趙元初

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京市 102600）

1 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為鐵路行車調(diào)度、救援指揮、防災(zāi)安全和客運(yùn)服務(wù)調(diào)度的輔助決策手段，為鐵路安全行車及現(xiàn)代化運(yùn)營管理提供了可靠的技術(shù)保障。隨著視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展以及通信網(wǎng)的不斷完善，綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)已成為保障鐵路安全的重要組成部分。為滿足本線運(yùn)營和治安防范的需要，有必要對(duì)重要部位和高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。

巴準(zhǔn)鐵路車站、鐵路隧道兩端、橋梁兩端、公跨鐵立交橋、防洪重點(diǎn)地段、鐵路兩側(cè)網(wǎng)未封閉地段、鐵路兩側(cè)臨近村莊、水源地、牽引所、變配電所、分區(qū)所等區(qū)域均需設(shè)置視頻視頻采集點(diǎn)。本文通過對(duì)不同方案的探討分析給出了針對(duì)于巴準(zhǔn)鐵路最合適的綜合監(jiān)控方案。

2 設(shè)計(jì)方案探討

2.1 視頻監(jiān)控點(diǎn)的覆蓋方式比選

視頻采集點(diǎn)的覆蓋方式可以采用交織重疊覆蓋和單向重疊覆蓋兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式。

2.1.1 交織重疊覆蓋方式

交織重疊覆蓋方式在線路兩側(cè)分別以 2n 的間距交錯(cuò)設(shè)置攝像機(jī)設(shè)備，每處監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置兩臺(tái)攝像機(jī)設(shè)備，分別覆蓋上、下行監(jiān)控區(qū)域，與對(duì)側(cè)相鄰的攝像機(jī)一同實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的無縫覆蓋。交織重疊覆蓋方式的設(shè)備布置示意如圖 1 所示，監(jiān)控視場(chǎng)覆蓋示意如圖 2 所示。

圖1：交織重疊覆蓋方式設(shè)備布置示意圖

圖2：交織重疊覆蓋方式監(jiān)控視場(chǎng)覆蓋示意圖

交織重疊覆蓋方式的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)線路監(jiān)控覆蓋效果良好，通過在線路兩側(cè)設(shè)置攝像機(jī)，消除了列車運(yùn)行通過時(shí)的盲區(qū)，并且由于每?jī)商幈O(jiān)控點(diǎn)之間的線路由兩個(gè)攝像機(jī)設(shè)備進(jìn)行共同覆蓋，因此監(jiān)控點(diǎn)之間的間距可以較大。而缺點(diǎn)在于需要頻繁過軌，同時(shí)較大間距也不可避免的會(huì)受到線路條件的影響。

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在晝夜監(jiān)控條件下，攝像機(jī)對(duì)線路監(jiān)控的視場(chǎng)范圍（FOV，F(xiàn)ield Of View）可以達(dá)到200 ～300m 并具有較好的工程建設(shè)性價(jià)比， 因此根據(jù)不等式關(guān)系FOV

2.1.2 單向重疊覆蓋方式

與交織重疊覆蓋方式不同，單向重疊覆蓋方式僅在線路一側(cè)以 m 的間距設(shè)置攝像機(jī)設(shè)備，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)僅設(shè)置一臺(tái)攝像機(jī)設(shè)備，完成對(duì)上行或下行區(qū)域的監(jiān)控，與相鄰的攝像機(jī)一起實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的無縫覆蓋。單向重疊覆蓋方式的設(shè)備布置示意如圖 3 所示，監(jiān)控視場(chǎng)覆蓋示意如圖 4 所示。

圖3：?jiǎn)蜗蚋采w方式設(shè)備布置示意圖

圖4：?jiǎn)蜗蚋采w方式監(jiān)控視場(chǎng)覆蓋示意圖

單向重疊覆蓋方式的優(yōu)點(diǎn)在于工程實(shí)施簡(jiǎn)單，無需頻繁過軌，受線路影響較小，同時(shí)由于兩個(gè)相鄰監(jiān)控點(diǎn)之間的線路主要由單向設(shè)置的單臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，因此需滿足m

