基于車地無線的車載監(jiān)控視頻中心存儲實現(xiàn)

摘? 要： 城市軌道交通車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于受到車地無線傳輸帶寬的瓶頸限制，難以實現(xiàn)在控制中心集中存儲視頻數(shù)據(jù)的需求，而隨著近年來無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，為解決這一問題提供了技術(shù)基礎，本文介紹了目前在軌道交通行業(yè)中已使用的幾種車地無線傳輸技術(shù)，就實現(xiàn)車載視頻在控制中心存儲提出可能的方案，并計算所需要的通信資源。

關鍵詞： 城市軌道交通;車地無線;車載視頻監(jiān)控;視頻數(shù)據(jù)上傳;中心存儲

中圖分類號： TP3? ?文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.047

本文著錄格式：賈志華. 基于車地無線的車載監(jiān)控視頻中心存儲實現(xiàn)[J]. 軟件，2019，40（10）：202204+208

Storage Implementation of Vehicle Monitoring Video Center

Based on Vehicle-to-Ground Wireless

JIA Zhi-hua

（Hebei Far-east Communication System Engineering Co.， Ltd.， Shijiazhuang Hebei 050020）

【Abstract】： With bottleneck limits of wireless transmission bandwidth between vehicle and ground， it is difficult for vehicle-borne video surveillance system of urban rail transit to realize centralized storage of video data in control center. Development of wireless transmission technology in recent years provides technical basis to solve this problem. The paper introduces several vehicle-to-ground wireless transmission technologies applied in rail transit industry， and proposes possible solutions to realize storage of vehicle-borne video in control center， and calculates required communication resources.

【Key words】： Urban rail transit; Vehicle-to-ground wireless; On-board video surveillance; Video data upload; Central storage

0? 引言

近年來，城市軌道交通系統(tǒng)已經(jīng)成為人們生活的重要組成部分。隨著軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，客運量不斷增加，相關安全問題受到社會各界越來越廣泛關注，保障軌道運輸安全運行，就需要一套可靠、穩(wěn)定、高效的監(jiān)控系統(tǒng)支持。而城市軌道運輸多處于地下空間且相對較窄，列車運行線路卻很長，沿途站點又多，需要軌道列車和地面指揮中心進行很好的配合。因此，相互通信顯得尤為重要[1]。伴隨著車地無線傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，為城市軌道交通高質(zhì)量、高速率的安全運行提供了良好的契機。

1? 軌道交通車載視頻監(jiān)控業(yè)務

列車車載視頻監(jiān)控業(yè)務是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要功能是實現(xiàn)對車廂內(nèi)情況的實時視頻監(jiān)控，以供司機、控制中心調(diào)度等工作人員的調(diào)用。近年來，隨著對軌道交通安全管理需求的提升，對列車車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也在逐步提高。目前多個城市的軌道交通新建項目中均明確要求能實時上傳部分或全部的車輛CCTV監(jiān)控圖像，并能在控制中心對車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進行集中存儲。

1.1? 車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成

列車高清車載視頻監(jiān)控的基本結(jié)構(gòu)主要由車載監(jiān)控子系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡子系統(tǒng)、監(jiān)控中心子系統(tǒng)三大部分組成[2]。

車載監(jiān)控子系統(tǒng)：主要包括高清網(wǎng)絡攝像機、視頻管理和存儲設備、司機室調(diào)度終端等。車載子系統(tǒng)主要完成對車廂視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼和存儲，提供視頻流數(shù)據(jù)，司機可通過司機室的終端實現(xiàn)對本車車載監(jiān)控視頻的調(diào)用。

傳輸網(wǎng)絡子系統(tǒng)：車載視頻監(jiān)控的傳輸網(wǎng)絡主要包括車載局域網(wǎng)，負責接入所有的前端車載攝像機，將數(shù)據(jù)傳輸至司機室的視頻存儲設備和司機調(diào)用終端;車地無線傳輸，負責將車載監(jiān)控視頻通過無線傳輸通道，上傳到各車站的無線組網(wǎng)交換機，并通過專用傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳線路控制中心，供中心調(diào)度員或其他需要的部門調(diào)用觀看。

