白 帆

(中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830011)

基于EPON技術(shù)的鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白 帆

(中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830011)

分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路運(yùn)營(yíng)中的作用和必要性，根據(jù)鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及困境，提出采用EPON技術(shù)構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以烏西編組站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步闡述采用EPON技術(shù)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)組網(wǎng)方式和基于EPON技術(shù)的組網(wǎng)方式。結(jié)論為：采用EPON技術(shù)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)其建設(shè)成本較低、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較好、網(wǎng)管能力強(qiáng)，并且局側(cè)至用戶側(cè)之間不存在有源設(shè)備、故障點(diǎn)少、易維護(hù)、抗電磁干擾性能強(qiáng)，成為大型場(chǎng)區(qū)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)可選擇的較優(yōu)方案。最后提出采用EPON方式設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)在光纖分配及帶寬分配設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題。

鐵路；EPON；視頻監(jiān)控；無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)

隨著中國(guó)鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，尤其是高速鐵路及客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)鐵路各部門(mén)的安全生產(chǎn)提出更高的要求，為了能夠直觀、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映各類信息，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用到鐵路各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)，包括客運(yùn)、車輛、供電、車務(wù)、機(jī)務(wù)、電務(wù)、工務(wù)等部門(mén)[1]。

此外，由于近些年暴力恐怖襲擊事件增多，鐵路作為旅客出行、國(guó)家重要物資和戰(zhàn)略物資運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，已成為境內(nèi)外敵對(duì)勢(shì)力、分裂勢(shì)力和恐怖分子實(shí)施暴力恐怖和破壞活動(dòng)的重要目標(biāo)。我國(guó)在當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)將一直處在反恐、防暴、反分裂斗爭(zhēng)的形勢(shì)下，因此建立完善的鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行全方面的監(jiān)控已是大勢(shì)所趨。

1 鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及困境

目前鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)有很大一部分還采用模擬方式，監(jiān)控點(diǎn)分布也較為稀疏，視頻圖像分辨率僅為普通標(biāo)清CIF或4CIF，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各類用戶對(duì)于視頻資源的需求?，F(xiàn)今隨著視頻監(jiān)控產(chǎn)品及技術(shù)的不斷更新，鐵路各個(gè)部門(mén)對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)置越來(lái)越密，視頻分辨率要達(dá)到高清720P或1080P，特別是公安部門(mén)，對(duì)于視頻監(jiān)控點(diǎn)的分布和圖像分辨率的要求更為嚴(yán)格。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已成為主流[2]，然而高清晰度必然伴隨著高帶寬，一路720P的視頻圖像其上行帶寬一般在4～6 Mbit/s，而一路1080P的視頻圖像其上行帶寬一般在6～10 Mbit/s[3]。在以太網(wǎng)中采用光纖傳輸其帶寬可以達(dá)到千兆以上，同時(shí)光纖具有很高的抗干擾性能，受電氣化鐵路電磁干擾影響小，傳輸信號(hào)穩(wěn)定，是前端視頻采集設(shè)備傳輸視頻信號(hào)的最佳選擇。

但由于現(xiàn)如今視頻監(jiān)控點(diǎn)越來(lái)越密集，若以傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控方式組網(wǎng)，每一個(gè)前端采集設(shè)備就需要敷設(shè)一對(duì)光纖來(lái)傳輸視頻信號(hào)，對(duì)于一個(gè)大型場(chǎng)區(qū)，具有上百個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，此時(shí)光纖通道的建設(shè)成本是非常高昂的。而對(duì)于鐵路區(qū)間監(jiān)控，鐵路長(zhǎng)途通信光纜資源非常寶貴，不可能全部用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)大規(guī)模高清視頻圖像的傳輸對(duì)于承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬和QOS能力有著更高的要求[4]，由于現(xiàn)今鐵路快速發(fā)展，站場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)建，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控組網(wǎng)方式其帶寬性能和可擴(kuò)展性較差，在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加前端攝像頭將會(huì)產(chǎn)生大量二次施工的費(fèi)用，增加了建設(shè)成本和施工難度。在這些困境下，采用EPON技術(shù)來(lái)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將成為一個(gè)理想的解決方案。

