劉清華, 許 輝, 王賽超

(1．中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810007;2．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

青藏鐵路（Qinghai-Tibet Railway）是一條連接青海省西寧市至西藏自治區(qū)拉薩市的國鐵Ⅰ級鐵路，是中國21世紀四大工程之一，是通往西藏腹地的第一條鐵路，也是世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路。

青藏鐵路分為青藏鐵路西格段和青藏鐵路格拉段，其中青藏鐵路西格段為雙線電氣化鐵路，青藏鐵路格拉段為單線非電氣化鐵路。

青藏鐵路格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)自2007年投入使用以來，為青藏集團有限公司相關(guān)業(yè)務(wù)部門和公安部門提供了有效的監(jiān)控手段。格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)在保障青藏鐵路線路的安全方面也起到了至關(guān)重要的作用。

1 格拉段既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 視頻系統(tǒng)

青藏鐵路格拉段全線58個車站。格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)一期工程于2007年12月開通使用；二期擴容補強工程于 2011年12月底完成。

一期工程利用彩色變焦攝像機和紅外熱像儀分別對鐵路線路和重點區(qū)域進行監(jiān)視； 二期工程在既有攝像機的基礎(chǔ)上，選擇性的安裝激光攝像機和快速球型攝像機（含紅外燈）。既有視頻系統(tǒng)視頻接入節(jié)點分別設(shè)置在海拔較低的兩個車站，對線路視頻進行存儲、管理和分發(fā)。

截止二期工程完畢，對格拉段鐵路線路的大部分范圍進行了視頻監(jiān)視，但在山體遮擋、洼地、路塹處仍存在部分監(jiān)視盲區(qū)。

2016年、2017年分別對格拉段區(qū)間部分線路視頻中一期設(shè)備進行了更新。將標清攝像機更換為高清攝像機，熱像儀更換為IP熱像儀。

1.2 承載網(wǎng)

既有格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)承載在RPR傳輸系統(tǒng)上，區(qū)間采用波分設(shè)備接入視頻，每個RPR環(huán)上帶寬為1.25 Gbit/s。格拉段數(shù)據(jù)網(wǎng)改造工程在每個車站設(shè)置雙路由器，分別采用GE（o）接口連接光纜，站間接入帶寬與其他業(yè)務(wù)共享2 Gbit/s帶寬。

1.3 區(qū)間接入網(wǎng)

區(qū)間基站處的視頻圖像通過10/100 Mbit/s以太網(wǎng)口接入粗波分設(shè)備。波分復(fù)用器設(shè)備將最多8組信號從8個以太網(wǎng)口輸出，接至車站處的以太網(wǎng)交換機，再通過傳輸系統(tǒng)設(shè)備最終匯聚至所屬車站，進行視頻圖像的分析存儲。視頻接入方式如圖1所示。

1.4 干線光纜

格拉段既有干線光纜為60芯光纜，承載干線傳輸系統(tǒng)、車站層傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)、區(qū)間層傳輸系統(tǒng)等業(yè)務(wù)。

在格拉段擴能改造工程中新敷設(shè)60芯干線光纜，用于承載骨干層傳輸系統(tǒng)、車站層傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。

1.5 現(xiàn)狀問題分析

格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)自2007年投入使用以來，已經(jīng)在高海拔、低氣壓的惡劣自然環(huán)境下使用了10余年，大部分室外設(shè)備(攝像機、線纜等)和一部分室內(nèi)控制設(shè)備已開始出現(xiàn)老化現(xiàn)象，障礙頻發(fā)，經(jīng)不完全統(tǒng)計，全線每日平均發(fā)生故障20件左右,嚴重影響格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)運用質(zhì)量。

近年來多次分階段視頻改造工程導(dǎo)致存儲時間不一致，全線視頻圖像清晰度不一致，為用戶的實時監(jiān)視、歷史調(diào)看以及維護工作帶來不便。

由于建設(shè)時間較早，既有攝像機采用模擬視頻清晰度，已不能滿足用戶的監(jiān)視需求；既有的用戶終端也不能滿足高清視頻的顯示。目前攝像機的布點位置和數(shù)量較少，導(dǎo)致格拉段線路監(jiān)控仍存在大量盲區(qū)。