監(jiān)控中心子系統(tǒng)：監(jiān)控中心主要配置有中心服務器和監(jiān)控終端等設備，線路監(jiān)控中心匯聚本線路所有車輛的監(jiān)控數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端可實現(xiàn)對任一車輛任一路車載視頻的調(diào)用——包括實時視頻和歷史視頻。根據(jù)需要，監(jiān)控中心還可部署視頻存儲設備，用于存儲上傳的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)[3]。

1.2? 車載監(jiān)控視頻在控制中心存儲

目前，多地軌道交通運營和管理部門都提出了車載監(jiān)控數(shù)據(jù)在控制中心集中存儲的需求，由于受限于車地無線傳輸帶寬，多數(shù)已通車線路的車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)只能存儲在車輛上的視頻存儲設備中，如需要對車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進行備份，就要等待列車停運回庫后，由維護人員通過硬盤拷貝的方式進行，這樣效率低且數(shù)據(jù)的可靠性、實時性難以保證。

因此，通過可靠的方案和技術(shù)實現(xiàn)車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的上傳控制中心和存儲就是解決這一問題的關鍵，而主要技術(shù)瓶頸就在車地無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和帶寬上。

2? 車地無線傳輸技術(shù)

要實現(xiàn)車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳和在監(jiān)控中心的存儲，傳輸網(wǎng)絡子系統(tǒng)——尤其車地無線傳輸，起著至關重要的作用。

目前在國內(nèi)軌道交通行業(yè)，能為車載監(jiān)控視頻上傳提供無線傳輸通道的，主要包括如下幾種技術(shù)：

2.1? WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)

WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)基于IEEE802.11系列標準，其商業(yè)產(chǎn)品成熟，系統(tǒng)安裝便捷，使用靈活且易于擴展，系統(tǒng)工作在開放頻段，使用上無需無線電管理部門批準，也不用付費，所以其建設成本也相對經(jīng)濟。同時，WLAN技術(shù)具有較大的通道帶寬，工作在2.4 G頻段的802.11 g其傳輸速率可達54 Mbps[4]。

但WLAN技術(shù)的缺陷也比較明顯，由于它最早并非為高速移動下的無線通信而設計，隨著國內(nèi)城市軌道交通目前向遠城區(qū)發(fā)展的趨勢，列車運行的最高設計速度已達到或超過了100公里/小時，測試表明，在高速下實現(xiàn)切換時，會使傳輸性能明顯下降。此外，使用的2.4G開放頻段，還存在著易被干擾的不安全因素。

2.2? LTE技術(shù)

LTE是3GPP制定的全球通用標準，它以20MHz帶寬組網(wǎng)，一般認為理論上的傳輸下行峰值速率可達100 Mbps，上行峰值速率可達50 Mbps，它采用了OFDM（正交頻分復用）、MIMO（多入多出）、HARQ（混合自動重傳請求）等先進技術(shù)，有效的提高了傳輸速率、頻譜的效率和抗干擾能力。

此外，LTE技術(shù)在設計上就考慮了針對移動場景下的數(shù)據(jù)通信，通過AFC（Automatic Frequency Control，自動頻率控制）技術(shù)進行頻率糾偏，能實現(xiàn)支持350 km/h的終端移動速度，可為高速移動下的車輛數(shù)據(jù)通信提供有效支持。成都18號線項目（設計最高運行時速140 km/h）曾針對LTE在高速移動下的性能進行測試，其測試結(jié)果表明，LTE系統(tǒng)可以滿足軌道交通系統(tǒng)在120～160 km/h的高速下對無線通信的要求。

2.3? EUTH（增強型超高吞吐）

EUTH技術(shù)是在近兩年進入地鐵的寬帶移動無線系統(tǒng)，工作在5.8GHz的頻帶上。

EUTH系統(tǒng)的技術(shù)特點是高可靠性、低時延、高移動性，能在高速條件下提供較大的帶寬，根據(jù)在已建成的廣州地鐵知識城支線的測試顯示：EUTH系統(tǒng)平均吞吐可達到407 Mbps，切換成功率100%，平均切換時延26.2 ms（MAC層），網(wǎng)絡傳輸平均時延4.5 ms，數(shù)據(jù)丟包率0.02%（2路3M CCTV數(shù)據(jù)），端到端傳輸平均時延4.2 ms[5]。