與交織重疊覆蓋方式類似，m 的選定要統(tǒng)籌考慮線路狀況以及采集設(shè)備性能的影響，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)m 取值為200 ～250m 時(shí)，監(jiān)控覆蓋效果較好，工程配套以及設(shè)備的工程費(fèi)用相對(duì)較小。

2.1.3 方案探討

上述兩種方案均能滿足連續(xù)視頻監(jiān)控的需求，由于本線區(qū)間線路較為平直，區(qū)間正線車速較快，列車通過時(shí)對(duì)另一側(cè)線路產(chǎn)生盲區(qū)的影響很?。粡募扔芯€施工難度、線路工程投資及監(jiān)控畫面方向一致性角度，單向重疊覆蓋也要優(yōu)于交織重疊覆蓋。因此，在需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控的重點(diǎn)路段優(yōu)先采用單向重疊覆蓋方式連續(xù)設(shè)置攝像機(jī)。

2.2 視頻采集點(diǎn)至視頻接入節(jié)點(diǎn)傳輸通道建設(shè)方案

視頻采集點(diǎn)至視頻接入節(jié)點(diǎn)傳輸通道建設(shè)方案可采用利用傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方式、GPON 方式、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)方式。

綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)各視頻采集點(diǎn)采用1080P 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，按照視頻采集點(diǎn)傳輸帶寬為4Mb/s/路計(jì)算，沿線各區(qū)間綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬測(cè)算詳見表1。

表1：新朔綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬測(cè)算表

根據(jù)帶寬測(cè)算既有傳輸系統(tǒng)已無法滿足新增攝像機(jī)的通道需求，本次研究在海勒絲壕南、納林川、薛家灣站各新增1 套PTN（100G）傳輸設(shè)備1 套，并考慮對(duì)GPON 方式和工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行方案比選。

2.2.1 GPON 方式

GPON 技術(shù)是基于ITU-TG.984.x 標(biāo)準(zhǔn)的最新一代寬帶無源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)，是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)，可提供上行1.25G、下行2.5G 的高帶寬。GPON 由OLT、ONU、ODN 等組成，針對(duì)本工程特點(diǎn)采用總線型組網(wǎng)，OLT 設(shè)置于視頻接入節(jié)點(diǎn)，ONU 設(shè)置于沿線視頻采集點(diǎn)，每個(gè)PON 口最多級(jí)聯(lián)5 級(jí)，允許6 個(gè)ONU 接入。GPON 組網(wǎng)方式見圖5。

圖5：GPON 組網(wǎng)方式示意圖

2.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)方式

工業(yè)以太網(wǎng)是在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP 技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、互可操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)方案在車站視頻機(jī)房設(shè)置三層交換機(jī)、其余視頻匯集點(diǎn)設(shè)置二層交換機(jī)，視頻接入節(jié)點(diǎn)與視頻匯集點(diǎn)采用兩條不同的光纖通道連接，組成具備自愈功能的千兆工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)。視頻采集點(diǎn)通過光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連至視頻匯集點(diǎn)處的二層交換機(jī)，組成星形網(wǎng)絡(luò)，見圖6。

圖6：工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)方式示意圖

2.2.3 方案探討

2.2.3.1 可靠性

GPON 技術(shù)可提供Type C 保護(hù)（采用OLT 雙PON 口、ONU 雙PON 口、主干光纖、分光器和配線光纖均雙路冗余的保護(hù)），可靠性高，抗多點(diǎn)失效。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)采用環(huán)網(wǎng)保護(hù)，抗單點(diǎn)失效，若發(fā)生單點(diǎn)鏈路故障或設(shè)備失效數(shù)據(jù)自動(dòng)從反方向傳輸實(shí)現(xiàn)自愈，不抗多點(diǎn)失效，一旦兩點(diǎn)失效，會(huì)形成孤島。