在承載接入方面，隨著近些年的業(yè)務(wù)增加，既有RPR系統(tǒng)除接入視頻業(yè)務(wù)外，還接入其他鐵路業(yè)務(wù)，RPR環(huán)上帶寬已達上限，不能再接入更多業(yè)務(wù)；格拉段新建數(shù)據(jù)網(wǎng)站間接入帶寬共2 Gbit/s，單條鏈路可供視頻系統(tǒng)使用帶寬僅為500～600 Mbit/s；區(qū)間接入網(wǎng)無法實現(xiàn)鏈路保護，一旦出現(xiàn)故障點，該點接入的視頻信息將無法上傳接入節(jié)點。

由于設(shè)備處于高海拔區(qū)域，受環(huán)境影響，電池組、LCD大屏等設(shè)備存在漏液問題。

2 用戶需求

2.1 視頻平臺需求

既有格拉段視頻監(jiān)視系統(tǒng)更新改造后應(yīng)能夠同時接入標清和高清視頻平臺，并采用先進技術(shù)，提高視頻系統(tǒng)的安全性、可用性和可維護性。

2.2 視頻采集點需求

隨著技術(shù)的發(fā)展，格拉段視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造工程中需對既有標清攝像機進行更換，更換為1080P高清攝像機；既有熱像儀更換為IP熱像儀。

工程中需對格拉段區(qū)間線路盲區(qū)（主要分布在區(qū)間山體遮擋、洼地、路塹處）、根據(jù)公安反恐需求提出的治安復(fù)雜區(qū)段、貨場和客運站增補視頻采集點。

2.3 視頻顯示需求

工程中更換高清攝像機的同時，需要將全線用戶終端和網(wǎng)管終端進行更換，滿足對高清視頻的調(diào)用；并為格拉段通信綜合工區(qū)、通信車間、信號車間和工務(wù)車間等用戶增加用戶終端。

2.4 視頻存儲需求

考慮青藏鐵路格拉段地理位置的重要性，結(jié)合公安反恐法要求，視頻存儲時間為90天。視頻存儲應(yīng)采用先進性技術(shù)，充分考慮存儲設(shè)備的可靠性、可維護性。

2.5 系統(tǒng)接入及互聯(lián)需求

將既有更新改造后的視頻系統(tǒng)接入本工程新建視頻系統(tǒng)中，并考慮存儲擴容至90天的容量。

3 既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)更新改造方案的研究

3.1 更新改造方案的重點

根據(jù)對現(xiàn)狀的問題分析和用戶需求分析，本次更新改造方案有以下幾個重點需要考慮：結(jié)合線路車站和自然環(huán)境條件選擇合適地點設(shè)置視頻節(jié)點，采用先進技術(shù)保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，提高設(shè)備的可維護性；針對格拉段高海拔、低溫、大風(fēng)的環(huán)境，合理選取攝像機；視頻承載網(wǎng)的選用應(yīng)從承載業(yè)務(wù)的未來發(fā)展和后期維護等方面考慮建設(shè)方案；應(yīng)保證區(qū)間視頻的可靠接入；系統(tǒng)配套設(shè)備的選用應(yīng)充分考慮格拉段的自然環(huán)境，保證設(shè)備的運行穩(wěn)定。

3.2 視頻節(jié)點方案

青藏線格拉段地處青藏高原，線路全長1142 km，大部分屬于無人區(qū)，高山大川密布，地勢險峻多變，地形復(fù)雜，其海拔在3000～5000 m，其平均海拔4000 m以上，遠遠超過同緯度周邊地區(qū)。青藏高原的氣候特點是輻射強烈，日照多，氣溫低。

早期格拉段視頻在沿線7個有人站設(shè)置視頻節(jié)點進行視頻存儲，但由于高海拔和惡劣的氣候條件，導(dǎo)致磁盤陣列故障率較高；在二期工程中將區(qū)間的有人站設(shè)備分別移至線路兩端車站進行視頻處理。為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，采用在線路兩端既有較低海拔兩個車站節(jié)點設(shè)置視頻接入節(jié)點，并接入青藏集團有限公司既有視頻區(qū)域節(jié)點。