在列車運行中，單車可同時承載30路（6路*3Mbps+24路*1.5Mbps）CCTV業(yè)務和1路（8Mbps）PIS業(yè)務——合計上下行帶寬62Mbps。

2.4? 基于車地無線技術(shù)的車載視頻監(jiān)控上傳應用

WLAN技術(shù)進入軌道交通行業(yè)較早，也可以提供較為較大的傳輸帶寬，目前有多個項目采用了這一技術(shù)來承載視頻監(jiān)控業(yè)務上傳，但正如上述介紹中所提到的，在高速移動下傳輸性能的不穩(wěn)定和工作在開放頻段的不安全因素，使其難以滿足對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求越來越高的視頻監(jiān)控業(yè)務。

相比WLAN，LTE技術(shù)在設計時就考慮了高速移動下對無線通信的支持。在2015年，還獲得了工信部批準的1785 MHz～1805 MHz專用頻段（需向省

無線電管理委員會提交審批），保證系統(tǒng)不受干擾。LTE雖然可以提供更安全、穩(wěn)定的無線傳輸通道，但受頻段的限制，其有效的傳輸帶寬不足，目前的應用中，一些項目中主要采用LTE來傳輸CBTC（基于通信的列車自動控制）業(yè)務，采用LTE技術(shù)來傳輸視頻數(shù)據(jù)的有鄭州地鐵1號線，根據(jù)鄭州地鐵LTE綜合承載業(yè)務測試顯示，當傳輸帶寬設置為10 MHz，功率20 W，上下行子幀配比2：2時，下行6 Mbps的PIS視頻播放流暢，但2路2 Mbps上行車載監(jiān)控視頻存在卡頓和馬賽克的情況。當修改上下行子幀配比為3：1時，上下行高清視頻均流暢播放，無馬賽克[2]。根據(jù)這一測試，即10 MHz的傳輸帶寬僅能滿足上下行合計約10 Mbps的視頻傳輸，所以，在工信部所規(guī)定的20 MHz頻段內(nèi)，LTE技術(shù)難以提供滿足全部車載監(jiān)控視頻上傳的帶寬[6]。

而近兩年新進入地鐵的EUTH技術(shù)，則滿足了高速移動下的無線傳輸高帶寬、高可靠性、低時延需求，根據(jù)在廣州地鐵知識城支線上的應用，能實現(xiàn)單車全部30路車載視頻監(jiān)控的同時上傳，這也為地鐵車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)實現(xiàn)上傳和控制中心存儲提供了基礎條件。

3? 車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)上傳及中心存儲方案

為實現(xiàn)車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳和中心存儲，我們需要簡略計算一下一輛列車所產(chǎn)生的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，國內(nèi)目前軌道交通一節(jié)車廂部署攝像機為2-8臺，我們?nèi)∫还?jié)車廂4臺高清攝像機進行計算。以一列6節(jié)編組的列車為例，每節(jié)車廂4臺攝像機，每個司機室2臺攝像機，則該列車上共有高清攝像機4×6+2×2=28個，攝像機傳輸碼率按2 Mbps計算，由此計算一列編組列車1小時產(chǎn)生的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)為：

2048 Kbps×28×3600 s÷8÷1024÷1024≈25 GB

按照地鐵1天運行18小時計算，一列編組列車共產(chǎn)生數(shù)據(jù)25×18=450 GB。

根據(jù)車地無線可提供給車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的帶寬和傳輸?shù)姆€(wěn)定性，可采用的上傳數(shù)據(jù)、中心存儲方案有數(shù)據(jù)實時上傳和集中上傳兩種。

3.1? 車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)中心存儲方案一：數(shù)據(jù)實時上傳

實時上傳車載監(jiān)控視頻的方案，即運營時所有車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)實時上傳監(jiān)控中心，并在監(jiān)控中心進行集中存儲。