2 EPON技術(shù)概述

2.1 EPON技術(shù)基本原理

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)是指光配線網(wǎng)(ODN)不含有任何有源電子器件，全部由光纖、無(wú)源光分支器(POS)等無(wú)源器件組成的網(wǎng)絡(luò)。PON網(wǎng)絡(luò)所有信號(hào)處理功能均在局側(cè)設(shè)備(OLT)和用戶側(cè)設(shè)備(ONU)上完成。

以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)是指在二層采用以太網(wǎng)封裝和傳送技術(shù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，可以支持1.25 Gbit/s的對(duì)稱速率，甚至還能提升到10 Gbit/s。EPON網(wǎng)絡(luò)采用了WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單芯雙向傳輸(下行1 490 nm、上行1 310 nm)，并通過(guò)光分支器(最大分光比可達(dá)到1∶64)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在下行方向光信號(hào)被廣播到所有ONU設(shè)備，通過(guò)過(guò)濾機(jī)制ONU設(shè)備僅接收屬于自己的數(shù)據(jù)幀。在上行方向通過(guò)TDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，OUN根據(jù)OLT發(fā)送的帶寬授權(quán)發(fā)送上行業(yè)務(wù)[5，6]。

圖1為EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。

圖1 EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2.2 EPON技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流方式，并且對(duì)于上行帶寬的要求很高，對(duì)于具有上百或更多視頻監(jiān)控點(diǎn)的大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)組網(wǎng)方式將要敷設(shè)大量的光纖，并投入大量的光纖收發(fā)器和二層交換機(jī)，不僅造價(jià)高而且可能的故障點(diǎn)非常多。

由于EPON技術(shù)將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)完美結(jié)合，成為非常適合IP業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)，同時(shí)EPON技術(shù)采用WDM及TDMA方式進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，搭建點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得多個(gè)甚至十幾個(gè)攝像頭可利用同一芯光纖進(jìn)行傳輸，能夠大大節(jié)省光纖資源，省去光纖收發(fā)器和二層交換設(shè)備的投入。由于整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，故障點(diǎn)少，降低了日后的維護(hù)成本[7-8]。

3 基于EPON的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

以烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)描述基于EPON技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行比較，進(jìn)一步闡明基于EPON技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)。

烏西編組站需要設(shè)置視頻監(jiān)控點(diǎn)的范圍包括7個(gè)場(chǎng)區(qū)、專用線咽喉區(qū)、重點(diǎn)作業(yè)區(qū)等部位，共設(shè)置224個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，7個(gè)場(chǎng)區(qū)采用在燈橋上設(shè)置固定槍式攝像機(jī)的方式，專用線咽喉區(qū)和重點(diǎn)作業(yè)區(qū)采用立桿設(shè)置高速快球攝像機(jī)的方式，全部監(jiān)控點(diǎn)均采用1080P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

3.1 基于傳統(tǒng)方式的設(shè)計(jì)方案

采用傳統(tǒng)方式[9]，首先在各個(gè)場(chǎng)區(qū)設(shè)置二層交換機(jī)作為小的匯聚點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置專用匯聚箱用于放置二層交換機(jī)，監(jiān)控中心設(shè)置核心交換機(jī)，由核心交換機(jī)分別敷設(shè)光纜至各個(gè)二層交換設(shè)備，再?gòu)母鱾€(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)敷設(shè)光纖至最近的二層交換設(shè)備，兩端通過(guò)光纖收發(fā)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