本次視頻全部采用1080 P高清視頻，且存儲時間為90天，在兩個節(jié)點上的視頻存儲容量均達到PB級。大量的攝像機和海量存儲資源，采用既有的磁盤陣列存儲已經(jīng)出現(xiàn)了技術(shù)瓶頸，如圖2所示。

為保證用戶調(diào)用視頻的流暢性、設(shè)備的穩(wěn)定性，本工程采用云計算技術(shù)進行視頻存儲。

云存儲不僅是信息數(shù)據(jù)存儲的新技術(shù)、新設(shè)備模型，也是一種服務(wù)的創(chuàng)新模型。云存儲通過采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)、服務(wù)器虛擬化、集群應(yīng)用等技術(shù)，將不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，把網(wǎng)絡(luò)中海量的異構(gòu)存儲設(shè)備同構(gòu)成可彈性擴展、低成本、低能耗的共享存儲資源池，共同對外提供高性能、高可靠、不間斷的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)訪問、處理等功能的一種技術(shù)。

視頻云存儲是海量高清視頻數(shù)據(jù)信息存儲最優(yōu)解決方案，當需要存儲的視頻數(shù)據(jù)信息量達到PB級，云存儲可以避免傳統(tǒng)IP SAN存儲的瓶頸。同時，云存儲的分布式數(shù)據(jù)存儲也是大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)應(yīng)用的必備條件。

云存儲示意如圖3所示。

云存儲和IP-SAN存儲的對比如表1所示。

表1 云存儲和IP-SAN存儲對比Tab.1 Cloud storage and IP-SAN storage

由于視頻云平臺目前沒有相關(guān)標準，考慮到青藏線格拉段鐵路在政治上和反恐上的重要性，為保證更新改造后系統(tǒng)的正常開通運行，本工程仍舊采用通過CRCC測試的視頻平臺，按照Q/CR 575-2017的接口標準與既有視頻區(qū)域節(jié)點互聯(lián)。

3.3 視頻采集點方案

格拉段既有攝像機分辨率為4CIF，并且運行多年，圖像清晰度已經(jīng)無法滿足用戶需求，如圖4所示。

本次工程考慮全部更換為高分辨率高清晰度攝像機，如圖5所示。

更換攝像機后，保證在無遮擋的情況下1.5 km以內(nèi)線路的連續(xù)覆蓋。但由于格拉段區(qū)間基站間距均大于3 km，且有彎道、山塹等的遮擋，故既有攝像機的分布監(jiān)視范圍存在盲區(qū)?？紤]在兩個基站間適當位置通過新立桿/塔增設(shè)攝像機，進行盲區(qū)補強，并對公安提出的重點地段增加夜間監(jiān)視。對于新立桿的采集點，應(yīng)采取拉線、做基礎(chǔ)等相應(yīng)措施保證桿體的穩(wěn)固。

攝像機安裝在鐵塔上，考慮到格拉段高海拔、低溫、大風(fēng)的環(huán)境，攝像機需具備有效的防抖措施，尤其是中長距攝像機，防止畫面過度抖動，影響監(jiān)視效果。

攝像機應(yīng)選用能夠適應(yīng)高海拔、低溫環(huán)境的產(chǎn)品。

3.4 視頻承載網(wǎng)方案

本工程中單路1080P視頻流帶寬按照6 Mbit/s考慮，D1視頻流帶寬按照3 Mbit/s考慮，視頻分析上傳碼流為D1。通過計算，區(qū)間視頻至兩端視頻接入節(jié)點的傳送帶寬分別達到7 Gbit/s左右?？紤]到每個視頻環(huán)上的環(huán)回保護，站間傳送帶寬需配置20 Gbit/s。

承載網(wǎng)的建設(shè)可以按照2個方案考慮：利用既有數(shù)據(jù)網(wǎng)；新建視頻交換機網(wǎng)。

目前數(shù)據(jù)網(wǎng)站間帶寬僅為千兆，遠遠不能滿足本工程需要的帶寬，需要在既有數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備上增加10 GE光模塊。此方案組網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，后期實施中視頻流建議在新增的10 Gbit/s鏈路上承載，站間網(wǎng)絡(luò)除承載視頻業(yè)務(wù)還可能承載其他鐵路業(yè)務(wù)，維護工作相對復(fù)雜。

