趙元初
(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為鐵路行車調(diào)度、救援指揮、防災安全和客運服務調(diào)度的輔助決策手段,為鐵路安全行車及現(xiàn)代化運營管理提供了可靠的技術保障。隨著視頻技術、網(wǎng)絡技術飛速發(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。為滿足本線運營和治安防范的需要,有必要對重要部位和高風險作業(yè)區(qū)域進行監(jiān)控。
巴準鐵路車站、鐵路隧道兩端、橋梁兩端、公跨鐵立交橋、防洪重點地段、鐵路兩側網(wǎng)未封閉地段、鐵路兩側臨近村莊、水源地、牽引所、變配電所、分區(qū)所等區(qū)域均需設置視頻視頻采集點。本文通過對不同方案的探討分析給出了針對于巴準鐵路最合適的綜合監(jiān)控方案。
視頻采集點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分別以 2n 的間距交錯設置攝像機設備,每處監(jiān)控點設置兩臺攝像機設備,分別覆蓋上、下行監(jiān)控區(qū)域,與對側相鄰的攝像機一同實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的無縫覆蓋。交織重疊覆蓋方式的設備布置示意如圖 1 所示,監(jiān)控視場覆蓋示意如圖 2 所示。
圖1:交織重疊覆蓋方式設備布置示意圖
圖2:交織重疊覆蓋方式監(jiān)控視場覆蓋示意圖
交織重疊覆蓋方式的優(yōu)點在于對線路監(jiān)控覆蓋效果良好,通過在線路兩側設置攝像機,消除了列車運行通過時的盲區(qū),并且由于每兩處監(jiān)控點之間的線路由兩個攝像機設備進行共同覆蓋,因此監(jiān)控點之間的間距可以較大。而缺點在于需要頻繁過軌,同時較大間距也不可避免的會受到線路條件的影響。
結合相關工程經(jīng)驗,在晝夜監(jiān)控條件下,攝像機對線路監(jiān)控的視場范圍(FOV,F(xiàn)ield Of View)可以達到200 ~300m 并具有較好的工程建設性價比, 因此根據(jù)不等式關系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以 m 的間距設置攝像機設備,每個監(jiān)控點僅設置一臺攝像機設備,完成對上行或下行區(qū)域的監(jiān)控,與相鄰的攝像機一起實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的無縫覆蓋。單向重疊覆蓋方式的設備布置示意如圖 3 所示,監(jiān)控視場覆蓋示意如圖 4 所示。 圖3:單向覆蓋方式設備布置示意圖 圖4:單向覆蓋方式監(jiān)控視場覆蓋示意圖 單向重疊覆蓋方式的優(yōu)點在于工程實施簡單,無需頻繁過軌,受線路影響較小,同時由于兩個相鄰監(jiān)控點之間的線路主要由單向設置的單臺攝像機進行監(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備性能的影響,根據(jù)相關工程經(jīng)驗,當m 取值為200 ~250m 時,監(jiān)控覆蓋效果較好,工程配套以及設備的工程費用相對較小。 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,列車通過時對另一側線路產(chǎn)生盲區(qū)的影響很??;從既有線施工難度、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,在需要進行連續(xù)監(jiān)控的重點路段優(yōu)先采用單向重疊覆蓋方式連續(xù)設置攝像機。 視頻采集點至視頻接入節(jié)點傳輸通道建設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)各視頻采集點采用1080P 高清網(wǎng)絡攝像機,按照視頻采集點傳輸帶寬為4Mb/s/路計算,沿線各區(qū)間綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬測算詳見表1。 