易破解易受偵聽和攻擊，且頻率資源有限，上行傳輸速率難以持續(xù)穩(wěn)定；5G毫米波（Air Flash）技術(shù)在60 GHz免授權(quán)頻段組建車地專網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)隔離，頻點干凈，不易受攻擊，數(shù)據(jù)安全風(fēng)險低，滿足車地大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲需求。

1.4 基于5G毫米波的轉(zhuǎn)儲方案

1.4.1 總系統(tǒng)方案（圖1）

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.4.2 傳輸方案

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在列車低速進/離站及停站期間完成單程視頻數(shù)據(jù)回傳，根據(jù)停站時間，軌旁基站優(yōu)先部署在停站時間最久的車站/區(qū)間或者車站折返段區(qū)域。

在車站的上下行軌行區(qū)各部署2臺軌旁基站，分別安裝在站臺端墻門內(nèi)兩端適當(dāng)位置，保證位于列車車頭的車載終端接收良好，1個車站需4套5G毫米波基站；列車單端或雙端部署車載TAU終端，車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)5G毫米波單站回傳峰值速率按1.5 Gbit/s設(shè)計，平均速率按照1 Gbit/s設(shè)計。

按照列車單/雙端設(shè)置車載TAU終端，核算單程數(shù)據(jù)需求傳輸時間見表5。

表5 列車單/雙端設(shè)置車載TAU終端單程數(shù)據(jù)傳輸時間表

根據(jù)調(diào)研，車輛每次經(jīng)過折返段會有2次上線傳輸，2次的連接時間基本可以保持在95 s和120 s左右，故一趟列車上線時間在95+120=215 s左右。列車在車站的停車時間按照60 s計算。

按照當(dāng)前車輛停車折返的時間平均為210 s，車站停站時間為60 s，因為計算數(shù)據(jù)為單程數(shù)據(jù)，每單程只能計算1個折返時間。

每列車單端部署TAU時，需要1個折返站部署車地轉(zhuǎn)存設(shè)備，可滿足車載視頻轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)傳輸需求。當(dāng)每列車雙端部署TAU時，需1個折返站即可滿足需求。

1.4.3 地面存儲系統(tǒng)

存儲需求包括車載NVR存儲需求和地面存儲需求。

由于采用視頻回傳系統(tǒng)后，車載CCTV視頻均會被回傳到地面存儲中保存，同時考慮到回傳系統(tǒng)故障情況下的維修時間，車載存儲滿足7 d的視頻容量。

1.4.4 車載網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)說明

車載CCTV視頻回傳系統(tǒng)由地面網(wǎng)絡(luò)和車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。如圖2所示。

圖2 車載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

地面網(wǎng)絡(luò)包括軌旁基站、交換機、存儲平臺。

車載網(wǎng)絡(luò)包括車載網(wǎng)關(guān)，車載終端TAU。

每列車設(shè)置6臺網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每節(jié)車廂1臺，具備錄像存儲功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過百兆網(wǎng)線與部署在車頭的交換機相連，將每節(jié)車廂的2路高清視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)匯聚到車頭的硬盤錄像機。

車載網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與硬盤錄像機對接（百兆網(wǎng)口），以FTP取流方式獲取視頻，經(jīng)5G車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至地面服務(wù)器。

1.4.5 系統(tǒng)安全性分析

5G轉(zhuǎn)儲技術(shù)采用5G毫米波高速轉(zhuǎn)儲的前沿技術(shù)，頻譜為2 GHz@59~64 GHz，單用戶上行理論速率為1.7 Mbps、轉(zhuǎn)儲通信速率300 m范圍內(nèi)可達1.5 Gbps，目前公用超高頻段無其他軍用民用干擾源，窄波束抗干擾，技術(shù)具有超高速率、無干擾風(fēng)險、全程全自動轉(zhuǎn)儲特點。獨立的車地轉(zhuǎn)儲專網(wǎng)，自行布網(wǎng)不依賴運營商。施工部署容易，全線只需選取少量列車停靠站點進行基站部署保障數(shù)據(jù)傳輸要求，車輛設(shè)備可以匹配多種車型，施工較為簡單。

車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)提供空口接入認(rèn)證和空口加密傳輸，保證空口安全。

①空口接入認(rèn)證。通過MAC地址白名單、小區(qū)ID和密鑰接入認(rèn)證，避免非法接入。②空口加密傳輸，通過128 bit的AES空口加密特性對微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)進行加密，在鏈路層進一步增強微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)的安全性。

2 結(jié)束語

車載視頻轉(zhuǎn)儲方式是車載視頻存儲方案的發(fā)展方向，車載視頻地面存儲方案可結(jié)合乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線方案綜合考慮[3]。通過以上技術(shù)分析，5G毫米波更具有技術(shù)先進性，可靠性。在實際工程項目中，需結(jié)合當(dāng)?shù)仨椖啃枨?，并緊跟最新技術(shù)發(fā)展最終確定采用方案。