根據(jù)車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)不變，依然將車載監(jiān)控視頻存儲在車載存儲設備上，并提供給司機工作使用。同時，所有攝像機另外上傳一路實時視頻流至監(jiān)控中心，并在監(jiān)控中心的視頻存儲設備上進行集中存儲[7]。

車載監(jiān)控視頻實時上傳對傳輸子系統(tǒng)有較高的要求，以上述一列車28個攝像機，每個攝像機2 Mbps碼率計算，當所有圖像同時上傳控制中心時，一列車至少需要為車載視頻監(jiān)控業(yè)務提供穩(wěn)定的上行（列車至控制中心）帶寬2 Mbps×28=56 Mbps。

如按照全線同時運行15列編組列車統(tǒng)計，需要主干網(wǎng)至少需為車載監(jiān)控視頻提供帶寬：56 Mbps× 15=840 M，以供車載視頻數(shù)據(jù)通過主干網(wǎng)上傳控制中心。

當車地無線可提供較大的穩(wěn)定傳輸帶寬時，建議采用實時上傳，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)的實時性高，即便出現(xiàn)緊急情況導致監(jiān)控中心和列車通信中斷，監(jiān)控中心仍然可以調(diào)用已經(jīng)存儲在中心存儲設備上的視頻錄像，從數(shù)據(jù)安全性上，做到了中心對車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的備份存儲[8-9]。缺點在于，在高速移動下，如果車地傳輸網(wǎng)絡子系統(tǒng)出現(xiàn)的任何影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顩r，都會造成控制中心接收、存儲視頻質(zhì)量下降的問題[10]。

3.2? 車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)中心存儲方案二：數(shù)據(jù)集中上傳

車地無線無法為車載視頻監(jiān)控提供穩(wěn)定帶寬情況下，為保證視頻存儲的質(zhì)量，建議采用車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)集中上傳的方案。

集中上傳方案，即在運營期間，車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)仍然存儲在車輛上的視頻存儲設備中，當列車每天的結(jié)束運營工作并返回車輛段、停車場后，將當天新存儲的數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心的備份存儲服務器。由于視頻數(shù)據(jù)時在列車上存儲后再上傳，就可以有效保證存儲視頻的質(zhì)量。

集中上傳方案相比實時上傳，主要缺陷在存儲視頻數(shù)據(jù)的實時性上，而優(yōu)點在于監(jiān)控視頻的質(zhì)量有保障，當列車回庫后，處于靜止狀態(tài)下，無線傳輸通道可提供的帶寬和傳輸穩(wěn)定性也更好。通過集中上傳的方式，需要在較短的停運時間內(nèi)，將一天運營中存儲的所有數(shù)據(jù)上傳到指定的存儲設備。

根據(jù)之前的計算，已知一列編組1天運營18小時，共會產(chǎn)生450 GB的視頻數(shù)據(jù)，如果需要在3小時內(nèi)完成一輛列車一天視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳，則一列車上傳速率至少需要達到：

450 GB×1024×8÷3÷3600≈340 Mbps

4? 結(jié)語

近年來無線技術(shù)的發(fā)展和進步，除了上文中已提到的技術(shù)之外，5G車地無線通信在最近也開始了相關測試——2019年5月，在深圳地鐵11號線，試行了全球首例地鐵5 G超寬帶車地無線通信，其傳輸速率超過1.5 Gbps，25 GB的數(shù)據(jù)完成傳輸只需要150秒，且具有高度的安全性、可靠性特點。由于目前暫沒有關于這一測試的詳細信息和數(shù)據(jù)，本文不更深入的就此進行探討，但是根據(jù)報道中透露的信息，新技術(shù)所能提供的無線通信服務質(zhì)量較過去無疑有了大幅的進步。

本文在車地無線技術(shù)發(fā)展的背景下，針對軌道交通行業(yè)對車載視頻監(jiān)控的調(diào)用和監(jiān)控中心存儲視頻的需求，探討了可能方案并初步計算了實現(xiàn)方案需要的資源（帶寬），隨著車地無線技術(shù)為車載視頻監(jiān)控傳輸提供更好的帶寬和安全保障，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將在軌道交通日常運行和安全管理工作中發(fā)揮更大的作用。

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