表1:新朔綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬測算表 根據(jù)帶寬測算既有傳輸系統(tǒng)已無法滿足新增攝像機的通道需求,本次研究在海勒絲壕南、納林川、薛家灣站各新增1 套PTN(100G)傳輸設備1 套,并考慮對GPON 方式和工業(yè)以太網(wǎng)方式進行方案比選。 2.2.1 GPON 方式 GPON 技術是基于ITU-TG.984.x 標準的最新一代寬帶無源光綜合接入標準,是一點對多點的分布式網(wǎng)絡,可提供上行1.25G、下行2.5G 的高帶寬。GPON 由OLT、ONU、ODN 等組成,針對本工程特點采用總線型組網(wǎng),OLT 設置于視頻接入節(jié)點,ONU 設置于沿線視頻采集點,每個PON 口最多級聯(lián)5 級,允許6 個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)技術和TCP/IP 技術基礎上開發(fā)出來的一種工業(yè)網(wǎng)絡,在產(chǎn)品設計時,在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、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)場的需要。 結合本工程特點,工業(yè)以太網(wǎng)方案在車站視頻機房設置三層交換機、其余視頻匯集點設置二層交換機,視頻接入節(jié)點與視頻匯集點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)。視頻采集點通過光纖點對點直連至視頻匯集點處的二層交換機,組成星形網(wǎng)絡,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 技術可提供Type C 保護(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),可靠性高,抗多點失效。 工業(yè)以太網(wǎng)技術采用環(huán)網(wǎng)保護,抗單點失效,若發(fā)生單點鏈路故障或設備失效數(shù)據(jù)自動從反方向傳輸實現(xiàn)自愈,不抗多點失效,一旦兩點失效,會形成孤島。 2.2.3.2 光纖資源 新準鐵路GPON 方式以最大區(qū)間舉例說明,此區(qū)間有217 路視頻,因此本線單方向對多接入110 路視頻,GPON技術每個PON 口最多允許6 個ONU 接入,由此可得出最大需要19 個PON 口,采用主備模式則需要38 個PON 口,GPON 方式最大占用38 芯光纖,由于采用主備保護模式,需設置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至視頻匯集點、視頻匯集點與視頻接入節(jié)點之間光纖需求之和。本次設計單方向最多接入了10 路視頻,視頻采集點至視頻匯集點最多需要20 芯光纖,視頻匯集點與視頻接入節(jié)點之間考慮一個環(huán)內(nèi)交換機數(shù)量不超過6 臺,最大需要6 芯光纖,因此需要設置1 條48 芯光纜,1 條用于視頻匯集點、視頻接入節(jié)點間組網(wǎng),另1 條用于視頻采集點至視頻匯集點。 工業(yè)以太網(wǎng)方式占用最大光纖資源為視頻匯集點與視頻接入節(jié)點光纖需求。視頻匯集點與視頻接入節(jié)點之間考慮一個環(huán)內(nèi)交換機數(shù)量不超過6 臺,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、視頻接入節(jié)點間組網(wǎng)。 2.2.3.3 工程投資 GPON 方式設備單價偏高,工業(yè)以太網(wǎng)方式設備價格較低。 綜上所述,工業(yè)以太網(wǎng)方案光纜資源占用少、設備單價較低,工程投資較低,雖然可靠性不及GPON 方式,但可保證單點失效的信息傳輸,因此,本次研究推薦采用方案Ⅱ:工業(yè)以太網(wǎng)方式。 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲方式可采用傳統(tǒng)方式及云存儲方式。 2.3.1 傳統(tǒng)方式 傳統(tǒng)方式指的是采用服務器+磁盤陣列的存儲方式,在各視頻接入節(jié)點設置存儲服務器、磁盤陣列,對其接入的所有視頻信息和告警信息進行存儲。