2.2.3.2 光纖資源

新準(zhǔn)鐵路GPON 方式以最大區(qū)間舉例說明，此區(qū)間有217 路視頻，因此本線單方向?qū)Χ嘟尤?10 路視頻，GPON技術(shù)每個(gè)PON 口最多允許6 個(gè)ONU 接入，由此可得出最大需要19 個(gè)PON 口，采用主備模式則需要38 個(gè)PON 口，GPON 方式最大占用38 芯光纖，由于采用主備保護(hù)模式，需設(shè)置2 條48 芯光纜。

工業(yè)以太網(wǎng)方式占用最大光纖資源為視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)、視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)之間光纖需求之和。本次設(shè)計(jì)單方向最多接入了10 路視頻，視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)最多需要20 芯光纖，視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)之間考慮一個(gè)環(huán)內(nèi)交換機(jī)數(shù)量不超過6 臺(tái)，最大需要6 芯光纖，因此需要設(shè)置1 條48 芯光纜，1 條用于視頻匯集點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)，另1 條用于視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)。

工業(yè)以太網(wǎng)方式占用最大光纖資源為視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)光纖需求。視頻匯集點(diǎn)與視頻接入節(jié)點(diǎn)之間考慮一個(gè)環(huán)內(nèi)交換機(jī)數(shù)量不超過6 臺(tái)，最大需要6 芯光纖，因此需占用既有傳輸光纜中至少6 芯用于視頻匯集點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)。

2.2.3.3 工程投資

GPON 方式設(shè)備單價(jià)偏高，工業(yè)以太網(wǎng)方式設(shè)備價(jià)格較低。

綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)方案光纜資源占用少、設(shè)備單價(jià)較低，工程投資較低，雖然可靠性不及GPON 方式，但可保證單點(diǎn)失效的信息傳輸，因此，本次研究推薦采用方案Ⅱ：工業(yè)以太網(wǎng)方式。

2.3 存儲(chǔ)方案比選

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)方式可采用傳統(tǒng)方式及云存儲(chǔ)方式。

2.3.1 傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)方式指的是采用服務(wù)器+磁盤陣列的存儲(chǔ)方式，在各視頻接入節(jié)點(diǎn)設(shè)置存儲(chǔ)服務(wù)器、磁盤陣列，對(duì)其接入的所有視頻信息和告警信息進(jìn)行存儲(chǔ)。磁盤陣列采用RAID5+熱備盤的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

第一步：首先計(jì)算視頻監(jiān)控裸存儲(chǔ)容量

視頻監(jiān)控存儲(chǔ)容量計(jì)算公式為：

T=(N×S)/8×24×3600×D/(1024)（TB）

其中：T 為存儲(chǔ)容量，N 為攝像機(jī)個(gè)數(shù)，S 為速率（Mb/s），D 為存儲(chǔ)天數(shù)。

視頻存儲(chǔ)原則：攝像機(jī)采集圖像存儲(chǔ)不小于15 天，每路H.265 編碼格式的1080p 高清視頻存儲(chǔ)碼流按4Mb/s 存儲(chǔ)計(jì)算。

考慮40%存儲(chǔ)容量冗余具體視頻監(jiān)控裸存儲(chǔ)容量見表2。

表2：傳統(tǒng)方式設(shè)備配置

第二步：計(jì)算存儲(chǔ)需要的實(shí)際硬盤數(shù)量

存儲(chǔ)需要的有效硬盤數(shù)=Roundup[視頻監(jiān)控裸存儲(chǔ)容量÷硬盤單盤容量（硬盤標(biāo)稱值，以TB 為單位）]。單盤容量按6TB 考慮。

推薦RAID5 模式組網(wǎng)情況：

錄像存儲(chǔ)所需要的總硬盤數(shù)=滿盤位（設(shè)備數(shù)量*單設(shè)備38 盤位）+余量的實(shí)際盤數(shù)量=Rounddown（錄像存儲(chǔ)需要的有效硬盤數(shù)÷33）×38+Y（余量的實(shí)際盤數(shù)量）；