圖2描述了基于傳統(tǒng)方式的烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式。

圖2 基于傳統(tǒng)方式的烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，采用傳統(tǒng)方式組網(wǎng)，7個(gè)場(chǎng)區(qū)分別需要設(shè)置1臺(tái)或多臺(tái)二層交換機(jī)，由于室外場(chǎng)區(qū)能夠放置交換機(jī)設(shè)備箱可選的位置有限，二層交換機(jī)設(shè)備至各個(gè)攝像頭距離較遠(yuǎn)還需要敷設(shè)光纜，即使距離較近時(shí)，敷設(shè)網(wǎng)線也不利于抵抗電磁干擾，這樣每個(gè)攝像頭都需要敷設(shè)兩芯光纖。由于監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量非常大，從圖中可以看出，敷設(shè)光纖的量是非常大的，同時(shí)每個(gè)攝像頭至交換機(jī)間都需要1對(duì)光纖收發(fā)器，不僅數(shù)量巨大，今后的管理也非常繁雜，如若使用全光口交換機(jī)，那么投資將大大增加。

3.2 基于EPON技術(shù)的設(shè)計(jì)方案及與傳統(tǒng)方式的對(duì)比

采用EPON技術(shù)組建烏西編組站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)ONU接入點(diǎn)，在監(jiān)控中心設(shè)置OLT局端設(shè)備，在適當(dāng)?shù)奈恢酶鶕?jù)需要設(shè)置不同分光路數(shù)的光分支器，每個(gè)光分支器至OLT設(shè)備需要1芯光纖。

圖3描述了基于EPON技術(shù)的烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式。

從圖3可以看出，采用EPON技術(shù)組網(wǎng)，點(diǎn)到多點(diǎn)的方式能夠節(jié)省大量的光纖資源、光纖收發(fā)器以及二層交換機(jī)，在室外無(wú)需設(shè)置任何有源設(shè)備，大大降低今后的維護(hù)成本，采用集成ONU模塊的攝像機(jī)或?qū)NU置于攝像機(jī)護(hù)罩下，OLT至ONU間全部為光纖線路能夠有效抵抗電氣化鐵路引起的電磁干擾現(xiàn)象。

表1給出了采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)方式和基于EPON的組網(wǎng)方式在建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的對(duì)比。

圖3 基于EPON技術(shù)的烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

建設(shè)成本運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)方式基于EPON組網(wǎng)方式敷設(shè)光纜8芯:19.47km;24芯:11.31km;8芯:8.926;12芯:12.15調(diào)試安裝二層交換機(jī)14臺(tái)無(wú)調(diào)試安裝光纖收發(fā)器448個(gè)無(wú)EPON局端設(shè)備OLT無(wú)1臺(tái)無(wú)源分光器無(wú)20個(gè)光纜維護(hù)30.78km21.076km二層交換機(jī)維護(hù)14臺(tái)無(wú)光纖收發(fā)器維護(hù)448個(gè)無(wú)OLT維護(hù)無(wú)1臺(tái)分光器維護(hù)無(wú)無(wú)源器件,提高系統(tǒng)可靠性

從表1可以看出，采用基于EPON的組網(wǎng)方式無(wú)論在建設(shè)成本還是在維護(hù)成本方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)方式組網(wǎng)。

表2給出了傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)承載方式和基于EPON技術(shù)承載方式各種指標(biāo)的對(duì)比。

表2 傳統(tǒng)方式與EPON承載方式對(duì)比

從上述兩種方案的描述，可以很清楚地看到，基于EPON技術(shù)的組網(wǎng)方式無(wú)論從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)成本等各個(gè)方面來(lái)說(shuō)都優(yōu)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)的組網(wǎng)方式。對(duì)于大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)采用EPON方式組網(wǎng)將是一個(gè)較優(yōu)的選擇。

3.3 采用EPON技術(shù)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)注意的問(wèn)題

在采用EPON方式設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意兩方面的問(wèn)題。

(1)光纖分配網(wǎng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行EPON網(wǎng)絡(luò)光纖芯線分配時(shí)，應(yīng)考慮光路損耗在下行不應(yīng)大于OLT最大發(fā)送功率與ONU最小接收功率之差，上行不應(yīng)大于ONU最大發(fā)送功率與OLT最小接收功率之差[10]。本文舉例烏西編組站全站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，上、下行可允許最大光路損耗基準(zhǔn)為26 dB，考慮光路損耗值按表3估算。