磁盤陣列采用RAID5+熱備盤的方式對數(shù)據(jù)進行保護。 第一步:首先計算視頻監(jiān)控裸存儲容量 視頻監(jiān)控存儲容量計算公式為: T=(N×S)/8×24×3600×D/(1024)(TB) 其中:T 為存儲容量,N 為攝像機個數(shù),S 為速率(Mb/s),D 為存儲天數(shù)。 視頻存儲原則:攝像機采集圖像存儲不小于15 天,每路H.265 編碼格式的1080p 高清視頻存儲碼流按4Mb/s 存儲計算。 考慮40%存儲容量冗余具體視頻監(jiān)控裸存儲容量見表2。 表2:傳統(tǒng)方式設備配置 第二步:計算存儲需要的實際硬盤數(shù)量 存儲需要的有效硬盤數(shù)=Roundup[視頻監(jiān)控裸存儲容量÷硬盤單盤容量(硬盤標稱值,以TB 為單位)]。單盤容量按6TB 考慮。 推薦RAID5 模式組網(wǎng)情況: 錄像存儲所需要的總硬盤數(shù)=滿盤位(設備數(shù)量*單設備38 盤位)+余量的實際盤數(shù)量=Rounddown(錄像存儲需要的有效硬盤數(shù)÷33)×38+Y(余量的實際盤數(shù)量); 余量的實際盤數(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)量計算 2.3.2 云存儲方式 云存儲方式在各視頻接入節(jié)點部署云存儲設備,對其接入的所有視頻信息和告警信息進行存儲。2 臺及以上云存儲節(jié)點可組成集群化節(jié)點,主要有以下優(yōu)勢: (1)多臺云存儲設備集群部署,采用N+0熱備云化集群,不需要購置額外設備,實現(xiàn)N 臺設備互備。 (2)故障遷移:集群具備自動故障檢測,自動業(yè)務遷移和恢復能力,某節(jié)點故障時能自動調(diào)動集群內(nèi)其他節(jié)點自動接管業(yè)務,保證系統(tǒng)正常運轉。 (3)負載均衡:根據(jù)各設備承擔的業(yè)務壓力,動態(tài)調(diào)整各設備業(yè)務負擔,使系統(tǒng)處于均衡穩(wěn)定狀態(tài)中,避免單設備過載。 (4)彈性伸縮:系統(tǒng)擴張時可隨時向集群中增加云存儲設備,新的云存儲設備自動分擔業(yè)務。業(yè)務量較少時也可隨時縮減節(jié)點數(shù)量,原云存儲設備上承擔的業(yè)務可以自動切換到其他集群設備上。 云存儲方式設備配置見表5。 表5:云存儲方式設備配置 方案比選: 技術可行性:方案Ⅰ、Ⅱ設備配置架構基本一致,均可滿足《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》(Q/CR 575-2017)標準要求。 數(shù)據(jù)保護方面:方案Ⅰ磁盤陣列如果同時損壞2 塊及以上硬盤,磁盤陣列失效,以往錄像無法恢復。方案Ⅱ的云存儲設備同時損壞多塊硬盤,設備仍然正常工作,硬盤更換后數(shù)據(jù)即可恢復。同時,方案Ⅱ還具備負載均衡,整機故障保護等功能。 部署時間方面:方案Ⅰ需為每個攝像機定義存儲空間、存儲位置等信息,工作較為繁瑣;方案Ⅱ云存儲技術為攝像機自動分配存儲空間,部署快捷簡便。 工程投資方面:云存儲設備(含分發(fā)轉發(fā)能力)造價約1000 元/T,按照新增1008T,投資約100.8 萬;方案Ⅰ存儲設備造價約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 在技術方面均能滿足本工程需要,方案2 采用的云技術增強了視頻數(shù)據(jù)的安全性,因此,大準線、準池線采取方案1 傳統(tǒng)方式,新準線推薦采用方案2 云存儲方式。 鐵路各業(yè)務部門對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高,可以極大的解放生產(chǎn)力,對突發(fā)事件有直觀的判斷并能在第一時間進行響應,對線路區(qū)間的各種不法行為進行有效的監(jiān)督,保護鐵路運輸安全。監(jiān)控方案應該與現(xiàn)場結合,實時調(diào)整,做出最合適的方案選擇。2.2 視頻采集點至視頻接入節(jié)點傳輸通道建設方案
2.3 存儲方案比選
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