余量的實(shí)際盤數(shù)量參考見表3。

表3：RAID5 硬盤余量參考

根據(jù)已上公式，各站所需硬盤數(shù)量見表4 所示。

表4：硬盤數(shù)量計(jì)算

2.3.2 云存儲(chǔ)方式

云存儲(chǔ)方式在各視頻接入節(jié)點(diǎn)部署云存儲(chǔ)設(shè)備，對(duì)其接入的所有視頻信息和告警信息進(jìn)行存儲(chǔ)。2 臺(tái)及以上云存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可組成集群化節(jié)點(diǎn)，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）多臺(tái)云存儲(chǔ)設(shè)備集群部署，采用N+0熱備云化集群，不需要購置額外設(shè)備，實(shí)現(xiàn)N 臺(tái)設(shè)備互備。

（2）故障遷移：集群具備自動(dòng)故障檢測(cè)，自動(dòng)業(yè)務(wù)遷移和恢復(fù)能力，某節(jié)點(diǎn)故障時(shí)能自動(dòng)調(diào)動(dòng)集群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)接管業(yè)務(wù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）負(fù)載均衡：根據(jù)各設(shè)備承擔(dān)的業(yè)務(wù)壓力，動(dòng)態(tài)調(diào)整各設(shè)備業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)處于均衡穩(wěn)定狀態(tài)中，避免單設(shè)備過載。

（4）彈性伸縮：系統(tǒng)擴(kuò)張時(shí)可隨時(shí)向集群中增加云存儲(chǔ)設(shè)備，新的云存儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)分擔(dān)業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)量較少時(shí)也可隨時(shí)縮減節(jié)點(diǎn)數(shù)量，原云存儲(chǔ)設(shè)備上承擔(dān)的業(yè)務(wù)可以自動(dòng)切換到其他集群設(shè)備上。

云存儲(chǔ)方式設(shè)備配置見表5。

表5：云存儲(chǔ)方式設(shè)備配置

方案比選：

技術(shù)可行性：方案Ⅰ、Ⅱ設(shè)備配置架構(gòu)基本一致，均可滿足《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 575-2017）標(biāo)準(zhǔn)要求。

數(shù)據(jù)保護(hù)方面：方案Ⅰ磁盤陣列如果同時(shí)損壞2 塊及以上硬盤，磁盤陣列失效，以往錄像無法恢復(fù)。方案Ⅱ的云存儲(chǔ)設(shè)備同時(shí)損壞多塊硬盤，設(shè)備仍然正常工作，硬盤更換后數(shù)據(jù)即可恢復(fù)。同時(shí)，方案Ⅱ還具備負(fù)載均衡，整機(jī)故障保護(hù)等功能。

部署時(shí)間方面：方案Ⅰ需為每個(gè)攝像機(jī)定義存儲(chǔ)空間、存儲(chǔ)位置等信息，工作較為繁瑣；方案Ⅱ云存儲(chǔ)技術(shù)為攝像機(jī)自動(dòng)分配存儲(chǔ)空間，部署快捷簡(jiǎn)便。

工程投資方面：云存儲(chǔ)設(shè)備（含分發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)能力）造價(jià)約1000 元/T，按照新增1008T，投資約100.8 萬；方案Ⅰ存儲(chǔ)設(shè)備造價(jià)約1000 元/T，按照新增780T，總投資約78 萬；方案Ⅱ略高于方案I。

通過上述方案的分析比較，方案1、2 在技術(shù)方面均能滿足本工程需要，方案2 采用的云技術(shù)增強(qiáng)了視頻數(shù)據(jù)的安全性，因此，大準(zhǔn)線、準(zhǔn)池線采取方案1 傳統(tǒng)方式，新準(zhǔn)線推薦采用方案2 云存儲(chǔ)方式。

3 小結(jié)

鐵路各業(yè)務(wù)部門對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高，可以極大的解放生產(chǎn)力，對(duì)突發(fā)事件有直觀的判斷并能在第一時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)線路區(qū)間的各種不法行為進(jìn)行有效的監(jiān)督，保護(hù)鐵路運(yùn)輸安全。監(jiān)控方案應(yīng)該與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合，實(shí)時(shí)調(diào)整，做出最合適的方案選擇。