表3 光路損耗參考值

從表3可以看出，光路損耗中分光器的插入損耗是最主要的損耗因素，由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和高帶寬性，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)減少分光次數(shù)，盡量到二級(jí)分光為止，分光比不應(yīng)大于1∶32[11]。表3列出的是各類光路損耗的理論參考值，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際施工中存在施工質(zhì)量及所選用光器件質(zhì)量參差不齊的情況，在理論計(jì)算值上還需考慮20%的余量。

(2)帶寬分配設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)是EPON技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，由于EPON技術(shù)在上行鏈路采用時(shí)分復(fù)用(TDMA)技術(shù)，在每個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)ONU可以通信，為了充分利用帶寬，OLT根據(jù)ONU的數(shù)據(jù)傳送量動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬分配，給上傳數(shù)據(jù)量大的ONU分配較長(zhǎng)的時(shí)隙，從而得到較大的帶寬[12]。這項(xiàng)技術(shù)在接入網(wǎng)中的作用非常好，因?yàn)樵诮尤刖W(wǎng)中用戶上行數(shù)據(jù)的隨機(jī)性強(qiáng)，用戶同時(shí)需要較大上行帶寬的幾率很低。

但是在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，需要保持對(duì)所有視頻監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)觀看，由于攝像頭的視頻流并不是固定的，在畫(huà)面發(fā)生變化時(shí)數(shù)據(jù)量會(huì)成倍增加[13]，如果有攝像頭先向OLT申請(qǐng)?jiān)黾訋?，則其他攝像頭的視頻流帶寬就會(huì)被侵占出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，因此在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)將帶寬分配策略從動(dòng)態(tài)帶寬分配變更為固定帶寬分配，以適應(yīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

以烏西編組站視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，闡述了如何在大型場(chǎng)區(qū)利用EPON技術(shù)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)組網(wǎng)方式進(jìn)行對(duì)比，最終得出結(jié)論，采用EPON技術(shù)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅建設(shè)成本低、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性好、網(wǎng)管能力強(qiáng)，并且局側(cè)至用戶側(cè)之間不存在有源設(shè)備、故障點(diǎn)少、易維護(hù)、抗電磁干擾性能強(qiáng)，成為大型場(chǎng)區(qū)組建視頻監(jiān)控系統(tǒng)可選擇的較優(yōu)方案。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路運(yùn)營(yíng)中已成為安全生產(chǎn)、反恐防暴不可缺少的重要手段，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)自身也不斷更新?lián)Q代，如何找到更適合于鐵路建設(shè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)搭建方式，將成為鐵路設(shè)計(jì)人員今后不斷探索的方向。

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Design of EPON-based Railway Video Monitoring System

BAI Fan

(Xinjiang Railway Engineering Survey and Design Institute Co.， Ltd.， China Railway First Survey and Design Institute Group， Urumqi 830011， China)

This paper analyzes the role and the necessity of video monitoring system in railway operation. In view of the current situation and predicament of railway video monitoring system the paper proposes the adoption of EPON technology for designing video monitoring system， and refers to Wuxi marshalling station video monitoring system design to elaborate the advantages of employing EPON technology for designing video monitoring system. By comparing the traditional networking method with the method based on EPON technology， it is concluded that using EPON technology to construct the video monitoring system has many advantages such as low construction cost， good network expansibility and effective network management. Because there is no active equipment between the Bureau side and the user side， the system has few fault points to allow easy maintenance， and strong anti-electromagnetic interference ability. With above advantages， EPON-based method becomes a better option for constructing video monitoring system in large stations. Finally， matters to be addressed in the design of EPON network with respect to optical fiber distribution and bandwidth allocation are put forward.

Railway; EPON; Video monitoring; Passive optical network

2015-03-02；

2015-05-12

白 帆(1984—)，女，工程師，2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，

工學(xué)碩士，E-mail:baifan1221@sina.com。

1004-2954(2015)11-0117-05

TN919.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.028