因此，本工程在車站新設(shè)交換機通過光纖直連的方式新建視頻承載網(wǎng)，分別組成兩個環(huán)網(wǎng)，站間傳送帶寬為20 Gbit/s。在視頻接入節(jié)點分別通過數(shù)據(jù)網(wǎng)與既有視頻區(qū)域節(jié)點互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)示意如圖6所示。

3.5 區(qū)間視頻接入方案

區(qū)間視頻采用級聯(lián)式光纖接入設(shè)備進行組網(wǎng)，在區(qū)間車站設(shè)置光纖接入中心設(shè)備，區(qū)間基站設(shè)置光纖匯聚設(shè)備，將沿線視頻接入車站，并通過新建視頻承載網(wǎng)接入視頻接入節(jié)點進行處理。

光纖接入設(shè)備采用單纖組網(wǎng)。組網(wǎng)示意如圖7所示。

此方案采用一根光纖組網(wǎng)，通道、設(shè)備正常情況下，區(qū)間視頻均由一個方向向同一個車站匯聚點進行匯聚；一旦基站間光纜中斷或者某個站點故障，該故障點兩側(cè)基站處的視頻可以分別向兩側(cè)車站匯聚點匯聚后，傳送至接入節(jié)點。

采用此方案，避免了由于線路光纜中斷或設(shè)備單點故障影響后續(xù)接入視頻的傳送。

3.6 配套系統(tǒng)方案

視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備采用UPS進行供電，但根據(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗，在青藏線高海拔的環(huán)境下，傳統(tǒng)的液體鉛酸蓄電池受到大氣壓力的影響，容易出現(xiàn)漏液的情況，導(dǎo)致蓄電池使用壽命迅速下降。因此，在蓄電池的選型上采用膠體鉛酸蓄電池。

膠體鉛酸蓄電池是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進，用膠體電解液代換硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。

膠體鉛酸蓄電池的性能優(yōu)于閥控密封鉛酸蓄電池，膠體鉛酸蓄電池具有使用性能穩(wěn)定，可靠性高，使用壽命長，對環(huán)境溫度的適應(yīng)能力（高、低溫）強，承受長時間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力強，有過充電及過放電自我保護等優(yōu)點。

目前，青藏線西格段視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用膠體鉛酸蓄電池，運行情況穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)青藏鐵路的特殊地理環(huán)境和氣候條件以及該線路在安全上的重要程度，對于格拉段的視頻改造工程采用了針對性的方案，希望能夠為今后類似工程建設(shè)提供借鑒。

視頻采集設(shè)備：采用高分辨率的攝像機，并對沿線盲區(qū)進行補強，盡量的減少盲區(qū)的范圍。同時，采用具有防抖功能的攝像機，避免鐵塔上攝像機由于抖動對圖像畫面質(zhì)量的影響。

視頻存儲：采用相對集中的存儲方式，降低在高海拔地區(qū)設(shè)置存儲設(shè)備而產(chǎn)生的高故障率，保證了視頻的完整性。同時采用云存儲技術(shù)，提高存儲設(shè)備的安全性和可維護性。

視頻承載網(wǎng)：新建交換機網(wǎng)作為視頻系統(tǒng)的承載網(wǎng)，保證大量視頻傳送的帶寬和傳送質(zhì)量，同時為日后區(qū)間視頻補強預(yù)留帶寬擴容能力。

視頻接入網(wǎng)：區(qū)間接入網(wǎng)組網(wǎng)考慮了鏈路冗余保護方案，保證區(qū)間任意站點故障或光纜中斷不影響鏈路上其他站點視頻的傳送和存儲。

視頻系統(tǒng)配套設(shè)備：由于格拉段大部分車站處于高海拔低氣壓的環(huán)境，UPS蓄電池選型時避免設(shè)備漏液的情況，選用了膠體鉛酸蓄電池。