高速鐵路視頻監控系統區間數據傳輸的設計和實現方法

陳鄭超

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

高速鐵路視頻監控系統區間數據傳輸的設計和實現方法

陳鄭超1，2

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

高速鐵路實現高清視頻全覆蓋，結合杭黃高速鐵路工程，介紹區間數據傳輸采用GPON技術以及工業以太網技術的設計和實現方法。

高速鐵路；視頻監控；GPON；工業以太網

隨著《中國鐵路總公司關于發布設計時速200 km及以上鐵路區間線路視頻監控設置有關補充標準的通知》（鐵總建設[2016]18號）的發布與落實，所有設計時速200 km高速鐵路區間的隧道口、公跨鐵立交橋、橋梁救援疏散通道、沿線設備機房內外、調度局界口、車站咽喉區、區間路基、路基和橋梁結合部、6 km以上橋梁都需實現高清視頻監控的無縫覆蓋。

目前鐵路視頻監控系統組網，采用集中存儲與實時調看相結合的模式，視頻監控前端設備與視頻節點間存在著恒定的視頻存儲數據流，通過區間傳輸系統提供透明通道進行傳輸。隨著高速鐵路高清視頻監控系統的實施，通道帶寬已遠遠不能滿足高清視頻監控系統數據的傳輸需求。下面結合杭黃鐵路工程，介紹區間視頻監控系統采用PON以及工業以太網技術來實現高清視頻信號傳輸的一種新思路。

1 工程實例

杭黃鐵路位于皖南及浙西地區，線路運營長度287.530 km，正線橋梁167座91.887 km，隧道88 座139.448 km，全線橋隧總長231.335 km（左線、含杭長代建長度），橋隧比87.4%。最長橋梁為浦陽江特大橋，全長6.216 km。最長隧道為天目山隧道，全長12.013 km，位于皖浙交界處。

目前杭黃鐵路視頻監控系統方案如下：在通信、信號、牽引供電及電力供電區間機房內、院落、GSM－R基站鐵塔（線路巡視）、橋梁救援疏散通道、公跨鐵立交橋、隧道口、車站咽喉區、聯絡線與正線連接點處設置視頻前端采集設備。本工程在通信基站、信號中繼站、電力電氣化節點通信機房設置采集點后端設備，實現視頻采集點設備的接入、視頻圖像壓縮編碼和視頻分析。

全線采用數據網和MSTP傳輸系統進行組網。車站、段所的視頻業務通過本線IP數據網進行承載，對于區間沒有數據網設備的節點，利用傳輸系統的1～3個VC-3時隙通道進行透明傳輸，帶寬34 Mbit/s，考慮到封裝效率及通道開銷，通常一路VC3時隙可用帶寬為34×0.8=27.2 Mbit/s。而一路高清視頻信號1080P（200萬像素）壓縮完最小帶寬需求為4 Mbit/s,即目前區間傳輸系統最多只能支持18-21路高清視頻信號的存儲傳輸需求。

按照18號文要求，目前杭黃鐵路區間內最多需布置100路高清攝像頭（最大50 km站距，按單區間內最多8個節點估算），同時考慮極端情況下的集中調看情況，區間視頻監控系統傳送帶寬應至少能支持150路高清視頻信號的傳輸，即網絡帶寬應不低600 Mbit/s，考慮到網絡開銷，網絡帶寬應不低于600×1.2=720 Mbit/s。

2 方案介紹

鑒于杭黃鐵路的情況，可以采用以下2種方案實現區間高清視頻信號的傳送。

方案一：GPON方式

在沿線車站通信機房設置GPON OLT，在區間通信機房設置ONU，前端攝像機采用IP攝像機或編碼器方式完成視頻信號的編碼，接入ONU。

具體方案見圖1所示。

圖1 GPON區間視頻組網方案

為保證視頻信息傳輸的安全性，ONU至OLT間可采用GPON的TYPE-B或手拉手保護方式實現業務保護。

GPON系統上下行帶寬分別達到1.25 Gbit/s，2.49 Gbit/s，對于目前的高清視頻信號，主要考察上行的視頻存儲及調用帶寬，GPON技術采用GEM封裝方式綜合傳輸效率在93%左右，則一路PON接口可用帶寬為1 250×0.9=1 125 Mbit/s，即一路GPON接口最多可以支持280路高清視頻信號的傳輸。

方案二：工業交換機組環方式

在沿線區間通信機房設置工業以太網交換機，利用鐵路兩側的各2芯光纖組成區間工業以太網環，在車站接入數據通信網接入節點。

具體方案見圖2所示。

圖2 工業以太網視頻組網方案

工業以太網采用私有協議方式保證環網的快速倒換，可以實現單點故障下的50 ms倒換。

采用以太網方式封裝數據，單環節點雙向傳輸帶寬均為1 Gbit/s，并支持對多條鏈路的捆綁以擴展帶寬。在單環場景下，傳輸效率在80%左右，即一個區間單環最大可以支持200路高清視頻信號的傳輸。

3 方案比選

以上兩個方案各有優劣。采用GPON方式組網，系統網絡帶寬達到1.25 Gbit/s，在采用TYPE B或手拉手方式組網下，可以實現最快50ms的故障倒換。同時由于GPON作為無源系統，主要的配置及維護工作如設備注冊入網等都在網管側完成，現場ONU配置維護的工作量很小，非常適合于高鐵這種維護天窗很短的應用場景。

GPON系統最大支持60 km邏輯距離，在多級分光場景下最少支持20 km的中繼距離，但在目前杭黃鐵路部分站間距達到50 km，可能無法滿足站間直接中繼距離要求，這就需要在部分區間站點增加中繼OLT，帶來了建設成本與組網的復雜性。

采用工業以太網方式組網，系統網絡帶寬1.25 Gbit/s，支持帶寬靈活擴展。工業以太網采用自愈環方式組網，可以提供50 ms內的故障倒換。設備的配置及管理主要也都在網管側進行，但部分情況下需要在現場進行交換機的配置及維護，對現場人員的技術要求較高。

工業以太網光模塊目前最大可以達到80 km，同時可以采用跳站方式實現區間中繼，組網方式較為靈活。

考慮目前GPON系統的主要設備成本在OLT側，而杭黃鐵路的站間距目前有4個區間超過40 km，如采用GPON方式，就需要增加8個區間環的中繼PON設備，大大增加了系統建設成本。因此，建議在杭黃鐵路區間視頻組網仍然采用工業以太網方式。

4 結束語

隨著高速鐵路推進高清視頻監控的全覆蓋，區間接入網絡的寬帶化是一種必然趨勢，且優點突出，值得我們對采取的技術路線進行深入探討。

在具體的工程應用中，應結合工程實際情況，綜合考慮系統性能、建設成本、運營維護成本的平衡，選擇不同技術路線的產品來滿足工程應用的實際需要。

For setting high-defi nition video along the whole high-speed railway line, the paper introduces the design and implementation methods of using GPON technology and industrial Ethernet technology to transmit data in Hangzhou-Huangshan high-speed railway project.

high-speed railway; video monitoring; GPON; Ethernet

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.008

2016-09-22）

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題課題項目（J2016Z020）